DE102017202840A1

DE102017202840A1 - Bewegungseinrichtung

Info

Publication number: DE102017202840A1
Application number: DE102017202840.8A
Authority: DE
Inventors: Georg Berner
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2018-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bewegungseinrichtung (10), umfassend eine erste Komponente (1) mit einer Supraleiteranordnung (4) und eine zweite Komponente (2) mit einer Magnetanordnung (5), wobei sich die zweite Komponente (2) entlang einer in Längsrichtung verlaufenden Längsachse (3) erstreckt und wobei zwischen der Supraleiteranordnung (4) und der Magnetanordnung (5) eine auf einem Flux-Pinning-Effekt beruhende kontaktlos kraftübertragende Kopplung besteht, durch die die zweite Komponente (2) gegenüber der ersten Komponente (1) in Längsrichtung linear beweglich gelagert wird. Die Supraleiteranordnung (4) verfügt über wenigstens eine Supraleitereinheit (6), die sich in Umfangsrichtung (7) um die Längsachse (3) herum erstreckt, so dass die Supraleitereinheit (6) die Magnetanordnung (5) kontaktlos umgreift.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bewegungseinrichtung, umfassend eine erste Komponente mit einer Supraleiteranordnung und eine zweite Komponente mit einer Magnetanordnung, wobei sich die zweite Komponente entlang einer in Längsrichtung verlaufenden Längsachse erstreckt und wobei zwischen der Supraleiteranordnung und der Magnetanordnung eine auf einem Flux-Pinning-Effekt beruhende kontaktlos kraftübertragende Kopplung besteht, durch die die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente in Längsrichtung linear beweglich berührungslos gelagert wird.
Eine solche Bewegungseinrichtung ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird beispielsweise als Linearlager oder als Linearantrieb eingesetzt. Bei der ersten Komponente handelt es sich beispielsweise um einen Stator und bei der zweiten Komponente um einen Läufer. Dadurch, dass der kontaktlos kraftübertragenden Kopplung der Flux-Pinning-Effekt zugrunde liegt, kann eine eigenstabile, schwebende Lagerung der zweiten Komponente gegenüber der ersten Komponente erzielt werden.
Bei der genannten Längsachse handelt es sich um eine gedachte - also eine körperlich nicht vorhandene - Achse.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannte Bewegungseinrichtung so zu modifizieren, dass eine möglichst starke Kopplung zwischen der Magnetanordnung und der Supraleiteranordnung erzielt wird.
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Erfindungsgemäß verfügt die Supraleiteranordnung über wenigstens eine Supraleitereinheit, die sich in Umfangsrichtung um die Längsachse herum erstreckt, so dass die Supraleitereinheit die Magnetanordnung kontaktlos umgreift.
Dadurch, dass die Supraleitereinheit die Magnetanordnung umgreift, wird die Supraleitereinheit von einem größeren Anteil des von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfelds durchdrungen. Folglich kann auch eine stärkere Kopplung zwischen der Magnetanordnung und der Supraleitereinheit bereitgestellt werden.
Der Flux-Pinning-Effekt, der zur Lagerung der zweiten Komponente gegenüber der ersten Komponente verwendet wird, ist auch als Flussverankerungseffekt bekannt. Zur Nutzung des Flux-Pinning-Effekts wird in die Supraleitereinheit ein Magnetfeldlinienverlauf eines die Supraleitereinheit durchdringenden Magnetfelds eingeprägt bzw. eingespeichert. Die Einspeicherung des Magnetfeldlinienverlaufs erfolgt dadurch, dass die Supraleitereinheit dem Magnetfeld ausgesetzt wird und dann auf oder unter ihre Sprungtemperatur gekühlt wird. Beispielsweise handelt es sich um das Magnetfeld der Magnetanordnung. Die mit der Supraleitereinheit gekoppelte Magnetanordnung nimmt dann relativ zu der Supraleitereinheit diejenige Vorzugsposition ein, bei der der Magnetfeldlinienverlauf der Magnetanordnung mit dem eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf übereinstimmt bzw. dieselbe Ausrichtung wie der eingeprägte Magnetfeldlinienverlauf aufweist. Solange die Supraleitereinheit auf oder unter ihre Sprungtemperatur gehalten wird, ist die gekoppelte Magnetanordnung bestrebt, die Übereinstimmung zwischen ihrem Magnetlinienverlauf und dem eingeprägten Verlauf der Supraleitereinheit beizubehalten.
Zur Nutzung des Flux-Pinning-Effekts ist die Supraleitereinheit insbesondere aus einem Supraleiter zweiter Art gefertigt, wie z.B. einem keramischen Hochtemperatursupraleiter. Beispielsweise werden YBaCuO (Yttrium-Barium-Kupferoxid) und/oder BiSrCaCuO (Bismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid) als Supraleiter eingesetzt.
Zur Kühlung der Supraleitereinheit auf oder unter die Sprungtemperatur kann beispielsweise ein Kryostat oder eine andere Kühleinrichtung vorgesehen sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorzugsweise umfasst die Supraleiteranordnung eine Mehrzahl an Supraleitereinheiten, die entlang der Längsachse verteilt angeordnet sind und die Magnetanordnung jeweils umgreifen. Insbesondere umgreifen die Supraleitereinheiten die Magnetanordnung jeweils kontaktlos. Durch die Bereitstellung mehrerer Supraleitereinheiten kann zum Einen eine stabile Lagerung der zweiten Komponente entlang der Längsachse bereitgestellt werden. Zum Anderen wird es möglich, wie nachstehend noch erläutert, die Supraleitereinheiten jeweils in unterschiedlichen Modi zu betreiben.
