DE10247909A1

DE10247909A1 - Magnetisch gelagerter, berührungslos angetriebener und positionierter Conveyor

Info

Publication number: DE10247909A1
Application number: DE2002147909
Authority: DE
Inventors: Peter-Klaus. Prof.Dr.sc.techn.Dr.h Budig; Ralf Dr.-Ing. Werner; Werner Dip.-Ing. Wickleder
Original assignee: ELEK SCHE AUTOMATISIERUNGS und; Elektrische Automatisierungs- und Antriebstechnik Eaat Chemnitz GmbH
Current assignee: ELEK SCHE AUTOMATISIERUNGS und; Elektrische Automatisierungs- und Antriebstechnik Eaat Chemnitz GmbH
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2004-04-29

Abstract

Berührungslos gelagertes und berührungslos angetriebenes, gestopptes und positioniertes Conveyor-System. Das System ist magnetisch gelagert. Der Antrieb zur Beschleunigung und Verzögerung erfolgt durch lineare Asynchronmotoren in Lang- oder Kurzstatorausführung. Das Anhalten wird mittels einer Wirbelstrombremse realisiert, die durch einen Hubmagneten in Eingriff gebracht werden kann. Die Positionierung erfolgt durch im Carrier befindliche Permanentmagneten.

Description

Conveyor dienen zum Transport von, Gütern zwischen festgelegten Anfangs- und Endpunkten. Es kann sich dabei um Stück- oder Schüttgut handeln. Das vorliegende Thema betrifft Stückgüter. Deren Masse kann im Bereich von weniger als 1 kg bi zu einigen tausend kg variieren. die Umgebung für solche Transportaufgaben kann sein: Aussenraum mit Witterungseinfluss, Innenraum mit Gasen und Staub, Innenraum gepflegt und Clean-Room mit unterschiedlichen Reinheitsforderungen.
Bereits Anfang der 70iger Jahre wurde eine Stückgutförderanlage für den Werkzeugmaschinenbau als „System Prisma 2" bekannt. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass Transportpaletten mit einer Zuladung von ca. 2.000 kg beladen werden. diese werden mittels Luftpolster gelagert und durch Asynchronmotoren angetrieben. Deren Statoren sind längs der Fahrbahn in abständen zueinander angeordnet. Das Aluminium-Sekundärteil befindet sich dem Stator zugewandt, unter den Transportpaletten. Befinden sich die Paletten über einem Stator, so wird dieser eingeschaltet. Er entwickelt zwischen sich und dem Sekundärteil eine Schubkraft in Transporteinrichtung . Gemäß Impulssatz m×v = F×t(m = zu bewegende Masse, v = Endgeschwindigkeit der Masse, F = Schubkraft, t = Wirkzeit der Schubkraft)
bewegt sich die Palette mit der Geschwindigkeit v, wenn Stator und Sekundärteil außer eingriff gekommen sind. Dieses System verfügt über ein berührungsloses Antriebssystem. dieses kann auch für das „Anhalten der Palette dadurch genutzt werden, dass der Stator für die entgegen gesetzte Bewegungsrichtung eingeschaltet wird. die Positionierung erfolgt durch mechanische Anschläge. Nachteilig ist einmal der Bedarf an Druckluft für die Lagerung und zum anderen die mechanische Vorrichtung zum Positionieren.
Andere Palettentransportsysteme sind z. B. aus der Clean-Room Technik bekannt. Bei diesen erfolgt die Lagerung der Paletten – dort auch Carrier – genannt, durch Rollenpaare, von denen immer mehrere im Eingriff sind, so dass der Carrier einigermaßen „kippfest" bewegt wird. Unter „kippfest" soll verstanden werden, dass keine Bewegung stattfindet bei der sich der Carrier in Bewegungsrichtung neigt. die Antriebskraft wird mittels Reibrollen auf den Carrier übertragen. Das wird so gelöst, dass jedes x-te Rollenpaar der o.a. Lagerung von einem rotierenden Motor angetrieben wird. Diese Rollen erzeugen durch mechanische Wandlung des Drehmomentes der Rollen an der Reibfläche zwischen den Rollen und der Unterfläche des Caniers eine horizontale Kraft, die den Carrier antreibt. Durch Umkehr der Drehrichtung kann die Bewegungsrichtung umgekehrt werden. anhalten und Positionieren des Carriers erfolgt ebenfalls mittels Reibrollen. Derartige Antriebseinrichtungen werden weltweit in der Mikroelektronikindustrie z.B. zum Transport von Wafern eingesetzt Nachteilig sind bei diesen Systemen:

