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Die Erfindung betrifft eine Achsanordnung mit einem Maschinengestell und einer beweglich am Maschinengestell gelagerten Achse sowie mit einer Lagereinrichtung, die für eine Drehlagerung der Achse relativ zum Maschinengestell ausgebildet ist, wobei die Lagereinrichtung eine Permanentmagnetanordnung und einen Supraleiter umfasst, die für eine berührungslose, magnetfeldgestützte Übertragung von Lagerkräften zwischen Achse und Maschinengestell ausgebildet sind.
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Aus der
WO 2012/019919 A1 ist ein supraleitendes Magnetlager zur rotativen Lagerung eines Maschinenelementes bekannt. Das Magnetlager umfasst einen Stator, der aus einem supraleitenden Material gebildet ist. Ferner ist ein gegenüber dem Stator rotierbarer Rotor vorgesehen, der ebenfalls aus einem supraleitenden Material hergestellt ist. Der Stator und der Rotor sind gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet, das zur Temperierung des Stators und des Rotors ausgebildet ist, so dass diese als supraleitende Materialien unterhalb ihrer Sprungtemperatur betrieben werden können. Ferner ist ein drehfest am Maschinenelement anbringbares Kupplungselement vorgesehen, welches außerhalb des Gehäuses koaxial zum Rotor angeordnet ist und welches drehfest mit dem Rotor magnetisch gekoppelt ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Achsanordnung bereitzustellen, mit der eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungsgebieten für die drehbar gelagerte Achse erschlossen werden können.
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Diese Aufgabe wird für eine Achsanordnung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, hierbei ist vorgesehen, dass die Lagereinrichtung als Radiallager für die Achse ausgebildet ist. Dementsprechend erschließen sich gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Achsiallagerung für die drehbar gelagerte Achse eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Hinblick auf die praktische Nutzbarkeit einer derart gelagerten Achse. Erfindungsgemäß sind die radialen Endbereiche der Achse frei zugänglich, da keine axial gegenüberliegend angeordneten Lagereinrichtungen erforderlich sind. Hierdurch kann beispielsweise eine seitliche Zufuhr einer umzulenkenden Materialbahn wie beispielsweise einer Stoff-, Papier- oder Folienbahn ermöglicht werden. Ferner kann vorgesehen werden, die Achse entlang ihrer Rotationsachse auch abseits der Endbereiche zu lagern, so dass auch eine schlanke Achse, die bezogen auf ihre Länge einen kleinen Querschnitt und somit eine geringe Biegefestigkeit aufweisen kann, durch geeignete Anordnung entsprechender Lagereinrichtungen selbst bei Einwirkung größerer Kräfte quer zur Rotationsachse im Wesentlichen formstabil gehalten werden kann. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Achsanordnung auch für einen Einsatz in Vorrichtungen, in denen ein Transport flexibler Materialbahnen mit hoher Geschwindigkeit stattfindet, da aufgrund der radialen Lagerung und der Möglichkeit zur mehrfachen Abstützung der Achse längs der Rotationsachse ein kleiner Achsdurchmesser gewählt werden kann, so dass eine entsprechende Achse eine geringe Massenträgheit aufweist, was für eine Vielzahl von Bearbeitungsvorgängen von Vorteil ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Permanentmagnetanordnung an der Achse angebracht ist und wenn der Supraleiter am Maschinengestell angebracht ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Achsanordnung in einer Umgebung eingesetzt werden soll, in der Temperaturen abseits der Sprungtemperatur des Supraleiters vorliegen, beispielsweise übliche Raumtemperaturen im Bereich von 20 bis 40 Grad Celsius. In diesem Fall ist zur Erzielung und Aufrechterhaltung des supraleitenden Effekts für den Supraleiter eine Kühlung des Supraleiters erforderlich, die beispielsweise unter Zuhilfenahme verflüssigter Gase, insbesondere verflüssigten Stickstoffs, und/oder durch Einsatz einer, insbesondere als