Zweckmäßigerweise weisen die Supraleitereinheiten jeweils den gleichen strukturellen Aufbau auf. Auf diese Weise kann die Supraleiteranordnung besonders effizient gefertigt werden. Ferner kann jede Supraleitereinheit in die gleichen Modi versetzt werden.
Zweckmäßigerweise verfügt jede Supraleitereinheit über einen elektrischen Anschluss, mit dem sie jeweils einzeln bestromt werden kann. Durch Bestromen bzw. Nicht-Bestromen können die einzelnen Supraleitereinheiten wahlweise in einen von mehreren Modi versetzt werden.
Vorzugsweise umfasst die Bewegungseinrichtung eine Kryostatanordnung, aus der die elektrischen Anschlüsse der Supraleitereinheiten herausgeführt sind. Dadurch, dass die elektrischen Anschlüsse der Supraleitereinheiten aus der Kryostatanordnung herausgeführt werden, ist es prinzipiell möglich, beliebige Supraleitereinheiten in verschiedenen Modi zu betreiben. Folglich kann die Kryostatanordnung als Einheits-Kryostatanordnung für verschiedene Anwendungsfälle eingesetzt werden, wobei erst beim tatsächlichen Einsatz festgelegt werden muss, welche Supraleitereinheit in welchen Modus versetzt werden soll.
Zweckmäßigerweise befindet sich wenigstens eine Supraleitereinheit in einem unbestromten Führungsmodus, in dem sie als Führungseinheit dient und die linear bewegliche Lagerung der zweiten Komponente in Längsrichtung bereitstellt. In dem unbestromten Führungsmodus verbraucht die Supraleitereinheit keinen Strom. Die Lagerung kann daher energieeffizient bereitgestellt werden.
Vorzugsweise befindet sich wenigstens eine Supraleitereinheit, insbesondere wenigstens zwei Supraleitereinheiten, in einem bestromten Antriebsmodus, in dem sie als Antriebseinheiten dient/dienen und durch Bereitstellung eines Antriebmagnetfelds einen Antrieb der zweiten Komponente in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung bereitstellt/bereitstellen. Folglich kann die Supraleiteranordnung auch zum Antrieb der zweiten Komponente dienen, so dass die Bewegungseinrichtung als Linearantrieb eingesetzt werden kann.
Zweckmäßigerweise befindet sich wenigstens eine Supraleitereinheit in einem unbestromten Rastmodus, in dem sie als Rasteinheit dient und eine Rastposition bereitstellt, an der die zweite Komponente entlang der Längsachse einrastbar ist. Dadurch, dass die Supraleitereinheit in dem Rastmodus nicht bestromt wird, kann die Rastfunktion energieeffizient bereitgestellt werden.
Zweckmäßigerweise weist die erste Komponente eine hohlzylindrische Grundgestalt auf und/oder die zweite Komponente eine stabförmige Grundgestalt auf. Derart ausgestaltete Komponenten eignen sich besonders gut dafür, um die beschriebene Ausgestaltung einer die Magnetanordnung umgreifenden Supraleitereinheit bereitzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Magnetanordnung in Längsrichtung unterschiedlich magnetisierte Längsabschnitte auf. Auf diese Weise kann ein und dieselbe Magnetanordnung mit in unterschiedlichen Modi betriebenen Supraleitereinheiten zusammenwirken.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens einer der Längsabschnitte ein Führungsabschnitt, der derart magnetisiert ist, dass er die linear bewegliche Lagerung der zweiten Komponente in Längsrichtung bereitstellt. Der Führungsabschnitt kann insbesondere mit einer in dem Führungsmodus befindlichen Supraleitereinheit zusammenwirken.
Vorzugsweise ist wenigstens einer der Längsabschnitte ein Krafteinleitungsabschnitt, der derart magnetisiert ist, dass er mit einer in Längsrichtung wirkenden magnetischen Kraft beaufschlagbar ist. Der Krafteinleitungsabschnitt kann insbesondere mit einer oder mehreren in dem Antriebsmodus befindlichen Supraleitereinheiten und/oder einer in dem Rastmodus befindlichen Supraleitereinheit zusammenwirken.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens einer der Längsabschnitte ein nicht magnetisierter Begrenzungsabschnitt. Mittels des Begrenzungsabschnitts kann ein Führungsabschnitt begrenzt werden, wodurch wiederum der Verschiebeweg der zweiten Komponente begrenzt werden kann.
Vorzugsweise ist die Supraleitereinheit aus mehrlagigem und/oder geflochtenem und/oder gewebtem und/oder verpresstem Bandmaterial oder Bulkmaterial gefertigt. Insbesondere Bandmaterial eignet sich besonders gut dafür, eine die Magnetanordnung umgreifende Supraleitereinheit bereitzustellen.
Ferner wird ein System bereitgestellt, das eine vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Bewegungseinrichtung sowie eine Steuereinrichtung umfasst, wobei die Bewegungseinrichtung wenigstens zwei, vorzugsweise drei, strukturell gleich aufgebaute Supraleitereinheiten umfasst, wobei wenigstens eine erste Supraleitereinheit, vorzugsweise zwei erste Supraleitereinheiten, von der Steuereinrichtung bestromt wird/werden, so dass sich die ersten Supraleitereinheiten in einem Antriebsmodus befinden und ein Antriebsmagnetfeld zum Antrieb der zweiten Komponente bereitstellen, und wenigstens eine zweite Supraleitereinheit nicht bestromt wird, so dass sich die zweite Supraleitereinheit in einem Führungsmodus befindet und die linear bewegliche Lagerung der zweiten Komponente in Längsrichtung bereitstellt.