– Der Verschleiß hervorgerufen durch die Reibungskraft der Antriebsrollenpaar
– Nicht vermeidbare Kippbewegungen des Carriers infolge der endlichen Zahl der im Eingriff befindlichen Rollenpaare
– Verunreinigungen durch Lagerschmiermittel bei geschmierten Rollenlagern der Rollenpaare.

Die aufgeführten Nachteile bedingen eine Vereinreinigung der Clean-Room-Umgebung. Die aufgeführten nachteile der bekannten Lösungen sollen erfindungsgemäß vermieden werden. Das erfolgt durch die Kombination von:

– für die Lagerung durch die Verwendung eines passiven magnetischen Tragsystems
– für den Antrieb durch ein berührungsloses Antriebssystem mit flachen mehrphasigen Linearmotoren
– für die Bremsung und Positionierung durch ein Wirbelstrombremssystem

Lagerung

Werden Permanentmagnete gleicher Polarität gegenübergestellt, so stoßen sie sich ab. Befinden sie sich in symmetrischer Lage zueinander, so befinden sie sich im labilen Gleichgewicht. Geringste Kräfte reichen aus, sie aus dieser Lage zu bewegen. Daher muss das System durch Mechanismen in der symmetrischen Lage gehalten werden. Es liegt eine Transportbahn vor, die von Anfang bis zum Ende beidseitig mit Permanentmagnete gegenüber, die geometrisch sich im gleichen Abstand wie in der Transportbahn befinden. Es liegt ein berührungsloses passives Lagersystem vor. Um den Carrier stabil in der gewünschten Mittellage zu halten, wird der Carrier an den vier Ecken mit Führungsrollen versehen. Da die Querkräfte in der Nähe von „Null" liegen, sind sie nur die Kräfte in der Größenordnung kleiner 1 Newton zu bemessen. Hierfür sind „clean-room-taugliche" Rollenlager Stand der Technik. Eine Querführung des Carriers mittels Permanentmagneten ist wegen der Feststellungen von Earnshaw (1839, On the nature of the molecular forces, Trans. of the Cambridge Philosophical Society Vol. 7) nicht möglich.

Eine aktive Querführung ist möglich. Zu diesem Zweck wird längs der Fahrbahn (1.) ein Stahlband angeordnet. diesem stehen am Carrier elektrisch erregte Magnetsysteme gegenüber. Deren Abstand zum besagten Stahlband wird gemessen. Der Abstand kann dadurch geregelt auf ein vorgegebenes Maß eingehalten werden. Um Kippbewegungen um die senkrechte Achse zur Bewegungsrichtung zu vermeiden, sind zweckmäßigerweise vier solcher Magnetsysteme vorhanden. Eine Kombination von zwei Permanentsystemen und diesen gegenüberstehend zwei elektromagnetischen Systemen ist ebenfalls realisierbar (2.). die Tragkraft des Systems kann dadurch variiert werden, dass die Breite der Permanentmagnete im stehenden und bewegten Teil verändert wird. Weiterhin kann die Zahl der Permanentmagnete, die im Carrier angeordnet sind verändert werden. Um Kippbewegungen in Bewegungsrichtung zu vermeiden, können die im Carrier befindlichen Permanentmagnete, die gleichpolig zu den gegenüberstehenden Permanentmagneten sind, durch Permanentmagnete ergänzt werden, die gegenpolig sind.

