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Die Erfindung betrifft eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen eines Bewegungsmittels längs eines Bewegungswegs, mit einer Führungsanordnung, der eine erste Magnetanordnung zugeordnet ist, und mit einem Bewegungsmittel, dem eine zweite Magnetanordnung zugeordnet ist, wobei eine der Magnetanordnungen einen Supraleiter umfasst und die andere der Magnetanordnungen wenigstens einen Permanentmagneten und/oder wenigstens eine Magnetspule umfasst, wobei der Supraleiter eine vorgebbare Magnetfeldprägung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Bewegungseinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind Bewegungseinrichtungen bekannt, bei denen ein Bewegungsmittel mit einer als Supraleiter ausgebildeten ersten Magnetanordnung längs eines Bewegungswegs bewegt werden kann, wobei der Bewegungsweg durch eine Führungsanordnung bestimmt wird, die eine zweite Magnetanordnung umfasst, wobei die zweite Magnetanordnung beispielhaft als gerader oder gekrümmter Stabmagnet ausgeführt sein kann. Dabei ist eine geeignete Konditionierung oder Magnetfeldprägung des Supraleiters vorgesehen, die durch Aufprägen eines äußeren Magnetfelds während einer Abkühlung des vorzugsweise als Typ-II-Supraleiter, insbesondere aus Yttriumbariumkupferoxid hergestellten, Supraleiters auf oder unter seine materialspezifische Sprungtemperatur erzielt werden kann. Diese Aufprägung eines äußeren Magnetfelds resultiert in einer Speicherung von Flußschläuchen (Pinning) im Supraleiter, was als Konditionierung oder Magnetfeldprägung bezeichnet werden kann und wodurch magnetische Wechselwirkungen mit der zweiten Magnetanordnung zur Bereitstellung von Tragkräften auf das Bewegungsmittel bewirkt werden. Diese Tragkräfte ermöglichen ein stabiles Schweben des Bewegungsmittels längs des Bewegungswegs. Antriebskräfte können durch kontaktbehaftete oder kontaktlose Krafteinleitung auf das Bewegungsmittel einwirken, um dieses längs des Bewegungswegs zu bewegen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine vorteilhafte Aufbauweise für eine Bewegungseinrichtung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird für eine Bewegungseinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Magnetanordnung mit dem Permanentmagneten und/oder der Magnetspule einen auf die Magnetfeldprägung des Supraleiters angepassten ersten Magnetflussbereich mit ersten magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Magnetanordnungen und einen zumindest zeitweilig abweichend von der Magnetfeldprägung des Supraleiters ausgebildeten zweiten Magnetflussbereich mit zweiten magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Magnetanordnungen umfasst, wobei die magnetischen Wechselwirkungen jeweils für eine kontaktlose Bereitstellung von Tragkräften und/oder Antriebskräften von der Führungsanordnung auf das Bewegungsmittel dienen.
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Dabei beruht das Konzept für die Bewegungseinrichtung darauf, längs des Bewegungswegs unterschiedliche magnetische Wechselwirkungen zwischen den Magnetanordnungen hervorzurufen und damit eine Einflussnahme auf ein Bewegungsverhalten des Bewegungsmittels zu ermöglichen. Längs des ersten Magnetflussbereichs ist dabei vorzugsweise vorgesehen, dass die Magnetanordnung, die den wenigstens einen Permanentmagneten und/oder die wenigstens eine Magnetspule umfasst, derart auf die Magnetfeldprägung des Supraleiters angepasst ist, dass eine zumindest nahezu reaktionskraftfreie Lagerung des Bewegungsmittels gegenüber der Führungsanordnung gewährleistet ist. Hierbei sind die magnetischen Wechselwirkungen vorzugsweise derart ausgelegt, dass das Bewegungsmittel genau einen Freiheitsgrad der Bewegung entlang des Bewegungswegs aufweist. Beispielsweise kann hierdurch ein Bewegungsmittel, das durch eine Antriebseinrichtung auf eine Bewegungsgeschwindigkeit beschleunigt wurde, ohne weitere Maßnahmen längs des Bewegungswegs geführt werden und verliert aufgrund der zumindest nahezu reaktionskraftfreien Lagerung gegenüber der Führungsanordnung allenfalls durch Luftwiderstand an Geschwindigkeit.
