DE102018213731A1

DE102018213731A1 - Waagevorrichtung

Info

Publication number: DE102018213731A1
Application number: DE102018213731.5A
Authority: DE
Inventors: Marco Stocker; Elvira Stegmeyer; Georg Berner
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Waagevorrichtung (10) mit einem an einem Führungselement (2) geführten Trägerelement (1) zur Auflage eines zu wiegenden Objekts (3) sowie einer Waageeinheit (4) zur Erfassung des Gewichts des zu wiegenden Objekts (3), wobei das Trägerelement (1) schwebend gegenüber der Waageeinheit (4) gelagert ist. Die Waagevorrichtung (10) verfügt zur Bereitstellung der schwebenden Lagerung über ein Magnetlager (5) und die Waagevorrichtung (10) verfügt zur Bereitstellung der Führung des Trägerelements (1) über ein Supraleiterlager (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Waagevorrichtung mit einem an einem Führungselement geführten Trägerelement zur Auflage eines zu wiegenden Objekts sowie einer Waageeinheit zur Erfassung des Gewichts des zu wiegenden Objekts, wobei das Trägerelement schwebend gegenüber der Waageeinheit gelagert ist.
Um das Gewicht des Objekts zu bestimmen, kann das Objekt auf das Trägerelement gelegt werden. Die Gewichtskraft des Objekts wirkt auf das Trägerelement. Über die schwebende Lagerung des Trägerelements wird eine entsprechende Kraft an die Waageeinheit übertragen und kann von der Waageeinheit erfasst werden. Auf Basis der erfassten Kraft kann die Waageeinheit das Gewicht des Objekts bestimmen und zweckmäßigerweise ein das Gewicht des Objekts anzeigendes Signal bereitstellen. Zweckmäßigerweise enthält das Signal ein Wiegeergebnis.
Eine schwebende Lagerung des Trägerelements gegenüber der Waageeinheit kann aus mehreren Gründen von Vorteil sein. So können aufgrund der schwebenden Lagerung das Trägerelement und die Waageeinheit insbesondere durch eine Trennwand voneinander isoliert sein, z.B. um eine Kontamination der Waageeinheit mit an dem Trägerelement oder dem zu wiegenden Objekt vorhandenen Stoffen zu verhindern. Ferner kann durch die schwebende Lagerung unter Umständen eine genauere Erfassung des Gewichts erzielt werden, da bei der schwebenden Lagerung keine mechanische Reibung des Trägerelements relativ zum Führungselement gegeben ist und somit auch kein Anteil der Gewichtskraft durch eine Reibung aufgenommen werden kann.
Aus dem Stand der Technik ist eine Waagevorrichtung mit einer schwebenden Lagerung eines Trägerelements gegenüber einer Waageeinheit bekannt. So ist aus der DE 10 2016 205 377 B3 ein Aufbau mit einem Messaufnehmer und einem schwebend gegenüber dem Messaufnehmer gelagerten Messkörper beschrieben. Die schwebende Lagerung wird durch ein Supraleiterlager bereitgestellt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die eingangs genannte Waagevorrichtung so zu modifizieren, dass sie vielseitiger einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Waagevorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Waagevorrichtung verfügt über ein Magnetlager zur Bereitstellung der schwebenden Lagerung. Ferner verfügt die Waagevorrichtung über ein Supraleiterlager zur Bereitstellung der Führung des Trägerelements.
Erfindungsgemäß wird demnach die schwebende Lagerung des Trägerelements durch ein Magnetlager bereitgestellt und für die Führung des Trägerelements wird ein Supraleiterlager verwendet.
Das Magnetlager trägt zweckmäßigerweise einen Hauptteil, vorzugsweise die gesamte, Gewichtskraft des Trägerelements und - sofern vorhanden - des zu wiegenden Objekts. Das Supraleiterlager ist dafür vorgesehen, das Trägerelement zu führen - und dadurch insbesondere relativ zur Waageeinheit zu stabilisieren. Zweckmäßigerweise nimmt das Supraleiterlager die Gewichtskraft des Trägerelements und des zu wiegenden Objekts nicht auf.
Durch die Verwendung des Magnetlagers können höhere Kräfte aufgenommen werden und die Schwebehöhe des Trägerelements gegenüber der Waageeinheit kann vergrößert werden. Mit einem Magnetlager, insbesondere einem Magnetlager mit zwei sich abstoßenden Permanentmagneten, kann in der Regel eine höhere Abstoßkraft und somit auch eine größere Schwebehöhe als mit einem Supraleiterlager erzielt werden. Aufgrund der Eignung der Waagevorrichtung, höhere Kräfte aufzunehmen und/oder höhere Schwebehöhen zu erzielen, kann die Waagevorrichtung für eine größere Anzahl von Anwendungen - also vielseitiger - eingesetzt werden. Insbesondere kann dadurch, dass die schwebende Lagerung durch das Magnetlager bereitgestellt wird und das Supraleiterlager für die Führung zuständig ist, die Schwebehöhe deutlich verbessert, insbesondere erhöht, werden.
