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Die Erfindung betrifft Antriebsvorrichtung, die eine Statoranordnung mit einem hohlzylindrischen Statorabschnitt umfasst. Der Statorabschnitt definiert einen zylindrischen Statorabschnitt-Innenraum, in dem eine Läuferanordnung angeordnet ist. Die Läuferanordnung ist gegenüber dem Statorabschnitt antreibbar.
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Als Antriebsvorrichtung sind u.a. fluidische, insbesondere pneumatischen, Antriebszylinder weit verbreitet. Derartige Antriebszylinder haben einen zylindrischen Körper, in dem ein Kolben geführt wird. Der Kolben wird fluidisch, insbesondere pneumatisch, angetrieben.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Antriebsvorrichtung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Läuferanordnung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung umfasst einen Kryostat-Abschnitt, der in dem zylindrischen Statorabschnitt-Innenraum angeordnet ist. Der Kryostat-Abschnitt weist einen Kryostat auf, in dem wenigstens ein Supraleiterabschnitt angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung umfasst ferner eine Magnetanordnung, die außen an dem Statorabschnitt angeordnet ist. Die Magnetanordnung ist ausgebildet, ein Magnetfeld bereitzustellen. Das Magnetfeld stellt ein Flux-Pinning zu dem wenigstens einen Supraleiterabschnitt her. Die Magnetanordnung ist ferner ausgebildet, mittels des Flux-Pinnings die Läuferanordnung schwebend gegenüber dem hohlzylindrischen Statorabschnitt zu lagern und/oder anzutreiben.
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Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung findet demnach die Lagerung und/oder der Antrieb der Läuferanordnung schwebend mittels einer Supraleiterkopplung - nämlich mittels dem Flux-Pinning - statt. Insbesondere erfolgt bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung keine mechanische Lagerung der Läuferanordnung und/oder kein fluidischer Antrieb der Läuferanordnung.
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Mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung können daher (gegenüber einem konventionellen fluidischen Antriebszylinder) insbesondere die folgenden Vorteile erzielt werden: Vorzugsweise wird ein berührungsloser und/oder reibungsfreier Antrieb der Läuferanordnung gegenüber dem Statorabschnitt erzielt, insbesondere ohne Verschleiß. Ferner finden zweckmäßigerweise kein Stick-Slip-Effekt und/oder keine Erwärmung statt. Ferner wird zweckmäßigerweise ein geräuscharmer oder geräuschloser Antrieb erzielt. Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung insbesondere durch eine geringe Laufträgheit, eine hohe Dynamik und/oder höhere Beschleunigungen aus.
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Dadurch, dass die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung über den hohlzylindrischen Statorabschnitt verfügt, weist die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung die gleiche Grundgestalt wie ein konventioneller (z.B. fluidischer) Antriebszylinder auf. Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist aus diesem Grund sehr gut dafür geeignet, einen solchen konventionellen fluidischen Antriebszylinder zu ersetzen. Aufgrund Ihrer Grundgestalt kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zweckmäßigerweise auch als Antriebszylinder bezeichnet werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorzugsweise ist die Magnetanordnung ausgebildet, mittels des Flux-Pinnings die Läuferanordnung linear anzutreiben, so dass die Läuferanordnung relativ zum Statorabschnitt eine Läuferanordnungs-Linearbewegung durchführt.
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Vorzugsweise ist die Magnetanordnung ausgebildet, mittels des Flux-Pinnings die Läuferanordnung rotativ anzutreiben, so dass die Läuferanordnung relativ zum Statorabschnitt eine Läuferanordnungs-Drehbewegung durchführt.
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Vorzugsweise ist die Magnetanordnung ausgebildet, mittels des Flux-Pinnings die Läuferanordnung gleichzeitig linear und rotativ anzutreiben, so dass die Läuferanordnung relativ zum Statorabschnitt eine Läuferanordnungs-Schraubbewegung durchführt.