Stirling-Motor ausgebildeten, Kühleinrichtung erzielt werden kann. Unabhängig von dem gewählten Kühlverfahren ist es vorteilhaft, die Kühlung des Supraleiters am ruhenden Maschinengestell zu gewährleisten, zumindest solange keine supraleitenden Materialien bekannt sind, deren Sprungtemperatur in Bereichen größer 250 Kelvin liegt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist eine kontaktlose Kühlung der Achse oder von Teilbereichen der Achse vorgesehen, so dass der Supraleiter der Lagereinrichtung an der rotierenden Achse angebracht ist. Bei ausreichend großem Durchmesser der Achse kann gegebenenfalls auch eine Integration einer Kühleinrichtung in die Achse vorgesehen werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Achse als Umlenkeinrichtung zur Umlenkung einer flexiblen Materialbahn aus einer ersten Förderrichtung in eine zweite Förderrichtung ausgebildet ist. Die Achse kann beispielsweise als Umlenkung in einer Verarbeitungsmaschine für Papier, insbesondere einer Druckmaschine, oder einer Textilverarbeitungsmaschine, insbesondere einer Maschine zum Imprägnieren von Stoffen, eingesetzt werden. Die Achse kann zur Umlenkung der flexiblen Materialbahn aus Stoff, Papier oder Folie aus einer ersten Förderrichtung in eine zweite Förderrichtung genutzt werden. Vorteilhaft hierbei ist es, dass die Achse aufgrund der berührungslosen, magnetfeldgestützten Kraftübertragung von Lagerkräften reibungsfrei gelagert ist und somit keine unerwünschten Bremskräfte auf die umzulenkende flexible Materialbahn ausübt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Achse wenigstens zwei längs einer Drehachse beabstandet, insbesondere an einander entgegengesetzten Endbereichen der Achse, angeordnete Lagereinrichtungen zugeordnet sind. Durch die Beabstandung der wenigstens zwei Lagereinrichtungen können Querkräfte auf die Achse, die normal zur Drehachse einwirken, in geeigneter Weise über die Lagereinrichtung in das Maschinengestell abgeleitet werden. Um mit einer geringen Anzahl von Lagereinrichtungen eine hohe Belastbarkeit der Achse gegenüber Querkräften zu gewährleisten, können diese an einander entgegengesetzten Endbereichen der Achse angeordnet sein. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Lagereinrichtung abseits eines Endbereichs der Achse angeordnet ist, beispielsweise um eine Durchbiegung der Achse aufgrund ihres Eigengewichts bei schlanker Gestalt und/oder erheblichen Querkräften zu vermindern bzw. zu verhindern.
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Ein Sonderfall bildet eine Lagereinrichtung, die sich zumindest nahezu, insbesondere genau, längs der Achse erstreckt und somit eine vollständige Abstützung der Achse über ihre gesamte Länge gewährleistet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die gesamte Achse als Permanentmagnetanordnung, insbesondere aus einem permanentmagnetischen Material, ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass dem Maschinengestell ein Stellmittel, insbesondere ein elektrischer oder fluidischer Stellantrieb, für eine Einstellung einer Position der Lagereinrichtung relativ zum Maschinengestell zugeordnet ist. Mit Hilfe eines derartigen Stellmittels kann beispielsweise die Lage der Drehachse anwendungsspezifisch eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Sensormittel vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die räumliche Lage der Drehachse bestimmt werden kann, um unter Zwischenschaltung einer geeigneten Steuereinrichtung eine Regelung der räumlichen Lage der Drehachse durchzuführen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeder der Lagereinrichtungen wenigstens ein individueller Stellantrieb zugeordnet ist, um die räumliche Lage der Achse in wenigstens einer Raumrichtung oder in einer durch zwei zueinander senkrechte Raumrichtungen bestimmte Bewegungsebene oder in einem durch drei zueinander senkrechte Raumrichtungen bestimmten Bewegungsraum weitgehend einstellbar zu machen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Supraleiter eine Magnetspulenanordnung und eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines Spulenstroms für die Magnetspulenanordnung zur Beeinflussung einer magnetischen Wechselwirkung zwischen Supraleiter und Permanentmagnetanordnung zugeordnet sind. Mit Hilfe der Magnetspulenanordnung kann exemplarisch in Abhängigkeit von einem von der Steuereinrichtung bereitgestellten Spulenstrom ein Magnetfeld erzeugt werden, das bezogen auf ein Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung eine vorgebbare Ausrichtung aufweist und das eine Beeinflussung der räumlichen Lage der Achse ermöglicht, ohne eine Beeinflussung des Supraleiters zu erfordern. Ferner kann das von der Magnetspulenanordnung bereitstellbare Magnetfeld beispielsweise für eine zeitweilige Schwächung der magnetischen Wechselwirkungen zwischen der Permanentmagnetanordnung und dem Supraleiter eingesetzt werden, um beispielsweise ein Entfernen der Achse aus dem Einflussgebiet des Supraleiters zu ermöglichen.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Steuereinrichtung ein Sensormittel zur Ermittlung einer räumlichen Lage der Achse zugeordnet ist, um eine Einstellung, insbesondere Regelung, eines Abstands zwischen Supraleiter und Permanentmagnetanordnung zu ermöglichen. Das Sensormittel kann beispielweise als optische Messeinrichtung zur kontaktlosen Ermittlung eines Abstands zwischen Achse und Maschinengestell ausgebildet sein. Alternativ kann das Sensormittel auch für eine berührungslose induktive oder kapazitive Abstandsmessung zwischen Achse und Maschinengestell ausgebildet sein.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Magnetspulenanordnung aus einem supraleitenden Material hergestellt ist. Vorzugsweise ist die Magnetspulenanordnung thermisch mit der Kühleinrichtung für den Supraleiter gekoppelt und kann somit in gleicher Weise wie der Supraleiter unterhalb ihrer Sprungtemperatur betrieben werden, so dass eine zumindest nahezu verlustfreie Betriebsweise für die Magnetspulenanordnung gewährleistet werden kann.
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Zweckmäßig ist es, wenn an wenigstens einem axialen Endbereich der Achse eine Magnetkupplung angeordnet ist, die für eine berührungslose Übertragung eines Antriebsmoments von einem Antriebsmittel auf die Achse ausgebildet ist. Hierdurch kann die Achse in der Art einer Welle zur Bereitstellung von Drehmomenten eingesetzt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, die Achse mit einer radial magnetisierten Permanentmagnetanordnung auszustatten und von außen mittels geeigneter Magnetspulen ein magnetisches Wanderfeld aufzuprägen, so dass hiermit eine kontaktlose Drehmomenteinkopplung auf die Achse erfolgt.
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Beispielweise kann eine angetriebene Achse als Antriebswelle zur Förderung einer flexiblen Materialbahn eingesetzt werden. Alternativ kann eine derart ausgebildete Achse mit einer wendelförmigen Vertiefung oder Erhöhung längs ihrer Drehachse versehen sein, um beispielsweise eine Förderung von Fluiden in der Art eines Schneckenförderers zu ermöglichen, sofern die Achse in einem geeigneten Querschnitt aufgenommen ist.
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Hierzu ist es vorteilhaft, wenn das Maschinengestell in einem ersten Raumvolumen und die Achse in einem zweiten Raumvolumen angeordnet sind, wobei das zweite Raumvolumen mit einem geschlossenen Gehäuse vom ersten Raumvolumen getrennt ist. Durch eine derartige Ausgestaltung der Achsanordnung kann beispielsweise eine Umlenkung einer flexiblen Materialbahn in einem geschlossenen Gehäuse stattfinden, ohne dass hierzu ein Kontakt mit der Umgebung des Gehäuses notwendig ist. Eine derartige Achsanordnung kann beispielsweise für eine Behandlung von flexiblen Materialbahnen in einem chemischen Reaktor eingesetzt werden, in dem die flexiblen Materialbahnen transportiert werden müssen, um in geeigneter Weise mit einem Reaktionsgas oder einer Reaktionsflüssigkeit in Kontakt treten zu können. Hierzu kann der geschlossene chemische Reaktor mit