Das Supraleiterlager beruht insbesondere auf dem Flux-Pinning-Effekt, der auch als Flussverankerungseffekt bekannt ist. Zur Nutzung des Flux-Pinning-Effekts wird in eine Supraleiteranordnung des Supraleiterlagers ein Magnetfeldlinienverlauf eines die Supraleiteranordnung durchdringenden Magnetfelds eingeprägt bzw. eingespeichert. Die Einspeicherung des Magnetfeldlinienverlaufs erfolgt dadurch, dass die Supraleiteranordnung dem Magnetfeld ausgesetzt wird und dann auf oder unter ihre Sprungtemperatur gekühlt wird. Die mit der Supraleiteranordnung gekoppelte Magnetanordnung nimmt dann relativ zu der Supraleiteranordnung diejenige Vorzugsposition ein, bei der der Magnetfeldlinienverlauf der Magnetanordnung mit dem eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf übereinstimmt bzw. dieselbe Ausrichtung wie der eingeprägte Magnetfeldlinienverlauf aufweist. Solange die Supraleiteranordnung auf oder unter ihre Sprungtemperatur gehalten wird, ist die gekoppelte Magnetanordnung bestrebt, die Übereinstimmung zwischen ihrem Magnetfeldlinienverlauf und dem Verlauf des eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf bzw. der Flussschläuche der Supraleiteranordnung beizubehalten. Zur Nutzung des Flux-Pinning-Effekts eignen sich insbesondere Supraleiter zweiter Art, wie zum Beispiel keramische Hochtemperatursupraleiter. Als Beispiel für derartige Supraleiter seien hier YBaCuO (Yttrium-Barium-Kupferoxid) und BiSrCaCuO (Bismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid) genannt. Zur Kühlung der Supraleiteranordnung auf oder unter die Sprungtemperatur kann beispielsweise eine Kryostatanordnung oder eine andere Kühleinrichtung vorgesehen sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorzugsweise nimmt das Magnetlager die Gewichtskraft des Trägerelements und des zu wiegenden Objekts auf. Dadurch, dass das Magnetlager die Gewichtskraft aufnimmt, kann eine höhere Schwebehöhe des Trägerelements gegenüber der Waageeinheit erzielt werden.
Vorzugsweise nimmt das Supraleiterlager die Gewichtskraft des Trägerelements und des zu wiegenden Objekts nicht auf.
Vorzugsweise umfasst das Magnetlager eine dem Trägerelement zugeordnete erste Magnetanordnung und eine der Waageeinheit zugeordnete zweite Magnetanordnung. Zwischen der ersten Magnetanordnung und der zweiten Magnetanordnung wird vorzugsweise eine Abstoßkraft bereitgestellt. Eine solche Abstoßkraft ist besonders dazu geeignet, die schwebende Lagerung des Trägerelements gegenüber der Waageeinheit bereitzustellen.
Vorzugsweise wirkt die Abstoßkraft entgegengesetzt zur Gewichtskraft des zu wiegenden Objekts. Auf diese Weise kann erzielt werden, dass die Gewichtskraft von dem Magnetlager aufgenommen wird.
Vorzugsweise ist das Supraleiterlager ausgebildet, eine Bewegung des Trägerelements relativ zur Waageeinheit in einer von der Richtung der Abstoßkraft und/oder von der Richtung der Gewichtskraft des Objekts verschiedenen Richtung zu sperren. Auf diese Weise kann das Trägerelement gegenüber der Waageeinheit stabilisiert werden, sodass das Trägerelement zweckmäßigerweise eine feste Position gegenüber der Waageeinheit einnimmt.
Vorzugsweise ist das Supraleiterlager ausgebildet, eine Bewegung des Trägerelements relativ zur Waageeinheit in Richtung der Abstoßkraft und/oder in Richtung der Gewichtskraft des Objekts zuzulassen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Gewichtskraft des zu wiegenden Objekts nicht von dem Supraleiterlager aufgenommen wird.
Vorzugsweise umfassen die Magnetanordnungen jeweils einen Permanentmagneten und/oder einen Elektromagneten. Durch die Verwendung von Permanentmagneten kann eine besonders große Schwebehöhe des Trägerelements erzielt werden.
Vorzugsweise ist das Führungselement mechanisch mit der Waageeinheit gekoppelt. Auf diese Weise kann eine Führung bzw. Stabilisierung des Trägerelements relativ zur Waageeinheit über das Führungselement erzielt werden.
Vorzugsweise umfasst das Supraleiterlager eine dem Trägerelement zugeordnete, konvex ausgestaltete erste Lagerkomponente und eine dem Führungselement zugeordnete, konkav ausgestaltete zweite Lagerkomponente. Die erste Lagerkomponente ist beispielsweise eine dritte Magnetanordnung und die zweite Lagerkomponente ist beispielsweise eine Supraleiteranordnung. Durch die konvexe/konkave Ausgestaltung der Lagerkomponenten kann eine besonders gute Kopplung zwischen den Lagerkomponenten erzielt werden.
Vorzugsweise verfügt das Supraleiterlager über eine als Halbach-Array ausgeführte dritte Magnetanordnung. Durch die Verwendung eines Halbach-Arrays kann das von der Magnetanordnung bereitgestellte Magnetfeld in Richtung hin zu der Supraleiteranordnung konzentriert werden.