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Vorzugsweise umfasst die Magnetanordnung wenigstens einen Magnetabschnitt mit einem Permanentmagneten, der das Flux-Pinning bereitstellt. Die Magnetanordnung ist zweckmäßigerweise ausgebildet, den Magnetabschnitt in eine Bewegung, insbesondere eine Linearbewegung und/oder Drehbewegung zu versetzen, um die Läuferanordnung über das Flux-Pinning relativ zum Statorabschnitt anzutreiben.
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Vorzugsweise umfasst die Magnetanordnung wenigstens einen Elektromagneten umfasst, der das Flux-Pinning bereitstellt.
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Die Magnetanordnung ist vorzugsweise ausgebildet, mit dem Elektromagneten ein magnetisches Wanderfeld bereitzustellen, um die Läuferanordnung relativ zum Statorabschnitt anzutreiben.
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Vorzugsweise umgreift die Magnetanordnung den Statorabschnitt in Umfangsrichtung.
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Vorzugsweise umfasst die Magnetanordnung eine Mehrzahl an Magnetanordnungs-Segmenten, die beabstandet zueinander in Umfangsrichtung verteilt um den Statorabschnitt angeordnet sind.
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Vorzugsweise umfasst der Kryostat-Abschnitt eine Energieversorgungseinheit zur Energieversorgung des Kryostats.
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Vorzugsweise umfasst die Antriebsvorrichtung ferner einen am Statorabschnitt angeordneten Energiezufuhrabschnitt, der ausgebildet ist, drahtlos und/oder drahtgebunden Energie zu der Energieversorgungseinheit zu übertragen.
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Vorzugsweise umfasst die Läuferanordnung ferner ein an dem Kryostat-Abschnitt gekoppeltes Antriebselement, insbesondere eine Läuferstange, das aus dem Statorabschnitt-Innenraum herausragt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung. Das Verfahren umfasst den Schritt: Lagern und/oder Antreiben der Läuferanordnung relativ zum Statorabschnitt mittels des Flux-Pinnings.
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Weitere exemplarische Details sowie beispielhafte Ausführungsformen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Antriebsvorrichtung,
- 2 eine perspektivische Darstellung der Antriebsvorrichtung und
- 3 eine perspektivische Schnittdarstellung der Antriebsvorrichtung.
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Die 1, 2 und 3 zeigen eine exemplarische Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung 10, die eine Statoranordnung 2, eine Läuferanordnung 1 und eine Magnetanordnung 6 umfasst. Die Antriebsvorrichtung 10 kann auch als supraleitender Antrieb bezeichnet werden. Die Antriebseinrichtung 10 wird zweckmäßigerweise als Aktuator eingesetzt. Vorzugsweise wird die Antriebseinrichtung 10 in der Industrieautomation eingesetzt.
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Die Statoranordnung 2 weist einen hohlzylindrischen Statorabschnitt 3 auf, der einen zylindrischen Statorabschnitt-Innenraum 17 definiert. Der hohlzylindrische Statorabschnitt 3 hat exemplarisch die Form eines Rohrabschnitts und/oder eines Zylinders. Der zylindrische Statorabschnitt-Innenraum 17 ist insbesondere kreiszylindrisch. Der hohlzylindrische Statorabschnitt 3 und der zylindrische Statorabschnitt-Innenraum 17 erstrecken sich entlang einer (gedachten) Statorabschnitt-Längsachse. Exemplarisch ist die Erstreckung des hohlzylindrischen Statorabschnitts 3 entlang der Längsachse größer als der Durchmesser des Statorabschnitts 3. Der Statorabschnitt 3 ist vorzugsweise aus nicht-magnetischem Material gefertigt.