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Der zweite Magnetflussbereich ist vorgesehen, um eine Beschleunigung oder Abbremsung des Bewegungsmittels bewirken zu können. Dabei werden die diamagnetischen Feldverdrängungseigenschaften des Supraleiters, der in diesem Bereich keine Magnetfeldprägung aufweist, genutzt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Führungsanordnung längs des Bewegungswegs einen statischen Übergang zwischen dem ersten Magnetflussbereich und dem zweiten Magnetflussbereich aufweist oder zumindest abschnittsweise, insbesondere unter Verwendung einer oder mehrerer Magnetspulen und/oder beweglich gelagerter Permanentmagnete, umschaltbar zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetflussbereich ausgebildet ist. Beispielsweise kann für eine Abbremsung des Bewegungsmittels an einer vorgebbaren Position längs des Bewegungswegs ein Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetflussbereich vorgesehen sein, wodurch das Bewegungsmittel bei Überfahren des Übergangs aufgrund der veränderten magnetischen Wechselwirkung von einer reaktionskraftfreien Bewegung in eine reaktionskraftbehaftete Bewegung übergeht. Die reaktionskraftbehaftete Bewegung längs des zweiten Magnetflussbereichs tritt auf, da dort keine optimale Anpassung zwischen der Magnetfeldprägung des Supraleiters und dem von dem wenigstens einen Permanentmagneten und/oder der wenigstens einen Magnetspule der jeweiligen Magnetanordnung bereitgestellten magnetischen Fluss besteht. Je nach Ausgestaltung des zweiten Magnetflussbereichs kann dort eine, insbesondere inhärente, Abbremsung oder eine Beschleunigung des Bewegungsmittels hervorgerufen werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Magnetanordnung der Führungsanordnung wenigstens zwei längs des Bewegungswegs erstreckte Permanentmagnete umfasst, die bereichsweise einen ersten Abstand zueinander und/oder eine erste Flussdichte und/oder eine erste Magnetfeldausrichtung aufweisen, um den ersten Magnetflussbereich zu bilden, und bereichsweise einen zweiten Abstand und/oder eine zweite Flussdichte und/oder eine zweite Magnetfeldausrichtung zueinander aufweisen, um den zweiten Magnetflussbereich zu bilden. Hierdurch wird eine kostengünstige Aufbauweise für die Führungsanordnung ermöglicht, da die Magnetflussbereiche vorzugsweise allein durch die Anordnung und/oder Ausrichtung und/oder magnetische Gestaltung der wenigstens zwei Permanentmagnete bestimmt werden. Exemplarisch können die Permanentmagnete als Stabmagnete ausgebildet sein, deren Abstand und/oder Flussdichte und/oder Polarisierungsrichtung längs des Bewegungswegs variiert wird, um die jeweiligen Magnetflussbereiche zu definieren. Eine derartige Aufbauweise ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Bewegungseinrichtung zumindest abschnittsweise in der Art eines Schienensystems genutzt werden soll. Ein solches Schienensystem dient zur Führung des wenigstens einen Bewegungsmittels, wobei das Bewegungsmittel, insbesondere ohne einen aktiven Zugriff auf die Führungsanordnung, in bestimmten Bereichen ohne Geschwindigkeitsänderung geführt wird und in anderen Bereichen eine Geschwindigkeitsänderung, insbesondere eine Abbremsung oder Beschleunigung, erfährt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Magnetanordnung der Führungsanordnung wenigstens zwei längs des Bewegungswegs erstreckte, insbesondere parallel zueinander angeordnete, Permanentmagnete umfasst, die alternativ den ersten oder den zweiten Magnetflussbereich bilden, und dass zumindest abschnittsweise längs des Bewegungswegs eine Magnetspule angeordnet ist, die für eine zeitweilige Bereitstellung eines Magnetfelds ausgebildet ist, um den Magnetfluss der Permanentmagnete zu beeinflussen und damit zumindest zeitweilig und alternativ den zweiten oder den ersten Magnetflussbereich zu bilden. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung kann wahlweise vorgesehen sein, dass die Führungsanordnung ohne einen Stromfluss durch die wenigstens eine Magnetspule aufgrund der Wirkung der Permanentmagnete einen magnetischen Fluss bereitstellen kann, der der Magnetfeldprägung des Supraleiters zumindest weitgehend entspricht. Somit bildet die Führungsanordnung in einem solchen Betriebszustand einen ersten Magnetflussbereich, in dem eine zumindest nahezu vollständig reaktionskraftfreie Bewegung des Bewegungsmittels längs des Bewegungswegs ermöglicht wird. Erfolgt hingegen eine Aktivierung der wenigstens einen Magnetspule durch Bereitstellung eines Spulenstroms an die Magnetspule, so erfolgt eine Verzerrung des magnetischen Flusses, der von den Permanentmagneten bereitgestellt wird, was in einer veränderten magnetischen Wechselwirkung mit dem Supraleiter resultiert. Hierdurch kann beispielsweise eine Veränderung einer Kombination des magnetischen Flusses der Permanentmagnete und des magnetischen Flusses der wenigstens einen Magnetspule gegenüber der Magnetfeldprägung des Supraleiters erzielt werden. Hierdurch wirken Reaktionskräfte auf das Bewegungsmittel ein, die bei geeigneter, insbesondere zeitlich koordinierter, Verzerrung des magnetischen Flusses zu einer Beschleunigung oder Abbremsung des Bewegungsmittels führen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass nur bei geeigneter Aktivierung der wenigstens einen Magnetspule ein kombinierter magnetischer Fluss der Permanentmagnete und der Magnetspule bereitgestellt werden kann, der der Magnetfeldprägung des Supraleiters entspricht, so dass in dieser Situation eine zumindest nahezu reaktionskraftfreie Bewegung des Bewegungsmittels längs des Bewegungswegs erfolgt. Findet hingegen eine Veränderung des Spulenstroms, insbesondere eine Abschaltung des Spulenstroms, statt, so resultiert dies in einer Veränderung der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Magnetanordnungen, die zu einer Beschleunigung oder Abbremsung des Bewegungsmittels führt.