einer Mehrzahl von derartigen Achsanordnungen versehen werden, von denen wenigstens eine auch mit einer berührungslos arbeitenden Antriebseinrichtung versehen ist, um die gewünschte Bewegung der flexiblen Materialbahn bewirken zu können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lagereinrichtung für eine Translationsbewegung der Achse quer zu einer Drehachse ausgebildet ist. Damit kann die Achse zusätzlich zur Rotation um ihre Drehachse eine Translationsbewegung quer zur Drehachse ausführen. Hierdurch kann beispielsweise bei Verwendung der Achse zur Umlenkung einer flexiblen Materialbahn eine Einstellung eines Winkels der Materialbahn gegenüber weiteren Komponenten einer Bearbeitungsmaschine vorgenommen werden, die zur Erzeugung oder Bearbeitung der Materialbahn ausgebildet ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform einer Achsanordnung mit zwei radialen Lagereinrichtungen, die endseitig an einer Achse angeordnet sind,
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2 eine zweite Ausführungsform einer Achsanordnung mit zwei radialen Lagereinrichtungen, die beabstandet von Endbereichen der Achse angeordnet sind und die in einer Raumrichtung beweglich am Maschinengestell angeordnet sind,
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3 eine dritte Ausführungsform einer Achsanordnung, bei der eine Antriebseinrichtung für eine kontaktlose Ankopplung eines Drehmoments auf die Achse vorgesehen ist,
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4 eine erste Ausführungsform einer Achse,
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5 eine zweite Ausführungsform einer Achse und
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6 eine vierte Ausführungsform einer Achsanordnung, bei der eine Antriebseinrichtung für eine kontaktlose Einkopplung einer Dreh- und Translationsbewegung auf die Achse vorgesehen ist.
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Eine in der 1 dargestellte Achsanordnung 1 umfasst exemplarisch zwei Lagereinrichtungen 2, 3, die in einer ortsfesten Beziehung zu einem schematisch dargestellten Maschinengestell 4 stehen. Die Lagereinrichtungen 2, 3 sind dazu vorgesehen, eine Achse 5 kontaktlos drehbeweglich um eine Drehachse 6 zu lagern. Eine derartige Achse 5 kann beispielsweise für eine Umlenkung einer nicht dargestellten flexiblen Materialbahn vorgesehen sein, die aus einer ersten, tangential an einer Oberfläche 7 der exemplarisch mit kreisrundem Querschnitt ausgebildeten Achse 5 anliegenden ersten Förderrichtung in eine ebenfalls tangential an der Oberfläche 7 anliegende und von der ersten Förderrichtung unterschiedliche zweite Förderrichtung umgelenkt wird. Vorzugsweise sind die beiden Förderrichtungen normal zur Drehachse 6 ausgerichtet, eine schräge Umlenkung einer flexiblen Materialbahn, bei der die beiden Förderrichtungen in jeweils identischen und zueinander komplementären, vorgebbaren Winkeln zur Drehachse 6 ausgerichtet sind, ist ebenfalls möglich.
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Für eine kontaktlose Drehlagerung der Achse 5 ist bei der Achsanordnung 1 vorgesehen, die Lagereinrichtungen 2, 3 jeweils endseitig an der Achse 5 anzuordnen. Jede der Lagereinrichtungen 2, 3 umfasst eine Permanentmagnetanordnung 8, 9 sowie jeweils einen der entsprechenden Permanentmagnetanordnung 8, 9 zugeordneten Supraleiter 10, 11. Hierbei wird mit dem Begriff „Supraleiter” eine Anordnung beschrieben, die im Falle der Lagereinrichtung 2 exemplarisch einen becherförmig ausgebildeten Kühlkörper 12, eine in thermischer Kopplung mit dem Kühlkörper 12 stehende, insbesondere als Stirling-Motor ausgebildete, elektrisch betreibbare Kühleinrichtung 15 sowie einen am offenen Rand des Kühlkörpers 12 angeordneten Abschlussdeckel 16 umfasst. Der exemplarisch scheibenförmig ausgebildete Abschlussdeckel 16 umfasst einen Ring 17 aus einem supraleitenden Material, in dessen Zentrum ein zur Abdichtung eines vom Kühlkörper 12 und vom Abschlussdeckel 16 bestimmten Raumvolumens eine Abdeckscheibe 18 angeordnet ist.