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Die Läuferanordnung 1 weist einen Kryostat-Abschnitt 4 auf. Exemplarisch weist die Läuferanordnung 1 ferner ein an dem Kryostat-Abschnitt 4 gekoppeltes Antriebselement 9 auf. Die Läuferanordnung 1 - also insbesondere der Kryostat-Abschnitt 4 und das Antriebselement 9 - weist zweckmäßigerweise die Grundgestalt eines Kolbens, insbesondere eines Kolbens mit einer Kolbenstange auf. Die Läuferanordnung 1 kann (in Analogie zu einem klassischen Antriebszylinder) auch als „Kolben“ bezeichnet werden. Der Kryostat-Abschnitt 4 hat zweckmäßigerweise eine zylindrische Grundgestalt und ist mit seiner (gedachten) Kryostat-Längsachse zweckmäßigerweise parallel und/oder koaxial zur Statorabschnitt-Längsachse ausgerichtet. Der Kryostat-Abschnitt 4 hat insbesondere eine kreiszylindrische Grundgestalt. Das Antriebselement 9 ist zweckmäßigerweise länglich, insbesondere zylindrisch und/oder stangenförmig ausgeführt. Das Antriebselement 9 ist zweckmäßigerweise eine Läuferstange. Die Läuferstange kann auch als Kolbenstange bezeichnet werden. Das Antriebselement 9 ist insbesondere in Richtung der Kryostat-Längsachse an den Kryostat-Abschnitt 4 angesetzt und erstreckt sich mit seiner Antriebselement-Längsachse zweckmäßigerweise parallel und/oder koaxial zur Kryostat-Längsachse. Das Antriebselement 9 weist zweckmäßigerweise einen geringeren Durchmesser auf als der Kryostat-Abschnitt 4 und/oder eine größere Länge als der Kryostat-Abschnitt 4.
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Exemplarisch ist der Kryostat-Abschnitt 4 in dem zylindrischen Statorabschnitt-Innenraum 17 angeordnet, insbesondere vollständig. Exemplarisch bleibt der Kryostat-Abschnitt 4 während des Antriebs der Läuferanordnung 1 im Statorabschnitt-Innenraum 17, insbesondere vollständig. Das Antriebselement 9 ragt exemplarisch aus dem Statorabschnitt-Innenraum 17 heraus. Das Antriebselement 9 ist zweckmäßigerweise nur teilweise in dem Statorabschnitt-Innenraum 17 angeordnet. Der Kryostat-Abschnitt 4 ist zweckmäßigerweise über das Antriebselement 9 mit einem zu betätigenden (in den Figuren nicht gezeigten) Element, beispielsweise einem Endeffektor und/oder einem Werkstück, verbunden.
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Der Kryostat-Abschnitt 4 umfasst einen Kryostat 18. Der Kryostat ist zweckmäßigerweise als Rund-Kryostat ausgeführt. Zweckmäßigerweise wird der Kryostat-Abschnitt 4 (insbesondere ausschließlich) von dem Kryostat 18 gebildet, so dass der Kryostat 18 zweckmäßigerweise die Außenkontur des Kryostat-Abschnitts 4 definiert. Der Kryostat 18 hat insbesondere eine zylindrische Form und erstreckt sich zweckmäßigerweise koaxial zur Kryostat-Längsachse. Der Kryostat 18 hat insbesondere eine kreiszylindrische Grundgestalt. Der Kryostat 18 ist zweckmäßigerweise vollständig in dem Statorabschnitt-Innenraum 17 angeordnet.
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In dem Kryostat 18 ist wenigstens ein Supraleiterabschnitt 5 angeordnet. Der Kryostat 18 ist ausgebildet, den Supraleiterabschnitt 5 auf oder unter seine Sprungtemperatur zu kühlen. Der Supraleiterabschnitt 5 ist insbesondere ein Supraleiter zweiter Art, vorzugsweise ein keramischer Hochtemperatursupraleiter. Exemplarisch umfasst der Supraleiter YBaCuO (Yttrium-Barium-Kupferoxid) und/oder BiSrCaCuO (Bismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid). Der Supraleiterabschnitt 5 ist zweckmäßigerweise unbestromt und wird insbesondere nicht als elektrischer Leiter und/oder nicht als Elektromagnet verwendet.