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Bevorzugt umfasst die Magnetanordnung der Führungsanordnung wenigstens zwei längs des Bewegungswegs erstreckte Permanentmagnete, die zumindest bereichsweise mit variablem Abstand zueinander angeordnet sind und/oder zumindest bereichsweise eine variable Ausrichtung aufweisen, um alternativ den ersten oder den zweiten Magnetflussbereich zu bilden. Eine derartige Aufbauweise für die Magnetanordnung der Führungsanordnung ist insbesondere dann von Interesse, wenn eine schaltbare lokale Stoppfunktion oder Beschleunigungsfunktion längs des Bewegungswegs verwirklicht werden soll. Beispielsweise tritt die gewünschte Stoppfunktion ein, wenn ein Abstand der Permanentmagnete lokal gegenüber einem vorhergehenden Abstand vergrößert oder verkleinert wird, wodurch eine absichtliche Abweichung des magnetischen Flusses gegenüber der Magnetfeldprägung des Supraleiters geschaffen wird und eine Reaktionskraft auf das Bewegungsmittel einwirkt, die zu einer Abbremsung des Bewegungswegs führt. In ähnlicher Weise ist es möglich, das Bewegungsmittel beim Passieren der abstandsvariablen Permanentmagnete zu beschleunigen, sofern eine Änderung des Abstands der Permanentmagnete zu einem Zeitpunkt vorgenommen wird, wenn das Bewegungsmittel die abstandsvariablen Permanentmagnete zumindest nahezu vollständig passiert hat. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass eine Verzerrung des kombinierten magnetischen Flusses der Permanentmagnete und der Magnetspule derart in Abhängigkeit von der Positionierung des Bewegungsmittels längs der Führungsanordnung genutzt wird, dass eine durch die Verzerrung bewirkte Flussstörung der Führungsanordnung dem mit dem Supraleiter ausgestatteten Bewegungsmittel nacheilt und dieses somit vor sich her treibt. In ähnlicher Weise kann eine der Bewegung des Bewegungsmittels vorauseilende Flussstörung zur Abbremsung des Bewegungsmittels eingesetzt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Supraleiter wenigstens eine Magnetspule zugeordnet ist, die für eine zeitweilige Beeinflussung der vorgebbaren Magnetfeldprägung des Supraleiters ausgebildet ist. Diese Maßnahme ist insbesondere dann von Interesse, wenn das Bewegungsmittel mit dem Supraleiter ausgestattet ist und die Führungsanordnung längs des Bewegungswegs zumindest abschnittsweise gleichförmig ausgebildet ist. Durch die zeitweilige Beeinflussung der Magnetfeldprägung mittels der Magnetspule kann wahlweise vorgesehen sein, eine Erhöhung oder eine Reduzierung der magnetischen Wechselwirkung zwischen Supraleiter und Führungsanordnung zu erzielen. Hierdurch wird beispielsweise eine zumindest nahezu reibungsfreie und damit gleichförmige Bewegung des Bewegungsmittels oder eine gezielte Abbremsung oder Arretierung des Bewegungsmittels gegenüber der Führungsanordnung bzw. an der Führungsanordnung erzielt. Vorzugsweise ist die Magnetspule derart am Supraleiter angeordnet, dass sie unabhängig vom aufgeprägten Spulenstrom zumindest nahezu keinen Einfluss auf einen Abstand zwischen Supraleiter und Führungsanordnung hat und lediglich eine Beeinflussung der durch die magnetische Wechselwirkung auf den Supraleiter längs des Bewegungswegs einwirkenden Kräfte bewirkt.
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Vorzugsweise ist der Permanentmagnet längs des Bewegungswegs erstreckt und weist eine quer zum Bewegungsweg, insbesondere in horizontaler oder vertikaler Richtung, ausgerichtete Polarisierung auf. Hierdurch kann eine einfache Magnetfeldprägung für den Supraleiter erzielt werden, durch die zudem eine zuverlässige Führung des Supraleiters gegenüber dem Permanentmagneten längs des Bewegungswegs, insbesondere mit ausschließlich einem einzigen Freiheitsgrad der Bewegung, gewährleistet ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Permanentmagnet an einer längs des Bewegungswegs erstreckten, insbesondere größten, Oberfläche ein, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material hergestellter, Flusssammler zugeordnet ist. Die Aufgabe des Flusssammlers besteht darin, den magnetischen Fluss des Permanentmagneten in vorteilhafter Weise zu lenken und eine maximale magnetische Wechselwirkung mit dem Supraleiter zu ermöglichen, so dass der Permanentmagnet klein und damit kostengünstig sowie raumsparend gewählt werden kann. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass jedem der beiden Magnetpole des Permanentmagneten ein Flusssammler zugeordnet ist, um eine vorteilhafte Konzentration des magnetischen Flusses in Richtung des Supraleiters gewährleisten zu können.