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Die Lagereinrichtung 3 weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Lagereinrichtung 2 auf, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass in der mit 19 bezeichneten Abdeckscheibe eine Spulenanordnung 20 aufgenommen ist, die vorzugsweise als Ringspule ausgebildet ist und die mit einer Steuereinrichtung 21 elektrisch verbunden ist. Die Spulenanordnung 20 ist zur Bereitstellung eines quer zur Drehachse 6 ausgerichteten Magnetfelds ausgebildet, das dazu eingesetzt werden kann, eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem supraleitenden Ring 17 und der Permanentmagnetanordnung 9 zu beeinflussen.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Permanentmagnetanordnungen 8 und 9 jeweils gleichartig ausgebildet sind und exemplarisch als Aneinanderreihung jeweils dreier radial magnetisierter Ringmagnete 22, 23, 24 ausgebildet sind. Dabei sind jeweils benachbart angeordnete Ringmagnete 22, 23, 24 gegensinnig zueinander magnetisiert, so dass die Ringmagnete 22 und 24 exemplarisch einen radial außen liegenden Nordpol aufweisen, während der Ringmagnet 23 exemplarisch einen radial außen liegenden Südpol aufweist.
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Zur Erzielung der berührungslosen, magnetfeldgestützten Lagerung der Achse 5 gegenüber den Supraleitern 10, 11 kann zunächst vorgesehen werden, die Achse 5 zu einem Zeitpunkt, zu dem die supraleitenden Ringe 17 nicht unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt sind, durch nicht dargestellte Positioniermittel in die gewünschte Position gegenüber den Supraleitern 10, 11 zu bringen. In einem nachfolgenden Schritt werden die Kühleinrichtungen 15 aktiviert, um eine Abkühlung der jeweiligen supraleitenden Ringe 17 unter die jeweilige Sprungtemperatur zu erzielen und damit das von den jeweiligen Permanentmagnetanordnungen 8, 9 ausgehende magnetische Feld gewissermaßen im jeweiligen supraleitenden Ring 17 zu speichern. Sobald die Kühleinrichtungen 15 die jeweiligen supraleitenden Ringe 17 bis unterhalb der Sprungtemperatur abgekühlt haben, können die nicht dargestellten Positioniermittel entfernt werden. Ab diesem Zeitpunkt ist bei Beibehaltung der Kühlung der supraleitenden Ringe 17 unterhalb ihrer Sprungtemperatur eine berührungslose, magnetische Kopplung zwischen den jeweiligen Permanentmagnetanordnungen 8, 9 und den jeweiligen supraleitenden Ringen 17 gewährleistet.
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Mittels der Spulenanordnung 20, die in der zweiten Lagereinrichtung 3 ausgebildet ist, kann durch Bereitstellung eines Spulenstroms durch die Steuereinrichtung 21 ein zusätzliches Magnetfeld bereitgestellt werden, mit dessen Hilfe Anziehungskräfte oder Abstoßungskräfte gegenüber der Permanentmagnetanordnung 9 ausgeübt werden können, um eine räumliche Lage der Achse 5, insbesondere in einer quer zur Drehachse 6 ausgerichteten Raumrichtung, gegenüber der Lagereinrichtung 3 zu beeinflussen.
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Exemplarisch kann an einem Endabschnitt der Achse 5 ein optischer Spiegel 25 angeordnet sein, der Teil eines Sensormittels 26 ist, das zur Bestimmung der räumlichen Lage der Drehachse 6 eingesetzt werden kann. Das Sensormittel 26 umfasst exemplarisch eine als Laserdiode ausgebildete Lichtquelle 27 sowie eine Diodenmatrix 28, die zum Empfang eines von der Lichtquelle 27 ausgesendeten und am Spiegel 25 reflektierten Lichtstrahls ausgebildet ist. Bei geeigneter Kalibrierung des Sensormittels 26 trifft der Lichtstrahl der Lichtquelle 27 in Abhängigkeit von der räumlichen Lage der Drehachse 6 auf unterschiedliche lichtempfindliche Zellen der Diodenmatrix 28, wobei aus einer Information über Auftreffpunkt auf der Diodenmatrix in der Steuereinrichtung 21 unter Anwendung vorgegebener Rechenalgorithmen eine Lagebestimmung der Drehachse 6 vorgenommen werden kann. In einem nachfolgenden Schritt kann durch geeignete Ansteuerung der Spulenanordnung 20 eine Korrektur der räumlichen Lage der Drehachse 6 vorgenommen werden. Vorzugsweise sind die Steuereinrichtung 21 und das Sensormittel 26 für eine Regelung der räumlichen Lage der Drehachse 6 ausgebildet.