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Die Magnetanordnung 6 ist außen an dem Statorabschnitt 3 angeordnet. Exemplarisch ist die Magnetanordnung 6 außen an der Mantelfläche des zylindrischen Statorabschnitts 3 angeordnet. Zweckmäßigerweise umgreift die Magnetanordnung 6 den Statorabschnitt 3 in Umfangsrichtung des Statorabschnitts 3. Der Statorabschnitt 3 erstreckt sich also durch die Magnetanordnung 6 hindurch. Die Erstreckung der Magnetanordnung 6 in Richtung der Statorabschnitt-Längsachse ist zweckmäßigerweise geringer als die Erstreckung des Statorabschnitts 3 in diese Richtung. Exemplarisch umfasst die Magnetanordnung 6 eine Mehrzahl an Magnetanordnungs-Segmenten 7, die beabstandet zueinander in Umfangsrichtung verteilt um den Statorabschnitt 3 angeordnet sind. Die Magnetanordnungs-Segmente 7 sind zweckmäßigerweise mit ihren Segment-Längsachsen parallel zur Statorabschnitt-Längsachse ausgerichtet. Vorzugsweise sind die Magnetanordnungs-Segmente 7 unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung verteilt um den Statorabschnitt 3 angeordnet. Exemplarisch sind wenigstens vier Magnetanordnungs-Segmente 7 vorhanden. Zweckmäßigerweise befindet sich der Kryostat 18 in Richtung der Statorabschnitt-Längsachse in dem gleichen Bereich - insbesondere auf der gleichen Höhe - wie die Magnetanordnungs-Segmente 7. Jedes Magnetanordnungs-Segment 7 umfasst zweckmäßigerweise einen Permanentmagneten und/oder einen Elektromagneten zum Lagern und/oder Antreiben der Läuferanordnung 1.
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Gemäß einer möglichen (in den Figuren nicht gezeigten) Ausgestaltung umfasst die Magnetanordnung 6 wenigstens einen Magnetring, der den Statorabschnitt 3 umgreift. Der Magnetring weist zweckmäßigerweise einen Permanentmagneten und/oder einen Elektromagneten auf. Der Magnetring kann zweckmäßigerweise auch als elektrischer Magnetring bezeichnet werden.
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Die Magnetanordnung 6 ist ausgebildet, ein Magnetfeld bereitzustellen, das ein Flux-Pinning zu dem wenigstens einen Supraleiterabschnitt 5 herstellt. Das Magnetfeld verläuft zweckmäßigerweise durch den Statorabschnitt 3 in den Kryostat 18 zu dem Supraleiterabschnitt 5. Der Supraleiterabschnitt 5 und die Magnetanordnung 6 sind über den Flux-Pinning-Effekt (auch als Flussverankerung bekannt) miteinander gekoppelt. Insbesondere besteht eine kontaktlos kraftübertragende Wechselwirkung zwischen dem Supraleiterabschnitt 5 und dem Magnetfeld der Magnetanordnung 6. In dem Supraleiterabschnitt 5 ist zweckmäßigerweise ein Magnetfeldlinienverlauf eingeprägt, der bestimmt, wie sich der Supraleiterabschnitt 5 relativ zu der Magnetanordnung 6 verhält. Die Einprägung des Magnetfeldlinienverlaufs erfolgt beispielsweise dadurch, dass der Supraleiterabschnitt 5 dem einzuprägenden Magnetfeld ausgesetzt wird und in diesem Zustand von einer Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur auf oder unter die Sprungtemperatur abgekühlt wird. Bei dem Magnetfeld kann es sich beispielsweise um das von der Magnetanordnung 6 bereitgestellte Magnetfeld handeln. Die Magnetanordnung 6 strebt relativ zum Supraleiterabschnitt 5 stets diejenige Position an, bei der der Verlauf des den Supraleiterabschnitt 5 durchdringenden Magnetfelds dem eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf entspricht.