Antrieb

Der Antrieb der Carrier erfolgt berührungslos dadurch, dass entlang der Fahrstrecke sich Statoren von Linearmotoren befinden, die im eingeschalteten Zustand ein magnetisches Wanderfeld in der gewünschten Richtung der Bewegung erzeugen. Der Carrier enthält an der Unterseite, dem Stator gegenüberstehend, das Sekundärteil des Linearmotors, das zweckmäßigerweise aus Aluminium besteht. Über diesem ist als magnetischer Rückschluss (3.) eine massive Stahlplatte angeordnet, über die sich der magnetische Fluss des Stator schließen kann und dadurch einen hinreichend kleinen Luftspalt für den Statorfluss gewährleistet. Die Konstruktion des Carvers kann vorsehen, dass dessen Grundplatte aus Aluminium gefertigt wird. diese enthält dann, über dem Stator angeordnet, den genannten magnetischen Rückschluss. die dicke der aluminiumplatte und des Eisenrückschlusses sind entsprechend der erforderlichen Schubkraft bemessen. Das gilt auch für Breite und Länge des Stators. die Breite des Eisenrückschlusses steht immer in Relation zur Breite des Stators. Der Stator kann als sog. Langstator längs der gesamten Fahrstrecke liegen oder als Pulsantrieb in einzelnen Statoren, die zueinander einen Abstand haben, aufgelöst sein. Im ersten Fall wirkt die Antriebskraft ständig längs der gesamten Fahrbahn. Im zweiten Fall liegt ein Pulsantrieb vor, bei dem das Sekundärteil immer dann einen Kraftimpuls erfährt, wenn es sich über einem Stator befindet und dieser eingeschaltet ist. für den Zusammenhang von Masse, Geschwindigkeit, Schubkraft und Wirkungsdauer der Schubkraft gilt beim Pulsbetrieb der Impulssatz

Bremsen / Positionieren

An der Stelle, an der der Carrier angehalten werden soll – und das ist immer eine Position an der auch ein Stator für den Antrieb stehen muss, damit der stehende Carrier wieder in Bewegung gesetzt werden kann – erfolgt das „Bremsen" des Carriers mittels einer Wirbelstrombremse. Hier befindet sich neben dem Antrieb Stator eine Anordnung von Permanentmagneten. diese sind mit wechselnder Polarität gemäß 4. auf einem Stahlblech befestigt, das zugleich als magnetischer Rückschluss dient. Das besagte Stahlblech ist an einer Seite mittels Blattfeder gelagert. Unter dem Einfluss der Schwerkraft und der magnetischen Anziehungskraft, die der Reaktionsmagnet an der Unterseite der Permanentmagnetleiste auf den fenomagnetischen Polkern ausübt, liegt das andere Ende auf einem Anschlag. Damit sind die Permanentmagnete weit genug von der Carrierunterseite entfernt. Die Wirbelströme, die zum Bremsen führen, sind daher vernachlässigbar klein. Die Bremskraft tritt nicht auf. Zum Zwecke des „Bremsens" wird mittels eines Magnetsystems die unten liegende Seite des Stahlbleches angehoben. Nun ist der Abstand Carrierunterseite und Permanentmagnetleiste klein genug, um eine Bremswirkung ausüben zu können. Das besagte Magnetsystem zum Bewegen der Permanentmagnetleiste ist so aufgebaut, dass sich einem elektrisch erregtem Magneten (5) ein Permanentmagnet gegenüber befindet. Dieser ist an der Unterseite der Permanentmagnetleiste angeordnet. Die Bewegung erfolgt so, dass der Elektromagnet an der Oberseite die gleiche Polarität besitzt wie der Permanentmagnet an der Unterseite der Permanentmagnetleiste. Nach dem Einschalten des Elektromagneten entsteht eine abstoßende Kraft, die die besagte Leiste anhebt und sie somit in eine magnetisch wirksame Position bringt. Die Bewegung wird in Hubrichtung durch einen Anschlag begrenzt. Um den Carrier zu Positionieren, befindet sich in diesem ein Permanentmagnet, dessen Polarität an der Unterseite der entspricht, die der erste Permanentmagnet der Permanentmagnetleiste hat. „Der erste" ist im Sinn der Bewegungsrichtung zu verstehen. Die Anordnung, Permanentmagnet im Carrier" und „erster Magnet" in der Permanentmagnetleiste bewirkt eine anziehende Kraft zwischen diesen beiden Magneten, die den Carrier in die gewünschte Lage zieht. Das erfolgt infolge der vernachlässigen Reibungskräfte mit einer Genauigkeit im Bereich von < 0,1 mm.