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Die Achsanordnung 31 gemäß der 2, bei der für funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie bei der 1 verwendet werden, unterscheidet sich von der Achsanordnung 1 gemäß der 1 dadurch, dass die Permanentmagnetanordnungen 8, 9 abseits der Endbereiche 32, 33 der Achse 35 angeordnet sind. Exemplarisch ist vorgesehen, dass beide Lagereinrichtungen 36, 37 in der Art der aus 1 bekannten Lagereinrichtung 3 ausgebildet sind, also jeweils auch eine Spulenanordnung 20 und eine zugeordnete Steuereinrichtung 21 aufweisen, wobei die Funktionsweise mit derjenigen der Lagereinrichtung 3 identisch ist. Zusätzlich sind beide Lagereinrichtungen 36, 37 gegenüber dem Maschinengestell 34 verschiebbar gelagert, um eine axiale Einstellung der Position der Achse 35 längs der Drehachse 6 zu ermöglichen. Beispielhaft ist hierzu ein elektrischer Linearantrieb 38 vorgesehen, der mit der Steuereinrichtung 21 der Lagereinrichtung 37 elektrisch verbunden ist. Für eine koordinierte Ausrichtung der Drehachse 6 sind beide Steuereinrichtungen 21 der Lagereinrichtungen 36, 37 elektrisch miteinander verbunden. Eine Ausrichtung der Drehachse 6 kann in gleicher Weise wie bei der Achsanordnung 1 durch geeignete Sensormittel vorgesehen werden. Alternativ kann beispielsweise vorgesehen werden, ein Verhalten einer mit Hilfe der Achse 35 umlenkbaren, nicht dargestellten flexiblen Materialbahn mit geeigneten Sensoren zu überwachen und daraus Rückschlüsse auf die räumliche Lage der Achse 35 zu ziehen und die Regelung der räumlichen Lage der Achse von den Sensorsignalen dieser Sensoren abhängig zu machen. Ergänzend ist bei der Ausführungsform gemäß der 2 eine lineare Verschiebung der gesamten Achsanordnung 31 längs der Drehachse 6 mittels des Linearantriebs 38 vorgesehen.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform einer Achsanordnung 41 handelt es sich exemplarisch um eine Weiterbildung der Achsanordnung 31 gemäß der 2. Im Unterschied zur Achsanordnung 31 gemäß der 2 ist bei der Achsanordnung 41 exemplarisch am linken Endbereich 31 eine Kupplungseinrichtung 42 vorgesehen, die für eine berührungslose Drehmomentkopplung mit einem Antriebsmotor 43 ausgebildet ist. Beispielhaft ist die Kupplungseinrichtung 42 als Wirbelstromkupplung ausgeführt und umfasst eine der Achse 35 zugeordnete Scheibe 44, in der Permanentmagnete 45 zirkular umlaufend angeordnet sind. Dabei sind Magnetisierungen der Permanentmagnete 45 derart ausgerichtet, dass diese in geeigneter Richtung, exemplarisch radial oder axial, zur Drehachse 6 verlaufende Feldlinien bereitstellen. An einer Antriebswelle 46 des Antriebsmotors 43 ist eine Wirbelstromscheibe 47 aus einem elektrisch leitenden, nicht ferromagnetischen Material angeordnet, in der bei einer Relativbewegung gegenüber der Scheibe 44 durch die Permanentmagnete 45 Wirbelströme induziert werden, die zu einer Kraftrückkopplung auf die Scheibe 44 führen und somit eine kontaktlose Übertragung eines Drehmoments vom Antriebsmotor 43 auf die Achse 35 ermöglichen. Eine weitere exemplarische Einkopplung einer Drehbewegung könnte mittels eines von zwei oder mehr Spulen erzeugten Drehfelds erfolgen, das auf die der Achse 35 zugeordnete Scheibe 44 einwirkt, so dass der Antriebsmotor 43, die Antriebswelle 46 und die Wirbelstromscheibe 47 entfallen können.