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Die Magnetanordnung 6 ist ausgebildet, mittels des Flux-Pinnings die Läuferanordnung 1 schwebend gegenüber dem hohlzylindrischen Statorabschnitt 3 zu lagern und/oder anzutreiben. Zweckmäßigerweise erfolgt die Lagerung und/oder der Antrieb der Läuferanordnung 1 kontaktlos - also ohne Berührung zwischen dem Statorabschnitt 3, insbesondere der Innenseite des Statorabschnitts 3, und der Läuferanordnung 1, insbesondere der Außenseite der Läuferanordnung 1, beispielsweise der äußeren Mantelfläche des zylindrischen Kryostat-Abschnitts 4.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Magnetanordnung 6 ausgebildet, mittels des Flux-Pinnings die Läuferanordnung 1 linear anzutreiben, so dass die Läuferanordnung 1 relativ zum Statorabschnitt 3 eine Läuferanordnungs-Linearbewegung 11 durchführt. Die Läuferanordnungs-Linearbewegung 11 verläuft insbesondere parallel und/oder koaxial zur Statorabschnitt-Längsachse. Zweckmäßigerweise verbleibt der Kryostat-Abschnitt 4 bei der Durchführung der Läuferanordnungs-Linearbewegung 11 vollständig in dem Statorabschnitt-Innenraum 17.
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Zweckmäßigerweise ist die Magnetanordnung 6 ausgebildet, mittels des Flux-Pinnings die Läuferanordnung 1 rotativ anzutreiben, so dass die Läuferanordnung 1 relativ zum Statorabschnitt 3 eine Läuferanordnungs-Drehbewegung 12 durchführt. Die Läuferanordnungs-Drehbewegung 12 erfolgt insbesondere um eine Drehachse, die parallel und/oder koaxial zur Statorabschnitt-Längsachse verläuft. Zweckmäßigerweise verbleibt der Kryostat-Abschnitt 4 bei der Durchführung der Läuferanordnungs-Drehbewegung 12 vollständig in dem Statorabschnitt-Innenraum 17.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist die Magnetanordnung 6 ausgebildet, mittels des Flux-Pinnings die Läuferanordnung 1 gleichzeitig linear und rotativ anzutreiben, so dass die Läuferanordnung 1 relativ zum Statorabschnitt 3 eine Läuferanordnungs-Schraubbewegung durchführt.
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Bevorzugt ist die Magnetanordnung 6 ausgebildet, die Läuferanordnung 1 wahlweise in eine rotative Bewegung, eine lineare Bewegung, oder (mittels Überlagerung eines rotativen und linearen Antriebs) in eine Schraubbewegung zu versetzen. Insbesondere ist die Antriebsvorrichtung 10 ausgebildet, zwischen verschiedenen Antriebsmodi - insbesondere einem Linearantrieb, einem Drehantrieb und/oder einem Schraubantrieb - umzuschalten.