Vorzugsweise ist das Halbach-Array an dem Trägerelement angeordnet. Auf diese Weise kann darauf verzichtet werden, an dem Trägerelement eine Kühlvorrichtung vorzusehen, wodurch wiederum (aufgrund des reduzierten Gewichts des Trägerelements) die Messgenauigkeit der Waagevorrichtung erhöht werden kann.
Im Folgenden sollen unter Bezugnahme auf die Figuren eine beispielhafte Ausführungsform sowie weitere exemplarische Details erläutert werden. Dabei zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht einer Waagevorrichtung von der Seite,
2 eine schematische Draufsicht der Waagevorrichtung,
3 eine perspektivische Ansicht eines Prägeelementes,
4 eine Draufsicht auf das Prägeelement.

Die Waagevorrichtung 10 umfasst ein Trägerelement 1, das an einem Führungselement 2 geführt ist. Das Trägerelement 1 dient der Auflage eines zu wiegenden Objekts 3.
Die Waagevorrichtung 10 umfasst ferner eine Waageeinheit 4 zur Erfassung des Gewichts des zu wiegenden Objekts 3.
Das Trägerelement 1 ist schwebend gegenüber der Waageeinheit 4 gelagert. Die Waagevorrichtung 10 verfügt über ein Magnetlager 5 zur Bereitstellung der schwebenden Lagerung. Die Waagevorrichtung 10 verfügt ferner über ein Supraleiterlager 6 zur Bereitstellung der Führung des Trägerelements 1.
Das Magnetlager 5 nimmt zweckmäßigerweise die Gewichtskraft des Trägerelements 1 und des zu wiegenden Objekts 3 auf, während das Supraleiterlager 6 dafür vorgesehen ist, das Magnetlager 5 zu führen - und dadurch insbesondere relativ zur Waageeinheit 4 zu stabilisieren. Durch die Verwendung des Magnetlagers 5 können höhere Kräfte aufgenommen werden und die Schwebehöhe des Trägerelements 1 gegenüber der Waageeinheit 4 kann vergrößert werden.
Insbesondere übernimmt das Supraleiterlager 6 nur eine Führungsaufgabe, während die Gewichtskraft des zu wiegenden Objekts 3 vollständig über das Magetlager 5 - zweckmäßigerweise zwei Permanentmagnete, die sich mit gleichen Polseiten gegenüberstehen - aufgenommen wird.
Nachstehend werden weitere exemplarische Details erläutert. Bei den nachfolgenden Erläuterungen wird auf die in den Zeichnungen eingezeichnete x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung Bezug genommen. Diese Richtungen sind zweckmäßigerweise orthogonal zueinander ausgerichtet. In Gebrauchsstellung der Waagevorrichtung verläuft die z-Richtung zweckmäßigerweise parallel zum Gravitationsvektor.
Zunächst zur Grundgestalt der Waagevorrichtung 10:
Die Waagevorrichtung 10 umfasst einen Grundkörper 14, gegenüber dem das Trägerelement 1 schwebend gelagert ist. Der Grundkörper 14 umfasst die Waageeinheit 4 und das Führungselement 2. Ferner umfasst der Grundkörper 14 jeweils eine Lagerkomponente des Magnetlagers 5, insbesondere eine zweite Magnetanordnung 8, und/oder des Supraleiterlagers 6, insbesondere eine Supraleiteranordnung 12.
Der Grundkörper 14 verfügt exemplarisch über eine ebene Unterseite, mit der der Grundkörper 14 stabil auf einer ebenen Unterlage abstellbar ist. Ferner verfügt der Grundkörper 14 exemplarisch über einen in z-Richtung oberhalb der Waageeinheit 4 vorhandenen Positionierbereich 23, in dem das Trägerelement 1 angeordnet ist.
Das Trägerelement 1 ist zweckmäßigerweise innerhalb des Positionierbereichs 23 positionierbar, insbesondere entlang eines in z-Richtung verlaufenden Verschiebewegs. Der Positionierbereich 23 erstreckt sich insbesondere in z-Richtung. Zweckmäßigerweise handelt es sich um einen zylindrischen, insbesondere einen kreiszylindrischen Positionierbereich 23.
Der Grundkörper 14 weist in dem in der 1 gezeigten x-z-Schnitt exemplarisch eine L-förmige Grundgestalt auf. Der Grundkörper 14 umfasst exemplarisch einen Vertikalabschnitt 15 sowie einen Horizontalabschnitt 16. Zweckmäßigerweise begrenzt der Horizontalabschnitt 16 den Positionierbereich 23 in z-Richtung nach unten und/oder der Vertikalabschnitt 15 begrenzt den Positionierbereich 23 seitlich in x-Richtung.
Der Horizontalabschnitt 16 ist exemplarisch plattenförmig ausgeführt. Die flächenmäßig größte Seite des Horizontalabschnitts 16 ist normal zur z-Richtung ausgerichtet. Der Horizontalabschnitt 16 umfasst zweckmäßigerweise die Waageeinheit 4 und/oder eine Lagerkomponente des Magnetlagers 5.