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In den 4 und 5 sind unterschiedlich profilierte Achsen dargestellt, die für eine Einflussnahme auf Materialien vorgesehen sind. Im Falle der in 4 dargestellten Achse 55, die bereichsweise als Doppelkonus mit zueinander gewandten verjüngten Bereichen ausgebildet ist, kann beispielsweise ein Band oder Faden umgelenkt werden, wobei aufgrund der doppelt konischen Profilierung eine Selbstzentrierung des Bandes oder Fadens gegenüber der Achse 55 gewährleistet ist. Im Falle der in 5 dargestellten Achse 65 ist eine Profilierung der Oberfläche 67 mit Profilelementen 66, die gemäß der Darstellung der 5 als Ausnehmungen ausgebildet sind, jedoch auch, in nicht dargestellter Weise, als Erhöhungen ausgeführt sein können, vorgesehen. Vorzugsweise ist eine Wechselwirkung dieser Profilelemente 66 mit korrespondierenden, insbesondere jeweils konträr geformten, Profilelementen einer weiteren, nicht dargestellten Achse vorgesehen. Diese weitere Achse ist vorzugsweise parallel zur Achse 65 ausgerichtet und kann wahlweise mit konventionellen Lagern oder mit den erfindungsgemäßen Lagereinrichtungen drehbar gelagert sein. Bei einer Zuführung von Material zwischen die beiden Achsen kann beispielsweise eine Oberflächenveränderung einer Materialbahn, insbesondere durch Prägen, Perforieren, Kalandrieren, Bedrucken, hervorgerufen werden. Alternativ kann festes oder pulverförmiges Material bei Passieren eines von den beiden Achsen bestimmten Arbeitsspalts gemahlen, gemischt, dosiert, temperiert oder in anderer Weise beeinflusst werden.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist zentral an der Achse eine Lagereinrichtung angeordnet, so dass eine berührungslose, magnetfeldgestützte Lagerung der Achse bereits mit einer einzigen Lagereinrichtung ermöglicht wird. Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Lagereinrichtung im Wesentlichen über die gesamte Länge der Achse, so dass eine besonders stabile Lagerung der Achse gewährleistet ist.
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Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind in die Lagereinrichtungen in wenigstens zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen bewegbar, so dass die schwebend gelagerte Achse wenigstens in diesen zwei Raumrichtungen bewegt werden kann. Sofern zusätzlich eine Beeinflussung eines Abstands zwischen der Permanentmagnetanordnung und dem Supraleiter mit Hilfe einer geeigneten Spulenanordnung erfolgen kann, kann die Achse in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen in ihrer Position eingestellt werden.
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Bei einer Weiterbildung der vorstehend erwähnten Ausführungsform ist für die Bereitstellung einer überlagerten Dreh- und Translationsbewegung für die Achse eine in der 6 gezeigte Ausführungsform einer Achsanordnung 71 vorgesehen. Dabei weist die Achsanordnung 71 zwei beabstandet voneinander angeordnete Lagereinrichtungen 72, 73 auf, die an einem gemeinsamen Maschinengestell 74 oder getrennten Maschinengestellen festgelegt sind.
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Die Achse 75 weist hinsichtlich der Permanentmagnetanordnungen 78 und 79 den gleichen Aufbau wie die in der 1 dargestellte Achse 5 auf. Ferner umfasst die Achse 75 exemplarisch in einem mittleren Bereich eine weitere Permanentmagnetanordnung 84, die radial magnetisierte Permanentmagnete 85, 86 umfasst, die jeweils mit wechselnder Polarität an der Achse 75 angeordnet sind.
