DE19960321A1 - Vorrichtung zur elektromagnetischen Levitation von Objekten - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Levitation von Objekten besteht aus einer bodengebundenen Anordnung von Magneten und stromdurchflossenen Magnetspulen und einem über dieser bewegbaren, ebenfalls mit Magneten versehenen Festkörper, wobei die magnetischen Felder der bodengebundenen und der im Festkörper vorhandenen Magnete einander entgegengesetzt gerichtet sind. Die Feldstärke der Magnetspulen ist regelbar und diese sind zusammen mit den Permanentmagneten an bzw. in einer Basisplatte angeordnet. Die Magnetspulen sind mit einer Steuereinheit verbunden und können in ihrer magnetischen Feldstärke verändert werden, um den Flugkörper in einer dreidimensionalen Flugbahn oberhalb der Basisplatte zu bewegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Levitation von Objekten, bestehend aus einer bodengebundenen Anordnung von Magneten und aktiv ansteuerbaren Magneten sowie einem über dieser bewegbaren, ebenfalls mit Magneten versehenen Festkörper, wobei die magnetischen Felder der bodengebundenen und der im Festkörper vorhandenen Magnete einander entgegengesetzt gerichtet sind und wobei die das Feldstärkeprofil der bodengebundenen Magnete regelbar ist.

Die Ausnutzung des Effektes der elektromagnetischen Levitation ist bereits für eine Reihe unterschiedlicher technischer Anwendungen bekannt. Hierzu gehören die behälterfreie Handhabung metallischer Schmelzen ebenso wie die Levitation von nichtmagnetischen Festkörpern, Gas- und Flüssigkeitsvolumina mittels einer diese umgebenden magnetischen Flüssigkeit. Ferner ist unter dem Warenzeichen "Levitron" ein Spielzeug bekannt geworden, bei dem ein Magnetkreisel nach anfänglichem mechanischen Anheben von selbst über einer magnetischen Basis zu schweben beginnt. Schließlich stellt die Magnetschwebebahn eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dar, bei der das Fahrzeug durch eine lineare Anordnung seitlich wirkender Magnet längs einer Schiene vom Schienenkörper ferngehalten wird, während der Vortrieb über einen elektrischen Linearmotor mit translatorisch wirkender Antriebskraft erzeugt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich der Festkörper in Form eines Flugobjektes über einer Basisfläche mit möglichst geringem Energieaufwand dreidimensional stabil und kontrolliert bewegen läßt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß sie bei einer derartigen Vorrichtung vorsieht, daß die bodengebundenen Magnete an diskreten Punkten in einer zweidimensionalen flächenhaften Anordnung positioniert sind, wobei zumindest einige dieser Magnete als in ihrer oberhalb des Bodens wirksamen magnetischen Feldstärke veränderbare, mit einer Steuereinheit verbundene Magnete ausgebildet sind, und daß der Festkörper ebenfalls Magnete in flächiger Anordnung aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß durch eine Überlagerung der Magnetfelder geeignet angeordneter und angesteuerter Magnete in, auf oder unter einer Bodenfläche ein Magnetfeld mit einem nicht-ebenen Feldstärkeprofil aufgebaut werden kann, wodurch die Position des Flugkörpers über dieser Fläche in allen drei Richtungen absolut frei wählbar ist. Die Lage von Maxima und Minima der magnetischen Feldstärke über dieser Fläche und ihre jeweilige Amplitude läßt sich durch die Steuereinheit mittels eines entsprechenden Steuerprogramms in beliebiger Auflösung regeln.

Da der Flugkörper selbst keinen eigenen Antrieb benötigt, ist demzufolge auch keine eigene Energiezufuhr oder -speicherung für diesen erforderlich. Im Gegensatz zur Magnetschwebebahn, bei der die seitlichen Kräfte von der Schienentrasse aufgenommen werden, benötigt die Vorrichtung nach der Erfindung keine mechanischen Leitelemente wie Schienen oder dergleichen. Vielmehr erfolgt die Kontrolle und Begrenzung der seitlichen Bewegung ausschließlich über eine Variation der magnetischen Feldstärke in dieser Richtung, wobei das Objekt frei im Raum schwebt und jede beliebige Bahn über der Fläche mit variabler Geschwindigkeit "fliegen" kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich für eine Vielzahl von Einsatzfällen, darunter auch im Bereich des Modellbaus und für den Bau von Demonstrationsobjekten, beispielsweise von Raumflugkörpern wie der internationalen Raumstation ISS, die sich, wie von Geisterhand bewegt, über einer Fläche bewegen und dabei ohne Probleme angefaßt werden können.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Levitationsanordnung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Darstellung des Verlaufs der magnetischen Feldstärke über der Anordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 einen Teil der Anordnung nach Fig. 1 in Draufsicht.