Im beschriebenen Antriebs- und Brems- / Positioniersystem mit verteilten Linearstatoren stehen die physikalischen Größen
zu bewegende Masse, Fahrgeschwindigkeit einerseits und Schubkraft und Einwirkzeit für Beschleunigung und Bremsung andererseits wegen des Impulssatzes in einem festen Verhältnis.

Das bedeutet, dass mittels der Steuerung der Einwirkzeit der Schubkraft und der magnetischen Dimensionierung der Bremsanordnung Zusammenhänge bestehen, die für die jeweiligen Antriebs-, Brems und Positionieraufgabe typisch sind.

Claims

Horizontales Antriebssystem für Carrier zum Beschleunigen, Bremsen und Positionieren desselben, dadurch gekennzeichnet dass die erforderlichen Kräfte zum Antreiben berührungslos durch flache Linearmotoren auf den Carrier so übertragen werden, dass Bewegungen und Verzögerungen in beiderlei Richtung realisiert werden können und dass die Lagerung des Carriers berührungslos durch ein passives permanentmagnetisches System erfolgt, was in der Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung und senkrecht zur Senkrechten entweder durch einen Rollenführung oder durch ein aktives Magnetsystem unterstützt wird und das zum Bremsen über ein Wirbelstrombremssystem verfügt die berührungslos arbeitet und dessen Positionierung durch Kombinationen von Permanentmagneten, die anziehende Kräfte erzeugen ebenfalls berührungslos erfolgt.
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Antriebsmotor ein Asynchronmotor ist
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Antriebsmotor ein Synchronmotor ist
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Stator des Linearmotors ein Langstatormotor ist, der entlang der gesamten Fahrstrecke Schubkräfte ausüben kann
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit aus einer Zahl von einzelnen Linearstatoren besteht, die auf den Carrier Antriebsimpulse übertragen
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Carrier das Sekundärteil des Linearmotors trägt.
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass da Sekundärteil aus Aluminium besteht
Horizontales Antriebsystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich über dem Sekundärteil zur Vergrößerung des Magnetfeldes des Stators ein ferromagnetischer Rückschluss befindet
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Carriergrundplatte aus Aluminium besteht
Horizontales Antriebssystem für Carrier dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Tragsystem aus zwei zueinander parallel angeordneten Leisten aus Permanentmagneten besteht, denen gleichpolige Magnetleisten im Carrier so gegenüberstehen, dass abstoßende Kräfte entstehen, die den Carrier tragen
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Tragkraft und der Schwebehöhe durch die Wahl der Länge der Magnetleisten im Carrier erfolgt
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Tragkraft und Schwebehöhe durch die Wahl der Breite der Permanentmagneten im stehenden Teil und im Carrier erfolgt.
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass Kippbewegungen des Carriers gegenüber der Horizontalen dadurch beseitigt werden, dass im Carrier Permanetmagneten mit anziehender und abstoßender Wirkung verwendet werden und sich diese in einer zweckmäßigen geometrischen Anordnung zueinander befinden
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Wirbelstrombremssystem aus einer Leiste von Permenentmagneten abwechselnder Polfolge besteht
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten auf einem magnetischen Rückschluss aus Stahl liegen 16. Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der stählerne Rückschluss an einem Ende biegeelastisch befestigt ist
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass eine Hubbewegung des stählernen Rückschlusses, der mit Permanentmagneten besetzt ist, durch einen Elektromagneten erfolgt, dem ein gleichpoliger Permanentmagnet gegenübersteht
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass es für die Bewegung des stählernen Rückschlusse Bewegungsbegrenzer gibt
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung des Carriers dadurch erfolgt, dass im Carrier befindliche Permanentmagneten mit dem jeweilig ersten Permanentmagneten der Bremsleiste durch Gegenpoligkeit der Permanentmagnete im Carrier und auf der Bremsleiste anziehende Kräfte erzeugen
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrgeschwindigkeit des Carriers bei verteilten Linearstatoren durch die Länge des Sekundärteiles bestimmt wird
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrgeschwindigkeit des Carriers durch die Wirkzeit der Schubkraft bestimmt wird
Horizontales Antriebssystem für Carrier nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Beschleunigungs-, Brems- und Positioniervorgänge durch eine elektrische Steuerung realisiert werden