Von dem Horizontalabschnitt 16 erstreckt sich der Vertikalabschnitt 15 in z-Richtung nach oben. Der Vertikalabschnitt 15 stellt zweckmäßigerweise das Führungselement 2 dar oder umfasst dieses. Der Vertikalabschnitt 15 umfasst eine Lagerkomponente, exemplarisch eine Supraleiteranordnung 12, des Supraleiterlagers 6. Wie in der 2 zu sehen, ist die dem Trägerelement 1 zugewandte seitliche Innenwand des Vertikalabschnitts 15 zweckmäßigerweise in Entsprechung zu dem Trägerelement 1 geformt. Exemplarisch verfügt die seitliche Innenwand in dem gezeigten y-x-Schnitt über einen konkaven Verlauf, der insbesondere in Entsprechung zu der konvexen Form des Trägerelements 1 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Trägerelement 1 im y-x-Schnitt kreisförmig und die seitliche Innenwand des Vertikalabschnitts 15 weist in Entsprechung dazu im y-x-Schnitt eine kreisabschnittsförmige Aussparung auf.
Das Trägerelement 1 verfügt exemplarisch über eine plattenförmige Grundgestalt. Die flächenmäßig größte Seite des Trägerelements 1 ist zweckmäßigerweise normal zur z-Richtung ausgerichtet. Die obere Seite des Trägerelements 1 dient zur Auflage des zu wiegenden Objekts 3. Das Trägerelement 1 verfügt exemplarisch über eine kreisförmige Grundfläche und ist vorzugsweise zylindrisch, insbesondere scheibenförmig ausgebildet. Exemplarisch umfasst das Trägerelement 1 eine Lagerkomponente des Magnetlagers 5, insbesondere eine erste Magnetanordnung 7 und/oder eine Lagerkomponente des Supraleiterlagers 6, insbesondere eine dritte Magnetanordnung 11. Das Trägerelement 1 ist zweckmäßigerweise vollständig frei schwebend gegenüber dem Grundkörper 14 gelagert; zwischen Trägerelement 1 und Grundkörper 14 ist insbesondere keine mechanische Verbindung vorhanden.
Zweckmäßigerweise ist am Trägerelement 1 keine Kühleinrichtung, insbesondere kein Kryostat, vorhanden. Dadurch kann das Gewicht des Trägerelements 1 reduziert werden. Das auf die Waageeinheit 4 wirkende Grundgewicht kann folglich reduziert werden. Hierdurch kann eine höhere Messgenauigkeit erzielt werden und insbesondere können auch kleinere Massen gemessen werden.
Als Nächstes soll auf das Magnetlager 5 eingegangen werden:
Das Magnetlager 5 beruht insbesondere auf einer zwischen zwei Magnetfeldern bereitgestellten Abstoßkraft 9. Vorzugsweise umfasst das Magnetlager 5 keinen Supraleiter und beruht insbesondere nicht auf dem Flux-Pinning-Effekt. Das Magnetlager 5 beruht zweckmäßigerweise auf einer rein permanentmagnetischen Kopplung.
Das Magnetlager 5 umfasst die dem Trägerelement 1 zugeordnete erste Magnetanordnung 7 und die der Waageeinheit 4 zugeordnete zweite Magnetanordnung 8. Die Magnetanordnungen 7, 8 stellen die beiden Lagerkomponenten des Magnetlagers 5 dar. Exemplarisch ist die erste Magnetanordnung 7 Teil des Trägerelements 1. Alternativ dazu kann die erste Magnetanordnung 7 auch als zusätzliches Bauteil ausgebildet sein und mit dem Trägerelement 1 gekoppelt, insbesondere an diesem mechanisch befestigt sein. Die erste Magnetanordnung 7 ist exemplarisch plattenförmig, insbesondere scheibenförmig, ausgestaltet und zweckmäßigerweise konzentrisch zu der kreisförmigen Außenkontur des Trägerelements 1 angeordnet. Die erste Magnetanordnung 7 befindet sich insbesondere im Bereich einer Unterseite des Trägerelements 1. Die flächenmäßig größte Seite der Magnetanordnung 5 ist vorzugsweise normal zur z-Richtung ausgerichtet. Die erste Magnetanordnung 7 ist vorzugsweise parallel zur z-Richtung magnetisiert. Vorzugsweise umfasst die erste Magnetanordnung 7 einen Permanentmagneten. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die erste Magnetanordnung 7 auch einen Elektromagneten umfassen. Vorzugsweise umfasst die erste Magnetanordnung 7 keinen Elektromagneten.
Die zweite Magnetanordnung 8 ist vorzugsweise mit der Waageeinheit 4 kraftübertragend gekoppelt, insbesondere mechanisch an der Waageeinheit 4 befestigt. Exemplarisch ist die zweite Magnetanordnung 8 an der oberen Seite der Waageeinheit 4 angeordnet bzw. an dieser befestigt. Die zweite Magnetanordnung 8 ist exemplarisch Teil des Horizontalabschnitts 16 des Grundkörpers 14. Die zweite Magnetanordnung 8 befindet sich insbesondere in z-Richtung unterhalb des Positionierbereichs 23 für das Trägerelement 1. Die zweite Magnetanordnung 8 ist plattenförmig, insbesondere scheibenförmig ausgestaltet. Die zweite Magnetanordnung 8 ist mit ihrer flächenmäßig größten Seite normal zur z-Richtung ausgerichtet. Zweckmäßigerweise ist die zweite Magnetanordnung 8 parallel zur z-Richtung magnetisiert. Vorzugsweise umfasst die zweite Magnetanordnung 8 einen Permanentmagneten. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die zweite Magnetanordnung 8 auch einen Elektromagneten umfassen. Vorzugsweise umfasst die zweite Magnetanordnung 8 keinen Elektromagneten.