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Die Lagereinrichtungen 72 und 73 umfassen jeweils eine Aufreihung von Supraleitermodulen 87, die exemplarisch jeweils eine rechteckige Grundfläche aufweisen. Jedes der vorzugsweise identisch ausgebildeten Supraleitermodule 87 umfasst einen kastenförmigen Kühlkörper 88, dessen Oberseite durch eine Kombination von zwei Leisten 89 aus supraleitendem Material und einem zentral angeordneten Abschlussdeckel 90 gebildet wird. In dem Abschlussdeckel 90 ist eine Spule 91 aufgenommen, die in gleicher Weise zur Abstandsregelung für die Achse 75 eingesetzt wird, wie dies bei den in der 1 dargestellten Lagereinrichtungen 2 und 3 der Fall ist.
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Der Kühlkörper 88 umschließt einen nicht dargestellten Hohlraum, der mit einer ebenfalls nicht dargestellten Kühleinrichtung thermisch verbunden ist, um eine Wärmeabfuhr aus dem Hohlraum zu ermöglichen und damit die beiden Leisten 89 aus supraleitendem Material unterhalb ihrer Sprungtemperatur betreiben zu können.
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Durch die Aneinanderreihung der Supraleitermodule 87 wird eine Bewegungsbahn für die Achse 75 gebildet, längs derer an jedem Ort eine magnetische Wechselwirkung zwischen den Permanentmagnetanordnungen 78, 79 und den Leisten 89 aus dem supraleitenden Material gewährleistet ist, um einen vorgebbaren Abstand zwischen der Achse 75 und den Supraleitermodulen 87 einzuhalten. Die Achse 75 muss linear verschiebbar sein, um zu reagieren, dies soll wie folgt realisiert werden:
Um eine überlagerte Dreh- und Translationsbewegung für die Achse 75 bewirken zu können, ist parallel zu den beiden Reihen von Supraleitermodulen 87 eine Aneinanderreihung von Antriebsspulen 92 vorgesehen, die mit einer Steuereinrichtung 93 individuell elektrisch verbunden sind. Zur schematischen Darstellung der individuellen elektrischen Verbindungen zwischen den Spulen 91 und der Steuereinrichtung 93 sind Anschlüsse 94 dargestellt, wobei aus Gründen der Vereinfachung an der Steuereinrichtung 93 nur ein Anschluss 94 gezeigt ist. Zur schematischen Darstellung der individuellen elektrischen Verbindungen zwischen den Antriebspulen 92 und der Steuereinrichtung 93 sind Anschlüsse 95 dargestellt, wobei aus Gründen der Vereinfachung an der Steuereinrichtung 93 nur ein Anschluss 95 gezeigt ist.
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Exemplarisch handelt es sich bei den Antriebsspulen 92 wie auch bei den ebenfalls mit der Steuereinrichtung 93 elektrisch verbundenen Spulen 91 um gewickelte Drahtspulen, deren Windungen im Wesentlichen parallel zur Zeichnungsebene der 6 angeordnet sind.
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Dabei kann vorgesehen sein, die Spulen 91 aus einem konventionellen Material wie einem Kupferlackdraht zu wickeln. Alternativ kann vorgesehen sein, die Spulen 91 aus einem supraleitenden Material zu wickeln, um eine besonders vorteilhafte Energieeffizienz beim Betrieb der ohnehin an den Supraleitermodulen 87 angeordneten und dementsprechend stark gekühlten Spulen 91 zu erzielen.
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Die Steuereinrichtung 93 ist dazu ausgebildet, durch geeignete Ansteuerung einzelner Antriebsspulen 92 ein magnetisches Wanderfeld zu erzeugen, das durch Wechselwirkung mit den Permanentmagneten 85, 86 an der Achse 75 ein Drehmoment für eine Rotationsbewegung der Achse 75 und eine Vortriebskraft für eine Translationsbewegung der Achse 75 hervorruft. Hierdurch kann eine Bewegung der Achse 75 bewirkt werden, die einer Abwälzbewegung einer rollenden Achse auf einer glatten Unterlage entspricht. Bei geeigneter Ansteuerung der Antriebsspulen 92 kann auch eine reine Translationsbewegung ohne Rotationsanteil oder eine reine Rotationsbewegung ohne Translationsanteil oder eine frei wählbare Mischung zwischen Translationsanteil und Rotationsanteil für die Achse 75 vorgegeben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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