Beispielhafte Bewegungseinrichtungen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Bewegungseinrichtung,
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Bewegungseinrichtung,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Bewegungseinrichtung,
4 eine schematische Darstellung einer Magnetanordnung und
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Magnetanordnung.

Die 1 zeigt eine Bewegungseinrichtung 10. Die Bewegungseinrichtung 10 umfasst eine erste Komponente 1 und eine zweite Komponente 2. Die zweite Komponente 2 erstreckt sich entlang einer in Längsrichtung verlaufenden Längsachse 3. Die erste Komponente 1 verfügt über eine Supraleiteranordnung 4. Die zweite Komponente 2 verfügt über eine Magnetanordnung 5. Zwischen der Supraleiteranordnung 4 und der Magnetanordnung 5 besteht eine auf einem Flux-Pinning-Effekt beruhende kontaktlos kraftübertragende Kopplung. Durch diese Kopplung wird die zweite Komponente 2 gegenüber der ersten Komponente 1 in Längsrichtung linear beweglich gelagert. Die linear bewegliche Lagerung erfolgt insbesondere berührungslos.
Die Supraleiteranordnung 4 verfügt über wenigstens eine Supraleitereinheit 6, die sich in Umfangsrichtung 7 um die Längsachse 3 herum erstreckt, so dass die Supraleitereinheit 6 die Magnetanordnung 5 umgreift. Die Supraleitereinheit 6 umgreift die Magnetanordnung 5 insbesondere kontaktlos.
Dadurch, dass sich die Supraleitereinheit 6 um die Längsachse 3 herum erstreckt und die Magnetanordnung 5 umgreift, ist die Supraleitereinheit 4 in einem großen Umfangswinkelbereich um die Magnetanordnung 5 herum vorhanden und kann dementsprechend mit einem großen Bereich des von der Magnetanordnung 5 bereitgestellten Magnetfelds interagieren. Es ergibt sich somit eine besonders starke kontaktlos kraftübertragende Kopplung zwischen der Supraleiteranordnung 4 und der Magnetanordnung 5.
Exemplarische Ausgestaltungen der einzelnen Komponenten werden nachstehend im Detail erläutert.
Mit dem Wort „Umfangswinkel“ soll insbesondere ein Winkel zwischen zwei die Längsachse 3 senkrecht schneidenden Geraden bezeichnet werden. Ein Umfangswinkelbereich ist dementsprechend der durch einen bestimmten Umfangswinkel vorgegebene Bereich zwischen zwei die Längsachse 3 senkrecht schneidenden Geraden.
Zweckmäßigerweise nimmt die Supraleitereinheit 6 einen Umfangswinkelbereich von mehr als 180 Grad, insbesondere von mehr als 270 Grad und vorzugsweise von 360 Grad ein. Die Magnetanordnung 5 stellt zweckmäßigerweise ihr Magnetfeld in einem Umfangswinkelbereich von mehr als 180 Grad, insbesondere von mehr als 270 Grad und vorzugsweise von 360 Grad bereit.
Zweckmäßigerweise ist die zweite Komponente 2 länglich ausgebildet. In den gezeigten Beispielen ist die zweite Komponente 2 exemplarisch stabförmig ausgebildet. Die zweite Komponente 2 kann grundsätzlich eine zylindrische Grundgestalt aufweisen. Die zweite Komponente 2 stellt vorzugsweise einen Kolben oder eine Kolbenstange dar. Die zweite Komponente 2 kann insbesondere mit einem anzutreibenden Glied, beispielsweise einem Ventilglied, mechanisch gekoppelt sein.
Die erste Komponente 1 ist vorzugsweise ebenfalls länglich ausgebildet. Exemplarisch ist die erste Komponente 1 hohlzylindrisch ausgebildet. Die erste Komponente 1 stellt beispielsweise den Zylinder eines insbesondere fluidisch angetriebenen Antriebszylinders dar. Zweckmäßigerweise ist die erste Komponente 1 in Längsrichtung kürzer als die zweite Komponente 2.
Zweckmäßigerweise ist die zweite Komponente 2 zumindest teilweise in der ersten Komponente 1 angeordnet. Vorzugsweise sind die zweite Komponente 2 und die erste Komponente 1 koaxial zur Längsachse 3 angeordnet.
Die zweite Komponente 2 umfasst die Magnetanordnung 5. Zweckmäßigerweise stellt die Magnetanordnung 5 bereits für sich genommen die zweite Komponente 2 dar.
Die Magnetanordnung 5 umfasst zweckmäßigerweise mehrere Längsabschnitte 18. Die Längsabschnitte 18 sind entlang der Längsachse 3 verteilt angeordnet. Zweckmäßigerweise sind die Längsabschnitte 18 direkt nebeneinander angeordnet. Die Längsabschnitte 18 sind vorzugsweise unterschiedlich magnetisiert.
Als Längsabschnitt 18 kann die Magnetanordnung 5 beispielsweise einen Führungsabschnitt 8, einen Krafteinleitungsabschnitt 9 und/oder einen Begrenzungsabschnitt 11 aufweisen.
Der Führungsabschnitt 8 ist ausgebildet, in Längsrichtung die linear bewegliche Lagerung der zweiten Komponente 2 relativ zur ersten Komponente 1 bereitzustellen. Zu diesem Zweck ist der Führungsabschnitt 8 insbesondere derart magnetisiert, dass er ein in Längsrichtung homogenes Magnetfeld bereitgestellt. Zweckmäßigerweise erstreckt sich das homogene Magnetfeld über wenigstens ein Viertel, insbesondere über wenigstens die Hälfte und vorzugsweise über wenigstens drei Viertel der Länge der Magnetanordnung 5.