Die erste Magnetanordnung 7 und die zweite Magnetanordnung 8 sind exemplarisch konzentrisch zueinander angeordnet. Vorzugsweise überlappen sich die erste Magnetanordnung 7 und die zweite Magnetanordnung 8 mit einem Hauptteil - also mit mehr als 50 % - ihrer horizontalen bzw. x-y-Fläche. Die obere Seite der zweiten Magnetanordnung 8 ist vorzugsweise der unteren Seite der ersten Magnetanordnung 7 zugewandt.
Die Magnetanordnungen 7, 8 umfassen zweckmäßigerweise jeweils einen Permanentmagneten. Vorzugsweise sind beide Magnetanordnungen 7, 8 als Permanentmagnete ausgebildet. Zwischen den beiden Magnetanordnungen 7, 8 wird eine Abstoßkraft 9 bereitgestellt. Die Abstoßkraft 9 wirkt auf die erste Magnetanordnung 7, insbesondere das Trägerelement 1, zweckmäßigerweise entgegengesetzt zur Gewichtskraft des zu wiegenden Objekts 3, also insbesondere in z-Richtung nach oben. Die Abstoßkraft 9 wird beispielsweise dadurch bereitgestellt, dass die beiden Magnetanordnungen 7, 8 entgegengesetzt zueinander magnetisiert sind. Beispielsweise sind die beiden Magnetanordnungen 7, 8 derart magnetisiert, dass sich jeweils gleiche Polseiten der Magnetanordnungen 7, 8 gegenüberstehen. Beispielsweise verfügt die erste Magnetanordnung 7 über einen nach unten gerichteten N-Pol und die zweite Magnetanordnung 8 über einen nach oben gerichteten N-Pol. Alternativ dazu kann die erste Magnetanordnung 7 über einen nach unten gerichteten S-Pol und die zweite Magnetanordnung 8 über einen nach oben gerichteten S-Pol verfügen.
Das Magnetlager 5 sorgt dafür, dass das Trägerelement 1 von der Waageeinheit 4, insbesondere vom Horizontalabschnitt 16 des Grundkörpers 14 beabstandet ist. Vorzugsweise ist das Trägerelement 1 von der zweiten Magnetanordnung 8 beabstandet, so dass sich zwischen der zweiten Magnetanordnung 8 und dem Trägerelement 1 ein Schwebespalt ergibt.
Das Magnetlager 5 stützt das Trägerelement 1 in z-Richtung, insbesondere in Richtung entgegengesetzt zum Gravitationsvektor ab. Das Magnetlager 5 wirkt insbesondere einer Bewegung des Trägerelements 1 in z-Richtung nach unten entgegen. Vorzugsweise trägt das Magnetlager 5 einen Hauptteil, insbesondere mehr als 90%, der Gewichtskraft oder die gesamte Gewichtskraft des Trägerelements 1 und des Objekts 3. Vorzugsweise lässt das Magnetlager 5 eine Bewegung in z-Richtung nach oben und/oder eine Bewegung in einer Horizontalrichtung - also in x-Richtung und/oder y-Richtung - zu.
Exemplarisch verfügen das Magnetlager 5 und das Supraleiterlager 6 jeweils über eine eigene dem Trägerelement 1 zugeordnete Magnetanordnung - und zwar die erste Magnetanordnung 7 bzw. die dritte Magnetanordnung 11. Alternativ dazu kann an dem Trägerelement 1 auch eine Magnetanordnung vorgesehen sein, die gleichzeitig Teil des Magnetlagers 5 und des Supraleiterlagers 6 ist.
Im Folgenden soll auf das Supraleiterlager 6 näher eingegangen werden. Das Supraleiterlager 6 umfasst exemplarisch eine dritte Magnetanordnung 11 und eine Supraleiteranordnung 12. Exemplarisch ist die dritte Magnetanordnung 11 dem Trägerelement 1 zugeordnet und die Supraleiteranordnung 12 ist dem Führungselement 2 zugeordnet.
Die dritte Magnetanordnung 11 kann Teil des Trägerelements 1 sein oder, alternativ dazu, als zusätzliches Bauteil ausgeführt sein und an dem Trägerelement 1 gekoppelt, insbesondere mechanisch befestigt, sein. Die dritte Magnetanordnung 11 ist exemplarisch an einem seitlichen Außenbereich des Trägerelements 1 angeordnet. Die dritte Magnetanordnung 11 ist insbesondere dem Führungselement 2, zweckmäßigerweise dem Vertikalabschnitt 15, zugewandt.
Die Supraleiteranordnung 12 kann einen Teil des Führungselements 2 darstellen oder an diesem gekoppelt, insbesondere mechanisch befestigt, sein. Die Supraleiteranordnung 12 erstreckt sich in z-Richtung, insbesondere über die z-Erstreckung des Positionierbereichs 23. Zweckmäßigerweise ist eine (in den Figuren nicht gezeigte) Kühlvorrichtung, insbesondere ein Kryostat, vorhanden, in dem die Supraleiteranordnung 12 angeordnet ist.