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Zweckmäßig ist es, wenn eine Wicklungsachse einer an der Führungsanordnung angeordneten Magnetspule quer zum Bewegungsweg, insbesondere in horizontaler oder vertikaler Richtung, ausgerichtet ist und/oder wenn an einem Endbereich, insbesondere an einer Stirnseite, der Magnetspule ein, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material hergestellter, Flusssammler angeordnet ist. Hierdurch wird ein vorteilhaft hoher Wirkungsgrad für den von der Magnetspule bereitzustellenden magnetischen Fluss bezogen auf den an die Magnetspule bereitgestellten Spulenstrom und bezogen auf die magnetische Wechselwirkung mit dem Supraleiter erzielt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein stirnseitiger Endbereich der Magnetspule an einer dem im Bewegungsmittel angeordneten Supraleiter zugewandten Oberfläche der Führungsanordnung angeordnet ist, so dass der hier austretende magnetische Fluss unmittelbar in Richtung des Supraleiters ausgerichtet ist und eine maximale magnetische Wechselwirkung mit dem Supraleiter gewährleisten kann. Demgegenüber kann an einem entgegengesetzten Endbereich der Magnetspule ein Flusssammler vorgesehen sein, dessen größte Oberfläche quer zur Wicklungsachse der Magnetspule ausgerichtet ist. Somit liegt an diesem Endbereich der Magnetspule ein bezogen auf die Wicklungsachse radialer Austritt des magnetischen Flusses vor, wodurch eine Maximierung der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluss der Magnetspule und dem Supraleiter erzielt werden kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Führungsanordnung als Führungsschiene und die Bewegungsmittel als Schlitten ausgebildet sind und dass die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Magnetanordnungen einer Bereitstellung von Tragkräften und Antriebskräften dienen. Bei dieser Ausgestaltung der Führungsanordnung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Bewegungsmittel als Träger für Werkstücke dienen und gegebenenfalls mit einer Werkstückaufnahme versehen sind, um Werkstücke zwischen unterschiedlichen Bearbeitungspositionen, die längs des Bewegungswegs angeordnet sind, transportieren zu können. Vorzugsweise umfassen die Bewegungsmittel und/oder die Führungsschiene jeweils zugeordnete Antriebsmittel, die für eine Bereitstellung von Antriebskräften für die Bewegung der Bewegungsmittel längs des Bewegungswegs ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind diese Antriebsmittel dazu ausgelegt, Einfluss auf die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Bewegungsmitteln und der Führungsschiene zu nehmen, so dass eine kontaktlose Krafteinleitung von der Führungsschiene auf die Bewegungsmittel zu deren Beschleunigung oder Abbremsung genutzt werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bewegungsmittel zwei beweglich miteinander gekoppelte Bewegungsmodule umfasst, denen jeweils eine zweite Magnetanordnung zugeordnet ist, um eine Schrittbewegung längs des Bewegungswegs zu ermöglichen. Hierdurch wird eine aktive Fortbewegung für das Bewegungsmittel ermöglicht, bei der jeweils eines der Bewegungsmodule in einer magnetischen Wechselwirkung mit der Führungsanordnung steht, bei der keine Relativbewegung zwischen Bewegungsmittel und Führungsanordnung ermöglicht ist. Demgegenüber steht das jeweils andere der Bewegungsmodule in einer magnetischen Wechselwirkung mit der Führungsanordnung, bei der eine Relativbewegung gegenüber der Führungsanordnung ermöglicht ist. Ergänzend kann zwischen den beiden Bewegungsmodulen eine Antriebseinrichtung angeordnet sein, die für eine gesteuerte oder geregelte Annäherung oder Entfernung der beiden Bewegungsmodule längs der Bewegungsrichtung ausgebildet ist und mit der die gewünschte Schrittbewegung hervorgerufen werden kann. Alternativ kann die Relativbewegung der beiden Bewegungsmodule durch magnetische Wechselwirkung mit der Führungsanordnung, insbesondere durch Magnetspulen an der Führungsanordnung, bewirkt werden. Ein derartig ausgebildetes Bewegungsmittel wird auch als Inchworm bezeichnet.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren gelöst, wie es im Anspruch 11 angegeben ist. Hierbei ist vorgesehen, dass für eine Einleitung von Bewegungskräften, die längs des Bewegungswegs auf das Bewegungsmittel einwirken, eine lokale Verzerrung eines von den Permanentmagneten bereitgestellten magnetischen Flusses durch eine Veränderung einer Position einzelner Permanentmagnete oder Gruppen von Permanentmagneten und/oder durch Bereitstellung eines magnetischen Flusses durch wenigstens eine Magnetspule erfolgt, um eine Abbremsung oder Beschleunigung des Bewegungsmittels zu erzielen. Eine solche lokale Verzerrung des magnetischen Flusses kann wahlweise synchron oder asynchron zu einer Bewegung des Bewegungsmittels erfolgen. Bei einer synchronen Durchführung der lokalen Verzerrung des magnetischen Flusses stimmen eine Bewegungsgeschwindigkeit des Bewegungsmittels und eine Wandergeschwindigkeit der lokalen Verzerrung längs des Bewegungswegs überein. Bei einer asynchronen Durchführung der lokalen Verzerrung des magnetischen Flusses weichen eine Bewegungsgeschwindigkeit des Bewegungsmittels und eine Wandergeschwindigkeit der lokalen Verzerrung längs des Bewegungswegs voneinander ab.
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Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass quer zum Bewegungsweg eine asymmetrische Verzerrung eines von den Permanentmagneten bereitgestellten magnetischen Flusses mit Hilfe der Magnetspule erfolgt, um eine räumliche Ausrichtung des Bewegungsmittels gegenüber der Führungsanordnung zu beeinflussen. Hierdurch kann beispielsweise eine Optimierung der räumlichen Ausrichtung des Bewegungsmittels in einem Kurvenbereich, in dem die Führungsanordnung gekrümmt ausgebildet ist, um einen gekrümmten Bewegungsweg vorzugeben, erfolgen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Bewegungsmittel abschnittsweise mit einem geringen Winkelbetrag um eine Schwenkachse verschwenkt wird, die im Wesentlichen parallel zum Bewegungsweg ausgerichtet ist, so dass sich das Bewegungsmittel rein exemplarisch wie ein Motorradfahrer in die Kurve legt. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen werden, dass das Bewegungsmittel abschnittsweise mit einem geringen Winkelbetrag um eine Schwenkachse verschwenkt wird, die quer zum Bewegungsweg ausgerichtet ist, um eine vorteilhafte Abstützung von Beschleunigungskräften während einer Geschwindigkeitszunahme oder Geschwindigkeitsreduzierung zu gewährleisten. Damit soll einer beschleunigungsbedingten Nickbewegung für das Bewegungsmittel entgegengewirkt werden oder eventuell eine gegensinnige Nickbewegung hervorgerufen werden. Insbesondere ist dabei vorteilhaft, dass unerwünschte Feldverzerrungen, die durch solche Nickbewegungen des Bewegungsmittels hervorgerufen werden, zumindest teilweise oder vollständig kompensiert werden können.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine Draufsicht auf eine Führungsanordnung, der unterschiedliche Magnetanordnungen zugeordnet sind,
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2 eine Schnittdarstellung der Führungsanordnung gemäß der 1 und eines oberhalb der Führungsanordnung schwebend gehaltenen und längs eines Bewegungswegs verschiebbaren Bewegungsmittels,
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3 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Führungsanordnung, bei der unterschiedliche Magnetflussbereiche durch unterschiedliche Abstände von Magnetanordnungen verwirklicht sind,
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4 eine Draufsicht auf einen als Bewegungsmittel mit einer geeigneten Magnetfeldprägung konditionierten, plattenförmigen Supraleiter,
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5 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer Führungsanordnung, bei der unterschiedliche Magnetflussbereiche durch variable Abstände von Magnetanordnungen verwirklicht sind, und
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6 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Bewegungsmittels, bei dem zwei schiebebeweglich miteinander verbundene Supraleiter ein Bewegungsmittel bilden.