Der Führungsabschnitt 8 ist exemplarisch derart magnetisiert, dass eine Drehung der zweiten Komponente 2 um die Längsachse 3 verhindert wird, solange die linear bewegliche Lagerung zwischen dem Führungsabschnitt und der Supraleitereinheit 6 durch die kontaktlos kraftübertragende Kopplung bereitgestellt wird. Der Führungsabschnitt 8 ist insbesondere derart magnetisiert, dass er ein in Umfangsrichtung 7 inhomogenes Magnetfeld bereitstellt.
Zweckmäßigerweise sind die Supraleiteranordnung 4 und die Magnetanordnung 5 derart ausgebildet, dass sich mehrere Vorzugspositionen der Magnetanordnung 5 relativ zur Supraleiteranordnung 4 ergeben. Durch Beaufschlagung einer Kraft, die größer als die von der kontaktlos kraftübertragenden Kopplung bereitgestellten Haltekraft ist, kann die Magnetanordnung 5 dann von einer ersten Vorzugsposition in eine zweite Vorzugsposition versetzt werden. Auf diese Weise kann z.B. eine Ratschenfunktion realisiert werden. Wird die von der kontaktlos kraftübertragenden Kopplung bereitgestellte Haltekraft überwunden, so wird die zweite Komponente 2 aus der ersten Vorzugsposition heraus bewegt und rastet in der zweiten Vorzugsposition ein.
In den Figuren sind die gezeigten Führungsabschnitte 8 jeweils derart ausgebildet, dass sie eine Mehrzahl an sich in Längsrichtung erstreckenden Magnetisierungsabschnitten 12 umfassen, die in Umfangsrichtung 7 nebeneinander angeordnet sind. Die Polausrichtung der Magnetisierungsabschnitte 12 alterniert in Umfangsrichtung 7, wie dies durch die Buchstaben „N“ und „S“ in den Figuren gezeigt ist. Die Magnetisierungsabschnitte 12 sind vorzugsweise über den gesamten Umfang - also über einen Umfangswinkelbereich von 360 Grad - um die Längsachse 3 herum verteilt angeordnet. Vorzugsweise umfasst ein Führungsabschnitt 8 wenigstens zwölf Magnetisierungsabschnitte 12.
In den Figuren verlaufen die Magnetisierungsabschnitte 12 jeweils gerade und sind parallel zu der Längsachse 3 ausgerichtet. Exemplarisch sind die Magnetisierungsabschnitte 12 länglich und streifenförmig.
Alternativ zu den in den Figuren gezeigten Ausgestaltungen können die Magnetisierungsabschnitte auch derart ausgestaltet sein, dass eine Drehung um die Längsachse 3 ermöglicht oder erzwungen wird, auch wenn die linear bewegliche Lagerung zwischen dem Führungsabschnitt und der Supraleitereinheit 6 besteht. Insbesondere können die Magnetisierungsabschnitte derart ausgebildet sein, dass sie bei einer Bewegung der zweiten Komponente 2 in Längsrichtung eine Drehbewegung der zweiten Komponente um die Längsachse 3 bewirken. Zu diesem Zweck können die Magnetisierungsabschnitte in Längsrichtung gekrümmt sein. Beispielsweise können sich die Magnetisierungsabschnitte in Längsrichtung helixförmig um die Längsachse 3 winden.
Der Krafteinleitungsabschnitt 9 ist derart magnetisiert, dass er mit einer in Längsrichtung wirkenden magnetischen Kraft beaufschlagbar ist. Dies bedeutet, dass der Krafteinleitungsabschnitt 9 derart magnetisiert ist, dass bei Bereitstellung eines entsprechenden externen Magnetfelds, beispielsweise von der Supraleiteranordnung 4, eine Kraft in Längsrichtung auf die zweite Komponente 2 ausgeübt wird. Eine Kraft in Längsrichtung kann dazu verwendet werden, die zweite Komponente 2 relativ zur ersten Komponente 1 in Längsrichtung zu bewegen. Ferner kann eine Kraft in Längsrichtung auch dazu verwendet werden, die zweite Komponente 2 entgegen einer auf sie ausgeübte Kraft in Längsrichtung in einer bestimmten Position relativ zur ersten Komponente 1 zu halten.
Der Krafteinleitungsabschnitt 9 ist insbesondere derart magnetisiert, dass sein Magnetfeld in Längsrichtung inhomogen ist. Wie in den Figuren gezeigt, umfasst der Krafteinleitungsabschnitt 9 zu diesem Zweck exemplarisch eine Mehrzahl von Magnetisierungsabschnitten 13, die in Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind und in Längsrichtung in ihrer Polausrichtung alternieren. Vorzugsweise umgeben die Magnetisierungsabschnitte 13 die Längsachse in Umfangsrichtung 7 jeweils vollständig, d.h., dass sie den gesamten Umfangswinkelbereich einnehmen. Exemplarisch ist das von dem Krafteinleitungsabschnitt 9 bereitgestellte Magnetfeld in Umfangsrichtung 7 homogen. Exemplarisch weist ein Krafteinleitungsabschnitt 9 wenigstens drei Magnetisierungsabschnitte 13 auf.