Die in den Figuren dargestellte Anlage mit einem frei über einer Fläche schwebenden Flugkörper besteht aus einer Basisplatte 1, an deren Unterseite eine Anzahl von Magneten 2, 3 angeordnet ist. Einige dieser Magnete sind als stromdurchflossene Magnetspulen 3 ausgebildet, während der größere Teil aus Permanentmagneten 2 besteht. Die Magnetspulen 3 sind mit einer in den Figuren nicht dargestellten Steuereinheit verbunden, über die der Stromfluß durch die Spulen und damit die magnetische Feldstärke H oberhalb dieser Magnetspulen 3 geregelt und variiert werden kann. Auf diese Weise läßt sich oberhalb der Basisplatte 1 eine variable Feldstärkenverteilung einstellen etwa der Art, wie sie für eine Koordinatenrichtung, in diesem Fall die X- Richtung, in Fig. 2 dargestellt ist.

Oberhalb der Basisplatte 1, die im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels die in Fig. 3 gezeigte flächenhafte Ausdehnung aufweist, kann ein Flugkörper 4 frei in allen drei Richtungen des Raumes bewegt werden. Der Flugkörper 4 ist, wie Fig. 1 zeigt, auf seiner Unterseite ebenfalls mit einer Reihe von Permanentmagneten 5 versehen, deren Polung derjenigen der in der Basisplatte 1 angeordneten Magneten 2 und 3 entgegengerichtet ist. Dadurch wirkt auf den Flugkörper 4 eine abstoßende Kraft, die ihn oberhalb der Basisplatte 1 schweben läßt.

Durch eine lokale Erhöhung des Stromes in einer der Magnetspulen 3 und damit der magnetischen Feldstärke oberhalb dieser Spule wird über eine geeignete Ansteuerung bewirkt, daß sich der Flugkörper von diesem Ort entfernt. Eine stetige Änderung der Auswahl der angesteuerten Magnetspulen 3 entsprechend der jeweiligen Position des Flugkörpers 4, vorzugsweise über ein entsprechend konfiguriertes Steuerprogramm, führt so zu einer stetigen Bewegung dieses Flugkörpers 4 oberhalb der Basisplatte 1. Aufgrund der flächenhaften Anordnung der Magnete 2 und 3 kann der Flugkörper 4 jede beliebige Flugbahn über der Fläche ausführen. Durch die Ansteuerung mehrerer Magnetspulen 3 gleichzeitig kann zudem seine Flughöhe variiert werden. Stärkere Magnetfelder im Randbereich der Basisplatte 1 verhindern, daß der Flugkörper 4 den Bereich der Basisplatte 1 verläßt.

Wichtig für eine störungsfreie Funktion der Vorrichtung ist eine richtige Anordnung der Magnete 2, 3 und 5. Der Abstand der Magnete 2, 3 in der Basisplatte 1 muß so gewählt sein, daß zwischen ihnen Bereiche mit geringerer Magnetfeldstärke existieren, so daß der Flugkörper 4 gleichsam in diese stabilen Potentialtöpfe fallen kann. Die am Flugkörper 4 angebrachten Magnete 5 andererseits müssen räumlich so verteilt sein, daß eine flächenhafte Erstreckung aufweisen, in der sie sich weitgehend parallel zur Basisplatte 1 ausrichten und dadurch eine Drehung des Flugkörpers 4 um seine Längsachse verhindert wird. Der Flugkörper 4 kann dabei durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch mechanisches Anstoßen, in Bewegung versetzt werden.

Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, alle in bzw. an der Basisplatte 1 befindlichen Permanentmagnete 2 durch ansteuerbare Magnetspulen 3 zu ersetzen, um auf diese Weise die Variabilität der möglichen Bahnkurven noch weiter zu erhöhen.

Anstelle der lokalen Veränderung der Magnetfeldstärke durch geeignete Ansteuerung einzelner Elektromagnete kann durch mechanische Bewegung eines Magneten von der Basisplatte weg oder näher an sie heran die oberhalb der Basisplatte wirksame Feldstärke beeinflußt werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur elektromagnetischen Levitation von Objekten, bestehend aus einer bodengebundenen Anordnung von Magneten und aktiv ansteuerbaren Magneten sowie einem über dieser bewegbaren, ebenfalls mit Magneten versehenen Festkörper, wobei die magnetischen Felder der bodengebundenen und der im Festkörper vorhandenen Magnete einander entgegengesetzt gerichtet sind und wobei die das Feldstärkeprofil der bodengebundenen Magnete regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die bodengebundenen Magnete (2, 3) an diskreten Punkten in einer zweidimensionalen flächenhaften Anordnung positioniert sind, wobei zumindest einige dieser Magnete (2, 3) als in ihrer oberhalb des Bodens wirksamen magnetischen Feldstärke veränderbare, mit einer Steuereinheit verbundene Magnete (3) ausgebildet sind, und daß der Festkörper (4) ebenfalls Magnete (5) in flächiger Anordnung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bodengebundenen Magnete (2, 3) an einer Basisplatte (1) so angeordnet sind, daß sich oberhalb der Bodenplatte ein geeignetes Magnetfeldstärkeprofil ergibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder sämtliche bodengebundenen Magnete als Magnetspulen (3) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder sämtliche bodengebundene Magnete (3) in ihrem Abstand zur Basisplatte veränderbar angebracht sind.