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Der Antrieb der Läuferanordnung 1, insbesondere des Kryostaten 18 (mit integriertem Supraleiterabschnitt 5) erfolgt zweckmäßigerweise von der Außenseite des zylinderförmigen Statorabschnitts 3. Der Antrieb der Läuferanordnung 1 erfolgt insbesondere berührungslos.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Magnetanordnung 6 wenigstens einen Magnetabschnitt 8 mit einem Permanentmagneten, der das Flux-Pinning bereitstellt. Exemplarisch ist der Magnetabschnitt 8 außen an dem Statorabschnitt 3, beispielsweise in einem Magnetanordnungs-Segment 7, angeordnet. Die Magnetanordnung 6 ist ausgebildet, den Magnetabschnitt 8 in eine Bewegung, insbesondere eine Linearbewegung 21 und/oder eine Drehbewegung 22 zu versetzen, um die Läuferanordnung 1 relativ zum Statorabschnitt 3 anzutreiben. Die Linearbewegung 21 und/oder die Drehbewegung 22 erfolgen insbesondere relativ zum Statorabschnitt 3. Zweckmäßigerweise umfasst die Magnetanordnung 6 eine (in den Figuren nicht gezeigte) Antriebseinheit, insbesondere eine mechanische Antriebseinheit, um den Magnetabschnitt 8 in die Linearbewegung 21 und/oder die Drehbewegung 22 zu versetzen.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung umfasst die Magnetanordnung 6 wenigstens einen Elektromagneten, der das Flux-Pinning bereitstellt. Beispielsweise ist der Elektromagnet außen an dem Statorabschnitt 3, beispielsweise in einem Magnetanordnungs-Segment 7, angeordnet. Die Magnetanordnung 6 ist ausgebildet, mit dem Elektromagneten ein magnetisches Wanderfeld bereitzustellen, um die Läuferanordnung 1 über das Flux-Pinning relativ zum Statorabschnitt 3 anzutreiben. Zweckmäßigerweise ist die Magnetanordnung 6 ausgebildet, über eine Veränderung der Bestromung des Elektromagneten die Bewegung des Wanderfelds und damit den Antrieb der Läuferanordnung 1 anzupassen.
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Die Lagerung der Läuferanordnung 1 gegenüber dem Statorabschnitt 3 erfolgt zweckmäßigerweise mittels des Flux-Pinnings. Vorzugsweise erfolgt die Lagerung der Läuferanordnung mittels des Permanentmagneten und/oder mittels des Elektromagneten der Magnetanordnung 6. Die Lagerung erfolgt berührungslos und kann auch als berührungslose Führung bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise ist der Supraleiterabschnitt 5 (und dadurch die Läuferanordnung 1) durch das Flux-Pinning in einem bestimmten Abstand mit dem Permanentmagnet und/oder dem Elektromagnet gekoppelt.
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Zweckmäßigerweise umfasst der Kryostat-Abschnitt 4 eine Energieversorgungseinheit 15 zur Energieversorgung des Kryostats 18. Die Energieversorgungseinheit 15 ist beispielsweise ausgebildet, drahtlos und/oder drahtgebunden elektrische Energie zu empfangen und diese Energie dem Kryostat 18 bereitzustellen, so dass der Kryostat 18 unter Verwendung dieser Energie den Supraleiterabschnitt 5 kühlen kann. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst die Energieversorgungseinheit 15 einen Energiespeicher, beispielsweise einen Akku, um die elektrische Energie für den Kryostaten 18 zu speichern.
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Die Antriebsvorrichtung 10 umfasst exemplarisch ferner einen am Statorabschnitt 3 angeordneten Energiezufuhrabschnitt 16. Der Energiezufuhrabschnitt 16 ist zweckmäßigerweise außen an dem Statorabschnitt 3 angeordnet, insbesondere in der Magnetanordnung 6, vorzugsweise in einem Magnetanordnungs-Segment 7. Der Energiezufuhrabschnitt 16 ist ausgebildet, drahtlos und/oder drahtgebunden Energie zu der Energieversorgungseinheit 15 zu übertragen. Exemplarisch verläuft ein Kabel (z.B. mit einem 24V-Anschluss) von dem Energiezufuhrabschnitt 16 zu dem Kryostat-Abschnitt 4, beispielsweise durch eine Öffnung in dem Statorabschnitt 3. Ferner ist der Energiezufuhrabschnitt 16 zweckmäßigerweise ausgebildet, der Energieversorgungseinheit die elektrische Energie berührungslos mittels Induktion zuzuführen.
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Exemplarisch wird die Antriebsvorrichtung 10 dazu verwendet, um einen fluidischen Antriebszylinder einer Anlage zu ersetzen, insbesondere gemäß einem Verfahren mit den folgenden Schritten: Ausbauen, aus der Anlage, des fluidischen Antriebszylinders und Einsetzen, in die Anlage, der Antriebsvorrichtung 10 anstelle des fluidischen Antriebszylinders.