Der Begrenzungsabschnitt 11 ist nicht magnetisiert, so dass er keine Führung in Längsrichtung bereitstellt. Zweckmäßigerweise grenzt der Begrenzungsabschnitt 11 an einen Führungsabschnitt 8 an. Die zweite Komponente 2 kann sich dann nur soweit bewegen, bis sich der Übergang zwischen dem Führungsabschnitt 8 und dem Begrenzungsabschnitt 11 einer mit dem Führungsabschnitt 8 gekoppelten Supraleitereinheit 6 nähert.
Bei Beaufschlagung der zweiten Komponente 2 mit einer Kraft, die die von der kontaktlos kraftübertragenden Kopplung bereitgestellte Haltekraft überwindet, wie beispielsweise bei der vorstehend bereits erwähnten Ratschenfunktion, kann es auch möglich sein, einen Haltepunkt, wie beispielsweise den Übergang zwischen dem Führungsabschnitt 8 und dem Begrenzungsabschnitt 1, zu überschreiten.
Die verschiedenen Längsabschnitte 18 können in unterschiedlichen Konfigurationen zueinander angeordnet sein. Vorzugsweise können jeweils mehrere Führungsabschnitte 8, Krafteinleitungsabschnitte 9 und/oder Begrenzungsabschnitte 11 vorhanden sein. Die 1 bis 5 zeigen verschiedene beispielhafte Konfigurationen von Längsabschnitten 18:
Die 1 zeigt eine Konfiguration mit zwei Begrenzungsabschnitten 11 und einem Führungsabschnitt 8. Die beiden Begrenzungsabschnitte 11 sind an den distalen Enden der zweiten Komponente 2 angeordnet. Der Führungsabschnitt 8 ist in Längsrichtung zwischen den beiden Begrenzungsabschnitten 11 angeordnet.
Die 2 zeigt eine Konfiguration mit zwei Führungsabschnitten 8 und einem Krafteinleitungsabschnitt 9. Die beiden Führungsabschnitte 8 erstrecken sich über einen Großteil der Länge der Magnetanordnung 5. Der Krafteinleitungsabschnitt 9 ist zwischen den beiden Führungsabschnitten 8 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist der Krafteinleitungsabschnitt 9 zentral angeordnet.
Die 3 zeigt eine Konfiguration mit zwei Führungsabschnitten 8, zwei Krafteinleitungsabschnitten 9 und einem Begrenzungsabschnitt 11. Der Begrenzungsabschnitt 11 befindet sich an einem distalen Ende der zweiten Komponente 2. Die beiden Krafteinleitungsabschnitte 9 und die beiden Führungsabschnitte 8 sind daran anschließend in Längsrichtung alternierend zueinander angeordnet.
Die 4 zeigt eine Konfiguration mit zwei Krafteinleitungsabschnitten 9 und einem Führungsabschnitt 8. Der Führungsabschnitt 8 erstreckt sich über den Großteil der Magnetanordnung 5 in Längsrichtung. An jedem distalen Ende der Magnetanordnung 5 ist ein Krafteinleitungsabschnitt 9 angeordnet. Zwischen den beiden Krafteinleitungsabschnitten 9 befindet sich der Führungsabschnitt 8.
Die 5 zeigt eine Konfiguration mit einem Krafteinleitungsabschnitt 9, zwei Führungsabschnitten 8 und einem Begrenzungsabschnitt 11. Der Begrenzungsabschnitt 11 ist zwischen den beiden Führungsabschnitten 8 angeordnet. Der Krafteinleitungsabschnitt 9 schließt sich an einen der Führungsabschnitte 8 an.
Die erste Komponente 1 umfasst die Supraleiteranordnung 4. Zweckmäßigerweise kann die Supraleiteranordnung 4 für sich genommen die erste Komponente 1 darstellen. Die erste Komponente 1 weist exemplarisch eine hohlzylindrische Grundgestalt auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erste Komponente 1 eine Kryostatanordnung 14, in der die Supraleiteranordnung 4 angeordnet ist. Die Kryostatanordnung 14 umfasst vorzugsweise einen elektrisch mit Kryokühler und/oder mit flüssigem Stickstoff kühlbaren Kryostat. Die Kryostatanordnung 14 ist insbesondere ausgebildet, die Supraleiteranordnung 4 auf oder unter ihre Sprungtemperatur zu kühlen. Die Kryostatanordnung 14 weist insbesondere die Form eines Hohlrohrs auf. Zweckmäßigerweise stellt die Kryostatanordnung 14 einen Ringkryostat dar. Die Kryostatanordnung 14 kann beispielsweise eine hohlzylindrische Form aufweisen.
Die Supraleiteranordnung 4 umfasst wenigstens eine Supraleitereinheit 6. Bevorzugt umfasst die Supraleiteranordnung 4 mehrere Supraleitereinheiten 6, die in Längsrichtung verteilt angeordnet sind. Zweckmäßigerweise umgreift jede der Supraleitereinheiten 6 die zweite Komponente 2. Vorzugsweise sind die Supraleitereinheiten 6 in Längsrichtung koaxial zueinander, insbesondere koaxial zur Längsachse 3, angeordnet.
In der Kryostatanordnung 14 sind vorzugsweise mehrere, insbesondere alle Supraleitereinheiten 6 untergebracht. Vorzugsweise werden die Enden bzw. elektrischen Anschlüsse einer, insbesondere mehrere, vorzugsweise aller, Supraleitereinheiten 6 aus der Kryostatanordnung 14 herausgeführt.
Nachfolgend werden mögliche Ausgestaltungen einer Supraleitereinheit 6 beschrieben. Vorzugsweise können mehrere oder sämtliche Supraleitereinheiten 6 der Supraleiteranordnung 4 gemäß einer der nachstehend beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sein.