Die Supraleiteranordnung 12 ist zweckmäßigerweise im Bereich der seitlichen Innenwand des Vertikalabschnitts 15 angeordnet. Die Supraleiteranordnung 12 hat exemplarisch die Form eines Hohlzylindersegments - also eines Winkelsegments (vorzugsweise kleiner als 180 Grad) eines Hohlzylinders. Die Supraleiteranordnung 12 hat in einer x-y-Ansicht insbesondere die Form eines Ringsegments. Zweckmäßigerweise ist die Supraleiteranordnung 12 konzentrisch zum Trägerelement 1 und/oder der dritten Magnetanordnung 11 angeordnet und/oder ausgestaltet.
Die Supraleiteranordnung 12 verfügt zweckmäßigerweise über einen Supraleiterkörper. Die Supraleiteranordnung 12 ist insbesondere nicht als Spule ausgeführt und führt zweckmäßigerweise auch keinen Strom.
Die dritte Magnetanordnung 11 und die Supraleiteranordnung 12 sind vorzugsweise über den Flux-Pinning-Effekt miteinander kontaktlos kraftübertragend gekoppelt. Durch die Kopplung wird die dritte Magnetanordnung 11 relativ zur Supraleiteranordnung 12 in wenigstens einer Raumrichtung, vorzugsweise in sämtlichen Horizontalrichtungen, in einer vorbestimmten Position relativ zur Supraleiteranordnung 12 gehalten. Zweckmäßigerweise gibt die Kopplung zwischen der dritten Magnetanordnung 11 und der Supraleiteranordnung 12 eine Bewegung der dritten Magnetanordnung 11 gegenüber der Supraleiteranordnung 12 in z-Richtung, also insbesondere parallel zur Gewichtskraft des Trägerelements 1, frei. Das Supraleiterlager 6 stellt insbesondere eine lineare Führung bereit, und zwar zweckmäßigerweise in z-Richtung.
In horizontaler Richtung, insbesondere in x-Richtung und/oder y-Richtung, vorzugsweise in sämtlichen horizontalen Richtungen, sperrt das Supraleiterlager 6 zweckmäßigerweise eine Bewegung der dritten Magnetanordnung 11 gegenüber der Supraleiteranordnung 12 und somit auch eine Bewegung des Trägerelements 1 gegenüber dem Führungselement 2.
Zweckmäßigerweise stabilisiert das Supraleiterlager 6 das Trägerelement 1 in horizontaler Richtung gegenüber dem Führungselement 2, insbesondere gegenüber der Waageeinheit 4, so dass zusammen mit der von dem Magnetlager 6 bereitgestellten, in z-Richtung wirkenden Abstoßkraft 9 eine insgesamt stabile, schwebende Lagerung des Trägerelements 1 gegenüber dem Grundkörper 14, insbesondere gegenüber der Waageeinheit 4, erzielt wird. In Gebrauchsstellung der Waagevorrichtung 10 ist das Trägerelement 1 folglich stabil gelagert und nimmt in einem Gleichgewichtszustand eine stabile, schwebende Position gegenüber der Waageeinheit 4 ein.
Die vorstehend beschriebene Kopplung, insbesondere die lineare Lagerung, der dritten Magnetanordnung 11 gegenüber der Supraleiteranordnung 12 kann insbesondere durch einen bestimmten Magnetfeldlinienverlauf der dritten Magnetanordnung 11 und/oder einen bestimmten eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf der Supraleiteranordnung 12 erzielt werden. Insbesondere ist der Magnetfeldlinienverlauf der dritten Magnetanordnung 11 und/oder der in die Supraleiteranordnung 12 eingeprägte Magnetfeldlinienverlauf in z-Richtung homogen und/oder in einer von der z-Richtung verschiedenen Richtung, insbesondere einer horizontalen Richtung, vorzugsweise in sämtlichen horizontalen Richtungen, inhomogen.
Die dritte Magnetanordnung 11 ist insbesondere als Halbach-Array ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist die dritte Magnetanordnung 11 derart als Halbach-Array ausgeführt, dass das von der dritten Magnetanordnung 11 bereitgestellte Magnetfeld in Richtung hin zu der Supraleiteranordnung 12 konzentriert wird.
Die dritte Magnetanordnung 11 weist exemplarisch die Form eines Ringsegments auf. Zweckmäßigerweise umfasst die Magnetanordnung 11 eine Mehrzahl von Magnetisierungsabschnitten 17, die sich in horizontaler Richtung aneinander anreihen. Zweckmäßigerweise sind die Magnetisierungsabschnitte 17 in Umfangsrichtung des Trägerelements 1 und/oder der dritten Magnetanordnung 11 nacheinander angeordnet. Die Magnetisierungsabschnitte 17 stellen zweckmäßigerweise jeweils Ringsegmente dar. Jeder Magnetisierungsabschnitt 17 verfügt vorzugsweise über eine Magnetisierung, die parallel zu einer horizontalen Richtung verläuft. Die Magnetisierung jedes Magnetisierungsabschnitts 17 ist vorzugsweise parallel oder senkrecht zu einer Radialrichtung der als Ringsegment ausgebildeten dritten Magnetanordnung 11 ausgerichtet. Die Magnetisierungsrichtungen zweier benachbarter Magnetisierungsabschnitte 17 unterscheiden sich zweckmäßigerweise, vorzugsweise um 90 Grad. Dies trifft exemplarisch auf alle Magnetisierungsabschnitte 17 zu.
Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der dritten Magnetanordnung 11 als Ringsegment kann die dritte Magnetanordnung 11 auch als Ring ausgeführt sein.
Die Supraleiteranordnung 12 verfügt exemplarisch über einen eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf, der, insbesondere in einem x-y-Schnitt, dem Magnetfeldlinienverlauf der vorstehend erläuterten dritten Magnetanordnung 11 entspricht.
Zur Einprägung des Magnetfeldlinienverlaufs kann insbesondere das in den 3 und 4 gezeigte Prägeelement 20 verwendet werden. Das Prägeelement 20 verfügt über eine vierte Magnetanordnung 21, die im x-y-Schnitt zweckmäßigerweise identisch zur dritten Magnetanordnung 11 ist. Die vierte Magnetanordnung 21 hat vorzugsweise eine größere z-Erstreckung als die dritte Magnetanordnung 11. Exemplarisch entspricht die z-Erstreckung der vierten Magnetanordnung 21 der z-Erstreckung des Positionierbereichs 23 und/oder der z-Erstreckung der Supraleiteranordnung 12.
Die vierte Magnetanordnung 21 verfügt über Magnetisierungsabschnitte 22, die zweckmäßigerweise in Entsprechung zu den vorstehend diskutierten Magnetisierungsabschnitten 17 ausgebildet sind. Insbesondere bilden die Magnetisierungsabschnitte 22 ein Halbach-Array. Die Magnetisierungsabschnitte 22 erstrecken sich zweckmäßigerweise über die z-Erstreckung der vierten Magnetanordnung 21.
Der in der Supraleiteranordnung 12 eingeprägte Magnetfeldlinienverlauf ist vorzugsweise identisch zu dem Magnetfeldlinienverlauf der vorstehend diskutierten vierten Magnetanordnung 21.
Nachstehend soll näher auf die Waageeinheit 4 eingegangen werden. Die Waageeinheit 4 verfügt zweckmäßigerweise über einen Kraftaufnahmebereich, der insbesondere an der oberen Seite der Waageeinheit 4 angeordnet ist. Die zweite Magnetanordnung 8 ist zweckmäßigerweise mit dem Kraftaufnahmebereich kraftübertragend, insbesondere mechanisch, gekoppelt. Zweckmäßigerweise ist die zweite Magnetanordnung 8 an dem Kraftaufnahmebereich befestigt. Die Waageeinheit 4 ist vorzugsweise ausgebildet, eine auf den Kraftaufnahmebereich wirkende Kraft, insbesondere eine Kraft in z-Richtung nach unten, zu erfassen und ein von der erfassten Kraft abhängiges Signal bereitzustellen. Das bereitgestellte Signal zeigt insbesondere das Gewicht und/oder die Masse des zu wiegenden Objekts 3 an. Zweckmäßigerweise ist die Waageeinheit 4 ausgebildet, das Gewicht der zweiten Magnetanordnung 8 und/oder des Trägerelements 1 aus der erfassten Kraft herauszurechnen.
Die Waageeinheit 4 ist zweckmäßigerweise gemäß einem aus dem Stand der Technik bekannten Messprinzip ausgebildet. Exemplarisch kann die Waageeinheit 4 als elektromechanische Waage ausgebildet sein und über eine Wägezelle, inbesondere eine DMS-Wägezelle verfügen. Alternativ dazu kann die Waageeinheit 4 auch anders ausgebildet sein und ein anderes, aus dem Stand der Technik bekanntes Messprinzip einsetzen.
Gemäß einer nicht gezeigten Ausgestaltung der Waagevorrichtung 10 verläuft ein Isolierungselement, insbesondere eine Isolierungswand, zwischen dem Trägerelement 1 und dem Grundkörper 14 bzw. der Waageeinheit 4, insbesondere derart, dass das Trägerelement 1 und der Grundkörper 14 bzw. die Waageeinheit 4 vollständig voneinander isoliert sind. Durch die grö-ßere Schwebehöhe des Magnetlagers 5 sind in diesem Fall grö-ßere Wandstärken des Isolierungselements möglich.
Die Waagevorrichtung 10 und das Prägeelements 20 können beispielsweise wie nachstehend erläutert verwendet werden.
Zunächst wird der Magnetfeldlinienverlauf des Halbach-Arrays des Prägeelements 20 in die Supraleiteranordnung 12 eingeprägt. Der eingeprägte Magnetfeldlinienverlauf lässt eine Linearbewegung senkrecht zur untenliegenden Waageeinheit 4 zu. Die Supraleiteranordnung 12 mit einer solchen Prägung kann auch als Supraleiterschiene bezeichnet werden. Zur Einprägung des Magnetfeldlinienverlaufs wird das Supraleitermaterial der Supraleiteranordnung 12 nach Positionierung des Prägeelements 4 unter seine stoffspezifische Sprungtemperatur gekühlt. Hat die Supraleiteranordnung 12 ihre Sprungtemperatur unterschritten, dann kann das Prägeelement 20 entfernt werden.