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Für die nachstehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird davon ausgegangen, dass die jeweils durch wenigstens eine Ausführungsform der Führungsanordnung und wenigstens eine Ausführungsform des Bewegungsmittels gebildete Bewegungseinrichtung zum Transport eines nicht dargestellten Werkstücks längs eines Bewegungswegs vorgesehen ist und dass die gesamte Bewegungseinrichtung in einer Umgebung betrieben wird, in der Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur des wenigstens einen Supraleiters vorliegen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Supraleiter mittels einer nicht dargestellten Kühleinrichtung separat gekühlt wird und gegebenenfalls in einem ebenfalls nicht dargestellten Isolierbehälter aufgenommen ist, während die übrige Bewegungseinrichtung in einer Umgebung angeordnet ist, in der beispielsweise eine Raumtemperatur von 20 Grad Celsius vorliegt.
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In der 1 ist eine Führungsanordnung 1 dargestellt, mit deren Hilfe ein in der 2 schematisch dargestelltes Bewegungsmittel 2 längs eines Bewegungswegs 3 bewegt werden kann. Dabei umfasst die exemplarisch als Führungsschiene ausgebildete Führungsanordnung 1 eine erste Magnetanordnung 4, während dem Bewegungsmittel 2 eine zweite Magnetanordnung 5 zugeordnet ist. Dabei sind die Magnetanordnungen 4, 5 derart aufeinander abgestimmt, dass das Bewegungsmittel 2 einen vorgebbaren Abstand 6 gegenüber der Führungsanordnung 1 einnimmt und diesen längs des Bewegungswegs 3 zumindest nahezu unverändert beibehalten kann. Ferner sind die Magnetanordnungen 4, 5 derart aufeinander abgestimmt, dass eine Führung des Bewegungsmittels 2 gegenüber der Führungseinrichtung 1 bei auftreten von Kräften quer zum Bewegungsweg 3 zumindest innerhalb eines vorgebbaren Störkraftintervalls aufrecht erhalten werden kann. Ferner wird durch die geeignete Abstimmung der Magnetanordnungen 4, 5 eine automatische, selbsttätige Zentrierung des Bewegungsmittels 2 gegenüber der Führungsanordnung 1 in Raumrichtungen quer zum Bewegungsweg 3 gewährleistet, so dass das Bewegungsmittel 2 ohne äußere Krafteinwirkung eine vorgebbare räumliche Position gegenüber der Führungsanordnung 1 einnimmt.
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Exemplarisch ist vorgesehen, dass die erste Magnetanordnung 4 eine quaderförmige Gestalt aufweist und eine Kombination von Permanentmagneten 7, zugeordneten Flusssammlern 8, 9 und Magnetspulen 10 umfasst, die an einem Grundkörper 13 in nicht näher dargestellter Weise festgelegt sind. Ferner ist exemplarisch vorgesehen, dass die zweite Magnetanordnung 5 als Supraleiter 14, vorzugsweise mit plattenförmiger Gestalt, ausgebildet ist.
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Die Magnetanordnung 4 der Führungsanordnung 1 ist sowohl für eine dauerhafte Bereitstellung eines magnetischen Flusses als auch für eine zeitweilige Bereitstellung eines magnetischen Flusses ausgebildet. Dabei erfolgt die dauerhafte Bereitstellung des magnetischen Flusses durch die Permanentmagnete 7 während die zeitweilige Bereitstellung des magnetischen Flusses durch die Magnetspulen 10 erfolgt. Beispielhaft ist vorgesehen, dass eine Polung der Permanentmagnete 7 quer zum Bewegungsweg 3 ausgerichtet ist und dass die Permanentmagnete 7 jeweils endseitig an exemplarisch bandförmig, insbesondere mit rechteckigen Querschnitt gemäß der Darstellung der 2, ausgebildeten Flusssammlern 8, 9 aus einem ferromagnetischem Material anliegen. Die Aufgabe der Flusssammler 8, 9 besteht darin, den quer zum Bewegungsweg aus den Permanentmagneten 7 austretenden magnetischen Fluss rechtwinklig abzulenken und zumindest einen erheblichen Teil des von den Permanentmagneten 7 bereitgestellten magnetischen Flusses in Richtung des Bewegungsmittels 2 umzulenken. Vorzugsweise umfasst die Führungsanordnung 1 zwei beabstandet voneinander angeordnete Reihen von Permanentmagneten 7, denen jeweils innenliegende Flusssammler 8 und außenliegende Flusssammler 9 zugeordnet sind. Angrenzend an die außenliegenden Flusssammler 9 sind bei der Führungsanordnung 1 die Magnetspulen 10 angeordnet, deren Wicklungsachsen 11 rein exemplarisch parallel zur Darstellungsebene der 2 ausgerichtet sind.