Die Supraleitereinheit 6 kann sich in Umfangsrichtung 7 über den gesamten Umfang um die Längsachse 3 herum erstrecken. Beispielsweise kann die Supraleitereinheit 6 ringförmig, zylindermantelförmig oder helixförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Supraleitereinheit die Form einer Spule mit einer oder mehreren um die Längsachse 3 umlaufenden Windungen und/oder Wicklungen haben.
Alternativ dazu kann die Supraleitereinheit 6 auch nur einen Teil des Umfangs um die Längsachse 3 herum einnehmen. Insbesondere kann die Supraleitereinheit 6 auch ringabschnittsförmig ausgebildet sein.
Die Supraleitereinheit 6 kann insbesondere einstückig ausgebildet sein. Ferner kann die Supraleitereinheit 6 auch als Struktur aus mehreren zusammengefügten und/oder elektrisch miteinander verbundenen Supraleiterelementen ausgebildet sein. Die Supraleitereinheit 6 ist vorzugsweise aus mehrlagigem und/oder geflochtenem und/oder gewebtem und/oder verpresstem Bandmaterial oder Bulkmaterial gefertigt. In bevorzugter Ausgestaltung besteht die Supraleitereinheit 6 aus Supraleiter-Bandmaterial, das um die Längsachse 3 herum angeordnet ist, und zwar derart, dass die größte Fläche des Supraleiter-Bandmaterials parallel zur Längsachse 3 verläuft, wie dies beispielsweise in der 1 gezeigt ist. Die Breite des Supraleiter-Bandmaterials kann zweckmäßigerweise im einstelligen bis dreistelligen mm-Bereich liegen.
Eine Supraleitereinheit 6 kann sich zweckmäßigerweise in verschiedenen Modi befinden.
Insbesondere kann sich die Supraleitereinheit 6 in einem Modus befinden, in dem sie als Führungseinheit 15, Antriebseinheit 16 oder Rasteinheit 17 dient.
Eine als Führungseinheit 15 betriebene Supraleitereinheit 6 befindet sich in einem unbestromten Führungsmodus und dient dazu, im Zusammenspiel mit einem Führungsabschnitt 8 eine linear bewegliche Führung der zweiten Komponente 2 relativ zur ersten Komponente 1 in Längsrichtung bereitzustellen.
Die Supraleitereinheit 6 befindet sich dabei in einem stromlosen bzw. in einem passiven Zustand. Ferner befindet sich die Supraleitereinheit 6 in einem Zustand, in dem ein bestimmter Magnetfeldlinienverlauf in sie eingeprägt ist. Der Magnetfeldlinienverlauf korrespondiert zweckmäßigerweise mit dem Magnetfeldlinienverlauf eines vorstehend beschriebenen Führungsabschnitts 8. Insbesondere ist der eingeprägte Magnetfeldlinienverlauf in Längsrichtung homogen.
Ferner kann sich eine Supraleitereinheit 6 in einem bestromten Antriebsmodus befinden, in dem sie als Antriebseinheit 16 dient. Eine Antriebseinheit 16 dient dazu, insbesondere im Zusammenspiel mit weiteren Antriebseinheiten 16, ein Antriebsmagnetfeld bereitzustellen, das mit einem Krafteinleitungsabschnitt 9 derart zusammenwirkt, dass die zweite Komponente 2 mit einer Antriebskraft beaufschlagt wird und eine Bewegung durchführt. Zweckmäßigerweise wird eine Antriebskraft bzw. eine Bewegung der zweiten Komponente 2 in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung 7 bereitgestellt.
Eine als Antriebseinheit 16 dienende Supraleitereinheit 6 wird insbesondere wie ein Elektromagnet betrieben - das bereitgestellte Antriebsmagnetfeld wird durch einen durch die Supraleitereinheit 16 fließenden Strom erzeugt. Zweckmäßigerweise ist die Supraleitereinheit 6 als bestrombare Spule ausgebildet und stellt somit eine aktive Magnetfeldquelle dar. Die Supraleitereinheit 6 verfügt zweckmäßigerweise über Anschlüsse zur Bestromung. Zweckmäßigerweise sind mehrere Antriebseinheiten 16 vorhanden, die in Längsrichtung verteilt angeordnet sind.
Insbesondere kann die Supraleitereinheit 6 derart ausgebildet sein, dass mehrere Supraleitereinheiten 6 zusammen ein in Längsrichtung wanderndes Magnetfeld als Antriebsmagnetfeld erzeugen können. Die Supraleitereinheit 6 ist insbesondere derart ausgebildet, dass sie in dem Antriebsmodus im Zusammenspiel mit dem Krafteinleitungsabschnitt 9 einen elektrischen Antrieb bildet. Zweckmäßigerweise können auch mehrere Supraleitereinheiten 6 im Zusammenspiel mit einem oder mehreren Krafteinleitungsabschnitten 9 einen solchen Antrieb bilden.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine als Antriebseinheit 16 dienende Supraleitereinheit 6 auch derart ausgebildet sein, dass sie ein Magnetfeld bereitstellt, das mit einem Führungsabschnitt 8 derart zusammenwirkt, dass die zweite Komponente 2 mit einer in Umfangsrichtung wirkenden Antriebskraft beaufschlagt wird und vorzugsweise eine Bewegung in Umfangsrichtung 7 durchführt.