Die vorstehend beschriebene Einprägung des Magnetfeldlinienverlaufs kann zweckmäßigerweise bereits im Voraus erfolgen, sodass die Supraleiteranordnung 12 vorzugsweise bereits über eine entsprechende Prägung verfügt.
Das Trägerelement 1 kann von oben in den Positionierbereich 23 eingeführt werden, um zusammen mit der Supraleiteranordnung 12 das als Linearlager ausgeführte Supraleiterlager 6 zu bilden.
Die Kühlung der Supraleiteranordnung 12 ist beispielsweise durch flüssigen Stickstoff oder durch ein elektrisches Kühlsystem gemäß einer umgekehrten Wärmepumpe möglich.
Das System ist, unter Berücksichtigung des Eigengewichts des Trägerelements 1, bereit und die Gewichtskraft eines auf dem Trägerelement 1 platzierten Objekts 3 kann durch die Waageeinheit 4 ausgegeben werden.
Insbesondere ist auf der unten liegenden Waageeinheit 4 die zweite Magnetanordnung 8, die beispielsweise als Magnetkörper ausgebildet ist, befestigt. Über dieser zweiten Magnetanordnung 8 levitiert das Trägerelement 1 mit der ersten Magnetanordnung 7, die beispielsweise als Magnetkörper ausgebildet ist. Die Magnetanordnungen 7, 8 sind jeweils mit gleichen Polseiten zugewandt. Zur Stabilisierung des Trägerelements 1 ist an einer Seite des Trägerelements 1 die dritte Magnetanordnung 11 vorhanden, die exemplarisch als permanentmagnetische Anordnung in Halbach-Bauweise, entsprechend einem supraleitenden Linearlager, ausgeführt ist.
Die Gewichtskraft eines auf das Trägerelement 1 gelegten Objekts 3 wird zweckmäßigerweise vollständig von dem Magnetlager 5 aufgenommen und über die zweite Magnetanordnung 8 an die Waageeinheit 4 übertragen. Die Waageeinheit 4 erfasst die Gewichtskraft und stellt ein entsprechendes Signal bereit. Vorzugsweise wird die Gewichtskraft des Objekts 3 nicht von dem Supraleiterlager 6 aufgenommen. Das Supraleiterlager 6 dient zweckmäßigerweise lediglich dazu, das Trägerelement 1 gegenüber der Waageeinheit 4 zu stabilisieren, insbesondere in horizontaler Richtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016205377 B3 [0004]

Claims

Waagevorrichtung (10) mit einem an einem Führungselement (2) geführten Trägerelement (1) zur Auflage eines zu wiegenden Objekts (3) sowie einer Waageeinheit (4) zur Erfassung des Gewichts des zu wiegenden Objekts (3), wobei das Trägerelement (2) schwebend gegenüber der Waageeinheit (4) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Waagevorrichtung (10) zur Bereitstellung der schwebenden Lagerung über ein Magnetlager (5) verfügt und dass die Waagevorrichtung (10) zur Bereitstellung der Führung des Trägerelements (1) über ein Supraleiterlager (6) verfügt.
Waagevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager (5) die Gewichtskraft des Trägerelements (1) und des Objekts (3) aufnimmt.
Waagevorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Supraleiterlager (6) die Gewichtskraft des Trägerelements (1) und des Objekts (3) nicht aufnimmt.
Waagevorrichtung (10) nach einem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager (5) eine dem Trägerelement (1) zugeordnete erste Magnetanordnung (7) und eine der Waageeinheit (4) zugeordnete zweite Magnetanordnung (8) umfasst, zwischen denen eine Abstoßkraft (9) bereitgestellt wird.
Waagevorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstoßkraft (9) entgegengesetzt zur Gewichtskraft des zu wiegenden Objekts (3) wirkt.
Waagevorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Supraleiterlager (6) ausgebildet ist, eine Bewegung des Trägerelements (1) relativ zur Waageeinheit (4) in einer von der Richtung der Abstoßkraft (9) und/oder von der Richtung der Gewichtskraft des Objekts (3) verschiedenen Richtung zu sperren.
Waagevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Supraleiterlager (6) ausgebildet ist, eine Bewegung des Trägerelements (1) relativ zur Waageeinheit (4) in Richtung der Abstoßkraft (9) und/oder in Richtung der Gewichtskraft des Objekts (3) zuzulassen.
Waagevorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnungen (7, 8) jeweils einen Permanentmagneten und/oder einen Elektromagneten umfassen.
Waagevorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (2) mechanisch mit der Waageeinheit (4) gekoppelt ist.
Waagevorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Supraleiterlager (6) über eine dem Trägerelement (1) zugeordnete, konvex ausgestaltete erste Lagerkomponente und eine dem Führungselement (2) zugeordnete, konkav ausgestaltete zweite Lagerkomponente verfügt.
Waagevorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Supraleiterlager (6) über eine als Halbach-Array ausgeführte dritte Magnetanordnung (11) verfügt.
Waagevorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbach-Array an dem Trägerelement (1) angeordnet ist.