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An einem entgegengesetzten Endbereich der Magnetspule 10 steht diese mit einem Flusssammler 12 in magnetischer Kopplung, der exemplarisch einen rechteckigen Querschnitt aufweist und bandförmig längs des Bewegungswegs 3 erstreckt ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine größte Oberfläche 15 des Flusssammlers 12 am Endbereich der Magnetspule 10 anliegt, damit ein von der Magnetspule 10 hervorgerufener magnetischer Fluss über die größte Oberfläche 15 in den Flusssammler 12 eingekoppelt werden kann und an Schmalseiten 22, 23 des Flusssammlers 12 konzentriert in die Umgebung bzw. in den Flusssammler 9 eintreten kann. Die Magnetspule 10 umfasst vorzugsweise einen zentral angeordneten, nicht näher dargestellten Kern, der vorzugsweise aus einem ferritischen Material hergestellt ist.
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Bei einer nicht dargestellten Variante sind die, insbesondere mit Kernen ausgerüsteten, Magnetspulen derart angeordnet, dass die Wicklungsachsen parallel zu Flächennormalen auf die größten Oberflächen der Flusssammler 9 ausgerichtet sind, so dass auf die zusätzlichen Flusssammler 12 verzichtet werden kann.
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Wie aus der schematischen Darstellung der 2 entnommen werden kann, stehen die Magnetspulen 10 in elektrisch leitender Verbindung mit einer Ansteuereinrichtung 16, die für eine Bereitstellung von individuellen Spulenströmen an die einzelnen Magnetspulen 10 ausgebildet ist. Dementsprechend kann mit Hilfe der individuellen Ansteuerung einzelner Magnetspulen 10 eine lokale Verzerrung des von den Permanentmagneten 7 bereitgestellten und längs des Bewegungswegs 3 ohne Strombeaufschlagung der Magnetspulen 10 als homogen angenommenen magnetischen Flusses bewirkt werden. Durch diese lokale Verzerrung können kontaktlos magnetische Wechselwirkungen mit dem Bewegungsmittel 2 Bewegungskräfte hervorgerufen werden, die zu einer Änderung eines Bewegungszustands für das Bewegungsmittel 2 genutzt werden können.
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Hierzu ist bei dem exemplarisch gänzlich als Supraleiter 14 ausgebildeten Bewegungsmittel 2 eine Magnetfeldprägung vorgesehen, wie sie rein schematisch in der 4 dargestellt ist. Randbereiche und ein zentraler Bereich des Supraleiters 14 weisen keine Magnetfeldprägung auf, so dass die von den Magnetspulen 10 der Führungsanordnung 1 bereitstellbaren, wandernden Magnetfelder zu einer Bewegung des Bewegungsmittels 2 längs des Bewegungswegs 3 unter Einhaltung des Abstands 6 führen, da es zu einem Verdrängungseffekt zwischen den wandernden Magnetfeldern und den ungeprägten Randbereichen des Supraleiters 14 kommt.
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Ferner weist das Bewegungsmittel 2 rein exemplarisch zwei Magnetfeldzonen 17, 18 auf, die jeweils ein während einer Abkühlung des Supraleiters 14 von außen aufgeprägtes Magnetfeld repräsentieren, das im Supraleiter 14 zur Ausprägung von Flußschläuchen (Pinning) führt, sofern das äußere Magnetfeld bis zum Erreichen oder Unterschreiten einer materialspezifischen Sprungtemperatur des Supraleiters 14 aufrechterhalten wird und ferner die Sprungtemperatur im Nachgang aufrechterhalten oder unterschritten wird. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass der Supraleiter 14 des Bewegungsmittels 2 während einer Abkühlung auf oder unter die Sprungtemperatur mittels einer nicht dargestellten Abstandseinrichtung auf die Führungsanordnung 1 aufgelegt wird und damit die Magnetfeldzonen 17, 18 unmittelbar aus dem magnetischen Fluss resultieren, der von den Permanentmagneten 7 bereitgestellt wird. Rein exemplarisch sind die Magnetfeldzonen 17, 18 längs der Erstreckung des Supraleiters 14 in gleicher Weise homogen ausgebildet wird die Magnetfelder der Permanentmagnete 7 an der Führungsanordnung 1, so dass hierdurch Tragkräfte und Führungskräfte zwischen der Führungsanordnung 1 und dem Supraleiter 14 ausgebildet werden können.
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Für den Fall einer Bereitstellung eines Spulenstroms an wenigstens eine der Magnetspulen 10 tritt neben einer magnetischen Wechselwirkung zwischen dem Fluss der Permanentmagnete 7 mit den Magnetfeldzonen 17, 18, durch die der Abstand 6 und die seitliche Führung des Bewegungsmittels 2 gegenüber der Führungsanordnung 1 gewährleistet wird, eine weitere magnetische Wechselwirkung zwischen dem Fluss der jeweiligen Magnetspule 10 und dem Supraleiter 14 auf, wodurch aufgrund der vom Supraleiter 14 bewirkten Magnetfeldverdrängung eine Krafteinleitung auf das Bewegungsmittel 2 längs des Bewegungswegs erzielt werden kann, um dieses zu beschleunigen oder abzubremsen. Hierbei erfolgt eine lokale Verzerrung des von der Führungsanordnung 1 bereitgestellten magnetischen Flusses und somit eine lokale Veränderung von einem ersten Magnetflussbereich zu einem zweiten Magnetflussbereich.