Eine Supraleitereinheit 6 kann sich ferner in einem unbestromten Rastmodus befinden, in dem sie als Rasteinheit 17 dient. Als Rasteinheit 17 stellen eine oder mehrere Supraleitereinheiten 6 eine Rastposition bereit, an der die zweite Komponente 2 entlang der Längsachse 3 einrastbar ist. In einem eingerasteten Zustand wird die zweite Komponente 2 in Längsrichtung in der Rastposition gehalten. Die Kraft, um die zweite Komponente 2 in der Rastposition zu halten, kann beispielsweise dadurch bereitgestellt werden, dass in die Supraleitereinheit 6 ein in Längsrichtung inhomogener Magnetfeldlinienverlauf eingeprägt ist, so dass zwischen der Supraleitereinheit 6 und einem Krafteinleitungsabschnitt 9 eine auf dem Flux-Pinning-Effekt beruhende kontaktlos kraftübertragende Kopplung bereit gestellt wird, die eine Bewegung in Längsrichtung verhindert.
Durch Beaufschlagung der zweiten Komponente 2 mit einer Kraft, die die von der kontaktlos kraftübertragenden Kopplung bereitgestellte Haltekraft in Längsrichtung überwindet, ist es möglich, zu einer nächsten Rastposition zu rutschen.
Zweckmäßigerweise können die Rasteinheit 17 und/oder der Krafteinleitungsabschnitt 9 auch derart ausgebildet sein, dass sich entlang der Längsrichtung eine Mehrzahl von Rastpositionen ergibt, an denen die zweite Komponente 2 in einer festen Position relativ zur ersten Komponente 1 gehalten werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Rasteinheit 17 einen eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf aufweist, dessen Polausrichtung in Längsrichtung alterniert, und der Magnetfeldlinienverlauf des Krafteinleitungsabschnitts 9 in Entsprechung dazu ausgebildet ist.
Wie vorstehend bereits erläutert und in den Figuren gezeigt, umfasst die Bewegungseinrichtung 10 vorzugsweise mehrere Supraleitereinheiten 6. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen dabei mehrere oder alle Supraleitereinheiten 6 den gleichen strukturellen Aufbau auf. Die Supraleitereinheiten 6 unterscheiden sich dann lediglich durch den Modus, in dem sie sich befinden. Insbesondere unterscheiden sich die Supraleitereinheiten 6 lediglich dadurch, ob sie bestromt oder unbestromt sind, und/oder dadurch, welchen eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf sie aufweisen. Insbesondere dient bei einer Supraleitereinheit jeweils derselbe Supraleiter bzw. dasselbe Supraleiterelement dazu, um zum Einen im Führungsmodus oder Rastmodus eine auf dem Flux-Pinning-Effekt beruhende kontaktlos kraftübertragende Kopplung bereitzustellen, und zum Anderen im Antriebsmodus das Antriebsmagnetfeld bereitzustellen.
Vorzugsweise verfügt jede Supraleitereinheit 6 jeweils über einen elektrischen Anschluss, mit dem sie einzeln bestromt werden kann. Zweckmäßigerweise sind die elektrischen Anschlüsse aus der Kryostatanordnung 14 herausgeführt. Wenn mehrere oder alle elektrischen Anschlüsse aus der Kryostatanordnung 14 herausgeführt sind, kann dann flexibel bei der Anwendung entschieden werden, welche Supraleitereinheiten 6 in welchem Modus betrieben werden sollen. Alternativ können nur diejenigen Supraleitereinheiten 6 mit elektrischen Anschlüssen versehen sein, die als Antriebseinheiten 16 betrieben werden. Ferner können auch nur die Enden bzw. elektrischen Anschlüsse derjenigen Supraleitereinheiten 6 aus der Kryostatanordnung herausgeführt sein, die als Antriebseinheiten 16 betrieben werden.
Die 2 zeigt eine Bewegungseinrichtung 10 mit einer Mehrzahl von Supraleitereinheiten 6, die jeweils den gleichen strukturellen Aufbau aufweisen. Insbesondere sind sämtliche Supraleitereinheiten 6 im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet. Die zentral angeordneten Supraleitereinheiten 6 werden als Antriebseinheiten 16 betrieben. Sie dienen somit als Elektromagneten, um ein auf den Krafteinleitungsabschnitt 9 wirkendes Antriebsmagnetfeld bereitzustellen. Die anderen Supraleitereinheiten 6 werden als Führungseinheiten 15 betrieben. Sie dienen als passive Lagerkomponente, um die linear bewegliche Lagerung der zweiten Komponente 2 relativ zur ersten Komponente 1 bereitzustellen.
Die 3 zeigt eine weitere Bewegungseinrichtung 10. Diese unterscheidet sich von der in der 2 gezeigten Bewegungseinrichtung 10 dadurch, dass eine der Supraleitereinheiten 6 nicht als Führungseinheit 15, sondern stattdessen als Rasteinheit 17 betrieben wird. Ferner verfügt die in der 3 gezeigte Bewegungseinrichtung 10 über eine Magnetanordnung 5, die an einem distalen Ende einen zusätzlichen Krafteinleitungsabschnitt 9 sowie einen Begrenzungsabschnitt 11 aufweist. Wird der zusätzliche Krafteinleitungsabschnitt 9 in den Bereich der Rasteinheit 17 geschoben, so wird eine auf dem Flux-Pinning-Effekt beruhende kontaktlos kraftübertragende Kopplung hergestellt, die einer Bewegung in Längsrichtung entgegenwirkt.