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Für eine Beschleunigung des Bewegungsmittels 2 ist es vorteilhaft, wenn von den jeweiligen Magnetspulen 10 in der vorgesehenen Bewegungsrichtung für das Bewegungsmittel 2 wandernde Magnetfelder bereitgestellt werden, die aufgrund der Feldverdrängung durch den Supraleiter 14 zu Kraftimpulsen auf das Bewegungsmittel 2 führen.. Hierzu ist insbesondere eine sequentielle Ansteuerung von aneinander gereihten Magnetspulen 10, die längs des Bewegungswegs 3 an der Führungsanordnung 1 angeordnet sind, vorgesehen, um eine Beschleunigung des Bewegungsmittels in asynchroner Weise zu erzielen.
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Für eine Abbremsung des Bewegungsmittels 2 ist die Bereitstellung von wandernden Magnetfeldner, die der Bewegungsrichtung des Bewegungsmittels 2 entgegengesetzt sind vorgesehen, die von den jeweiligen Magnetspulen 10 durch sequentielle Ansteuerung bereitgestellt werden.
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Bei der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Führungsanordnung 31 werden für funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie bei der Führungsanordnung 1 verwendet. Die Führungsanordnung 31 unterscheidet sich von der Führungsanordnung 1 dadurch, dass bereichsweise eine Veränderung des quer zum Bewegungsweg 3 ausgerichteten Abstands zwischen den Permanentmagneten 7 verwirklicht ist. Während in einem ersten Abschnitt 32 der Führungsanordnung 31 exemplarisch der gleiche Abstand 33 zwischen den Permanentmagneten 7 und den zugeordneten Flusssammlern 8, 9 wie bei der Führungsanordnung 1 verwirklicht ist, weist die Führungsanordnung 31 einen Übergangsabschnitt 34 sowie einen zweiten Abschnitt 35 auf, in dem ein geringerer Abstand 36 zwischen den Permanentmagneten 7 und den zugeordneten Flusssammler 8, 9 vorliegt. Im Übergangsabschnitt 34 findet eine exemplarisch stetige Anpassung zwischen dem Abstand 33 und dem Abstand 36 für die Permanentmagnete 7 und den zugeordneten Flusssammler 8, 9 statt. Ferner ist beispielhaft vorgesehen, dass ein Abstand 37 der Magnetspulen 10 längs des Bewegungswegs 3 konstant ist.
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Bei einer Bewegung des in den 2 und 4 näher dargestellten Bewegungsmittels 2 längs des Bewegungswegs 3 über der Führungsanordnung 31 treten im ersten Abschnitt 32 nur dann Bewegungskräfte längs des Bewegungswegs 3 auf, sofern eine Aktivierung einzelner oder sämtlicher Magnetspulen 10 durch die Ansteuereinrichtung 16 in geeigneter Weise erfolgt. Ansonsten wird davon ausgegangen, dass sich das Bewegungsmittel 2 längs des ersten Abschnitts 32 zumindest nahezu vollständig reibungsfrei bewegt und durch die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Permanentmagneten 7 und dem Supraleiter 14 des Bewegungsmittels 2 die zur Einhaltung des Abstands 6 erforderlichen Tragkräfte bereitgestellt werden. Sobald das Bewegungsmittel 2 längs des Bewegungswegs 3 in den Bereich des Übergangsabschnitts 34 gelangt, in dem eine Verkleinerung des Abstands zwischen den Permanentmagneten 7 und den zugeordneten Flusssammlern 8, 9 stattfindet, treten ohne eine Aktivierung der diesem Übergangsabschnitts 34 zugeordneten Magnetspulen 10 Bewegungskräfte längs des Bewegungswegs 3 auf. Diese Bewegungskräfte sind einer weiteren Bewegung des Bewegungsmittels 2 in Richtung des zweiten Abschnitts 35 entgegengesetzt und führen somit zu einer zumindest geringfügigen Abbremsung des Bewegungsmittels 2. Sobald das Bewegungsmittel 2 den zweiten Abschnitt 35 überfährt, stellen sich aufgrund der Unterschiede zwischen der Magnetfeldprägung des Supraleiters 14 des Bewegungsmittels 2 und dem tatsächlich in diesem Abschnitt 35 vorliegenden magnetischen Fluss der Permanentmagnete 7 der Bewegung des Bewegungsmittels 2 entgegengesetzte Bewegungskräfte längs des Bewegungswegs 3 ein, die eine weitere, zumindest geringfügige, Abbremsung des Bewegungsmittels 2 bewirken. Um eine Geschwindigkeitsänderung für das Bewegungsmittel 2 zu verhindern, kann vorgesehen werden, mit Hilfe der Ansteuereinrichtung 16 eine geeignete Ansteuerung der Magnetspulen 10 vorzunehmen.