Zur Bestromung der Supraleitereinheiten 6 ist zweckmäßigerweise eine Steuervorrichtung vorgesehen, die zusammen mit einer Bewegungseinrichtung 10 ein System bildet. Die Bewegungseinrichtung 10 ist insbesondere gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet. Die Bewegungseinrichtung 10 umfasst wenigstens zwei oder drei strukturell gleich aufgebaute Supraleitereinheiten 6. Wenigstens zwei erste Supraleitereinheiten 6 werden von der Steuereinrichtung bestromt, so dass sich die ersten Supraleitereinheiten 6 in einem Antriebsmodus befinden und ein Antriebsmagnetfeld zum Antrieb der zweiten Komponente 2 bereitstellen. Wenigstens eine zweite Supraleitereinheit 6 wird nicht bestromt, so dass sich die zweite Supraleitereinheit 6 in einem Führungsmodus befindet und die linear bewegliche Lagerung der zweiten Komponente 2 in Längsrichtung bereitstellt. Folglich versorgt die Steuereinrichtung nicht alle Supraleitereinheiten 6 mit Strom. Insbesondere ist die Steuereinrichtung nicht mit allen Supraleitereinheiten 6 elektrisch verbunden. Zweckmäßigerweise verfügen jedoch alle Supraleitereinheiten 6 über elektrische Anschlüsse. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ausgebildet, wenigstens eine Supraleitereinheit 6, insbesondere wenigstens zwei Supraleitereinheiten 6, wahlweise in einen bestromten Zustand oder einen unbestromten Zustand zu versetzen.

Claims

Bewegungseinrichtung (10), umfassend eine erste Komponente (1) mit einer Supraleiteranordnung (4) und eine zweite Komponente (2) mit einer Magnetanordnung (5), wobei sich die zweite Komponente (2) entlang einer in Längsrichtung verlaufenden Längsachse (3) erstreckt und wobei zwischen der Supraleiteranordnung (4) und der Magnetanordnung (5) eine auf einem Flux-Pinning-Effekt beruhende kontaktlos kraftübertragende Kopplung besteht, durch die die zweite Komponente (2) gegenüber der ersten Komponente (1) in Längsrichtung linear beweglich gelagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiteranordnung (4) über wenigstens eine Supraleitereinheit (6) verfügt, die sich in Umfangsrichtung (7) um die Längsachse (3) herum erstreckt, so dass die Supraleitereinheit (6) die Magnetanordnung (5) kontaktlos umgreift.
Bewegungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiteranordnung (4) eine Mehrzahl an Supraleitereinheiten (6) umfasst, die entlang der Längsachse (3) verteilt angeordnet sind und die Magnetanordnung (5) jeweils umgreifen.
Bewegungseinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleitereinheiten (6) jeweils den gleichen strukturellen Aufbau aufweisen.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede Supraleitereinheit (6) über einen elektrischen Anschluss verfügt, mit dem sie einzeln bestromt werden kann.
Bewegungseinrichtung (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Kryostatanordnung (19), aus der die elektrischen Anschlüsse der Supraleitereinheiten (6) herausgeführt sind.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens eine Supraleitereinheit (6) in einem unbestromten Führungsmodus befindet, in dem sie als Führungseinheit (15) dient und die linear bewegliche Lagerung der zweiten Komponente (2) in Längsrichtung bereitstellt.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens zwei Supraleitereinheiten (6) in einem bestromten Antriebsmodus befinden, in dem sie als Antriebseinheiten (16) dienen und durch Bereitstellung eines Antriebmagnetfelds einen Antrieb der zweiten Komponente (2) in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung (7) bereitstellen.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens eine Supraleitereinheit (6) in einem unbestromten Rastmodus befindet, in dem sie als Rasteinheit (17) dient und eine Rastposition bereitstellt, an der die zweite Komponente (2) entlang der Längsachse (3) einrastbar ist.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (1) eine hohlzylindrische Grundgestalt aufweist und/oder die zweite Komponente (2) eine stabförmige Grundgestalt aufweist.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (5) unterschiedlich magnetisierte Längsabschnitte (18) aufweist.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (5) wenigstens einen als Führungsabschnitt (8) ausgebildeten Längsabschnitt (18) umfasst, der derart magnetisiert ist, dass er die linear bewegliche Lagerung der zweiten Komponente (2) in Längsrichtung bereitstellt.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (5) wenigstens einen als Krafteinleitungsabschnitt (9) ausgebildeten Längsabschnitt (18) umfasst, der derart magnetisiert ist, dass er mit einer in Längsrichtung wirkenden magnetischen Kraft beaufschlagbar ist.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (5) wenigstens einen als nicht magnetisierten Begrenzungsabschnitt (11) ausgebildeten Längsabschnitt (18) umfasst.
Bewegungseinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleitereinheiten (6) aus mehrlagigem und/oder geflochtenem und/oder gewebtem und/oder verpresstem Bandmaterial oder Bulkmaterial gefertigt sind.
System, umfassend eine Bewegungseinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche sowie eine Steuereinrichtung, wobei die Bewegungseinrichtung (10) wenigstens drei strukturell gleich aufgebaute Supraleitereinheiten (6) umfasst, wobei wenigstens zwei erste Supraleitereinheiten (6) von der Steuereinrichtung bestromt werden, so dass sich die beiden ersten Supraleitereinheiten (6) in einem Antriebsmodus befinden und ein Antriebsmagnetfeld zum Antrieb der zweiten Komponente (2) bereitstellen, und wenigstens eine zweite Supraleitereinheit (6) nicht bestromt wird, so dass sich die zweite Supraleitereinheit (6) in einem Führungsmodus befindet und die linear bewegliche Lagerung der zweiten Komponente (2) in Längsrichtung bereitstellt.