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Die in der 5 dargestellte dritte Ausführungsform einer Führungsanordnung 41 stellt eine Variante der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform einer Führungsanordnung 1 dar und unterscheidet sich von der Führungsanordnung 1 dadurch, dass exemplarisch zwei gegenüberliegend angeordnete Paare von Permanentmagneten 7 linearbeweglich quer, insbesondere in horizontaler oder vertikaler Richtung beweglich, zum Bewegungsweg 3 verschiebbar gelagert sind. Beispielhaft ist vorgesehen, dass diese Permanentmagnete 7 mit einem Stellmittel 42 gekoppelt sind, bei dem es sich um einen elektrischen oder fluidisch angetriebenen Stellantrieb, insbesondere um einen Spindelantrieb oder um einen Pneumatikzylinder, handeln kann. Das Stellmittel 42 ist in nicht näher dargestellter Weise mit der Ansteuereinrichtung 16 verbunden und kann in Abhängigkeit von einer Position eines in der 5 nicht dargestellten Bewegungsmittels zwischen einer ersten Funktionsposition und einer zweiten Funktionsposition verstellt werden. In der ersten Funktionsposition, wie sie in der 5 dargestellt ist, sind die Paare von Permanentmagneten 7 in einem Abstand 43 angeordnet, der kleiner als ein Abstand 44 der übrigen Permanentmagnete 7 ist. In der nicht dargestellten zweiten Funktionsposition stimmt der Abstand der beweglich angeordneten Paare von Permanentmagneten 7 mit dem Abstand 44 der übrigen Permanentmagnete 7 überein. Durch diese Möglichkeit zur Veränderung des Abstands für die Paare von Permanentmagneten 7 kann Einfluss darauf genommen werden, ob ein Bewegungsmittel 2 längs des Bewegungswegs 3 ungehindert die Führungsanordnung 41 passiert oder durch die in Richtung des Bewegungswegs 3 auf Höhe der beweglich angeordneten Paare von Permanentmagneten 7 bei Anordnung dieser Paare von Permanentmagneten 7 in der ersten Funktionsposition durch magnetische Wechselwirkung mit dem Bewegungsmittel 2 auftretenden Bewegungskräfte beeinflusst, insbesondere abgebremst wird. Beispielhaft kann durch Variation des Abstands für die Permanentmagnete 7 die Bremswirkung oder auch eine Beschleunigungswirkung auf das Bewegungsmittel 2 verändert werden.
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Bei der in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform eines Bewegungsmittels 52 sind zwei exemplarisch plattenförmig ausgebildete Supraleiter 53, 54 mittels einer Führungsanordnung 55 linearbeweglich miteinander verbunden. Hierzu umfasst die Führungsanordnung 55 jeweils seitlich an den Supraleitern 53, 54 angeordnete Führungsschienen 56, 57. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Führungsschienen 56, 57 fest am Supraleiter 53 angebracht sind und dass der Supraleiter 54 schiebebeweglich an den Führungsschienen 56, 57 angebracht ist. Die beiden Supraleiter 53, 54 sind in ähnlicher Weise wie der in 4 gezeigte Supraleiter 14 konditioniert und weisen rein exemplarisch die gleiche Magnetfeldzonen 17 bis 20 auf. Eine Bewegung des Bewegungsmittels 52 längs des Bewegungswegs 3 kann durch magnetische Wechselwirkung mit der Führungsanordnung 1 hervorgerufen werden. Hierzu ist vorgesehen, dass einer der beiden Supraleiter 53, 54 durch magnetische Wechselwirkung mit den Permanentmagneten 7 und den Magnetspulen 10 ortsfest schwebend mit dem Abstand 6 an der Führungsanordnung 1 gehalten wird, während der andere der beiden Supraleiter 53, 54 durch magnetische Wechselwirkung mit dem Permanentmagneten 7 und den Magnetspulen 10 schwebend mit dem Abstand 6 längs des Bewegungswegs 3 entlang der Führungseinrichtung 1 bewegt wird. Sobald die beiden Supraleiter 53, 54 einen vorgebbaren, insbesondere maximalen, Abstand längs des Bewegungswegs 3 zueinander einnehmen erfolgt eine Umschaltung der Magnetspulen 10, so dass nunmehr der bislang ortsfest gehaltene Supraleiter 53 oder 54 längs des Bewegungswegs in Richtung des anderen Supraleiters 53 oder 54 bewegt wird, während dieser andere Supraleiter 53 oder 54 durch die Magnetspulen 10 ortsfest gehalten wird. Durch diese Vorgehensweise führt das Bewegungsmittel 52 eine Schrittbewegung durch, mit der es längs des Bewegungswegs 3 mit hoher Präzision positioniert werden kann.
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Bei einer nicht dargestellten Variante der Führungsanordnung und des Bewegungsmittels kann vorgesehen sein, dass das Bewegungsmittel wenigstens eine Magnetspule umfasst, die dem wenigstens einen Supraleiter zugeordnet ist und die für eine unmittelbare Einflussnahme auf die magnetischen Wechselwirkungen zwischen dem Supraleiter und den der Führungsanordnung zugehörigen Permanentmagneten ausgebildet ist. Beispielhaft kann die Führungsanordnung ohne Magnetspulen ausgerüstet sein und somit als reine Führungsbahn ohne eine Antriebsmöglichkeit für das Bewegungsmittel dienen, wobei eine Einflussnahme auf die Bewegung des Bewegungsmittels längs des Bewegungswegs durch die Verzerrung der magnetischen Wechselwirkung zwischen Supraleiter und Permanentmagneten mit Hilfe der Magnetspule vorgenommen werden kann. Bei einer derartigen Auslegung der Führungsanordnung und des Bewegungsmittels kann wahlweise vorgesehen sein, dass das Bewegungsmittel ohne Einfluss der Magnetspule frei von Bewegungskräften längs des Bewegungswegs gegenüber der Führungsanordnung bewegbar ist oder dass das Bewegungsmittel nur mit dem Einfluss der Magnetspule frei von Bewegungskräften längs des Bewegungswegs gegenüber der Führungsanordnung bewegbar ist. Im ersten Fall dient somit die Magnetspule als Bremseinrichtung für das Bewegungsmittel während die Magnetspule im zweiten Fall als Freigabeeinrichtung für eine Bewegung des Bewegungsmittels längs der Führungsanordnung dient.
