DE4341661A1 - Magnetschwebeanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetschwebeanordnung zum (freien) Schwebenlassen eines Schwebeobjekts (einer Transporteinheit) unter Nutzung einer magnetischen An­ ziehungskraft und insbesondere eine magnetische Schwebe­ anordnung mit verbesserter Wartbarkeit der Anordnung.

Neuerdings wird als Teil der Büroautomation verbreitet eine Transportanordnung zum Transportieren von Halbfer­ tigprodukten und Dokumenten zwischen mehreren Stellen in einem Gebäude eingesetzt. Die Transportanordnung für diesen Zweck muß Gegenstände schnell und geräuscharm transportieren können. Zudem muß die Transportfahrzeug in einem sehr sauberen Raum, etwa einem Reinluftraum, eingesetzt werden, damit im Betrieb kein Staub ent­ steht.

Um diesen Bedingungen zu genügen, verwendet eine derar­ tige Transportanordnung ein System, bei dem ein Trans­ portfahrzeug berührungsfrei (schwebend) auf einer Schie­ ne geführt ist. Insbesondere ist ein System, bei dem ein Transportfahrzeug durch magnetische Anziehungskraft in einem berührungsfreien Zustand gehalten wird, bezüg­ lich der Führung durch eine Führungsschiene und der Ver­ meidung von Geräusch- und Staubentwicklung ausgezeich­ net.

Wenn bei dem System zum Tragen des Transportfahrzeugs durch magnetische Anziehung die gesamte, hierfür erfor­ derliche Magnetkraft durch Elektromagnete erzeugt wird, müssen letztere ständig an Spannung liegen, was einen erhöhten Energie- bzw. Stromverbrauch bedeutet.

Im Hinblick auf diese Gegebenheiten haben die Erfinder (bereits) eine Schwebetransportanordnung eines sog. Nullrückkopplungsregelsystems (im folgenden als "Nullei­ stungsregelung oder -steuerung" (zero power control) be­ zeichnet) vorgeschlagen (vgl. JP-Patentanmeldung KOKAI 61-102105). Bei dieser Anordnung ist eine magnetische Trageinheit durch einen Elektromagneten und einen Perma­ nent- bzw. Dauermagneten gebildet. Der größte Teil der für das berührungsfreie Tragen erforderlichen Magnet­ kraft wird dabei unter Minderung des Strombedarfs vom Dauermagneten geliefert.

Um die Schwebe-Transportanordnung des Nulleistungssteu­ ersystems stabil zu betreiben, reicht eine einzige ma­ gnetische Trageinheit für das Tragen des Transportfahr­ zeugs (nicht) aus. Normalerweise müssen zwei oder mehr magnetische Trageinheiten (z. B. vier Einheiten an den vier Ecken des Transportfahrzeugs) vorgesehen sein. Im Fall von vier Trageinheiten ist es zweckmäßig, daß das Gewicht der gesamten Schwebeeinheit in Einheiten von 1/4 ständig auf die magnetischen Trageinheiten ein­ wirkt. In der Praxis besteht jedoch dabei ein Ungleich­ gewicht in der Gewichtsverteilung, was zu dem im folgen­ den angegebenen Problem führt.

Die vier magnetischen Trageinheiten sind sämtlich am Transportfahrzeug befestigt. Wenn Spaltlängen zur Erzeu­ gung von Anziehungskraft gleich dem Gewicht bestimmt werden, das durch die Magnetkraft der in drei der vier magnetischen Trageinheiten enthaltenen Dauermagnete ge­ tragen werden kann, wird eine Spaltlänge der restlichen magnetischen Trageinheit geometrisch durch die Positio­ nen der drei magnetischen Trageinheiten bestimmt. Folg­ lich stimmt die tatsächliche Spaltlänge der restlichen magnetischen Trageinheit nicht notwendigerweise mit einer theoretischen Spaltlänge zur Erzeugung der Anzie­ hungskraft zum Tragen des dieser magnetischen Tragein­ heit zugewiesenen Gewichts überein.

Beispielsweise kann eine Spaltlänge, die theoretisch für das Tragen einer Last von 2 kg ausgelegt ist, über geometrische Bedingungen zwangsweise auf eine Spalt­ länge zum Tragen einer Last von 3 kg geändert werden. Um eine Spaltlängendifferenz auszuschließen, werden daher die Elektromagnete der magnetischen Trageinheiten übermäßig stark erregt, so daß sich die allen Elektroma­ gneten zugespeiste Strommenge vergrößert. Demzufolge muß eine Stromversorgung einer großen Kapazität vorgese­ hen werden, wodurch sich die Abmessungen der Gesamtan­ ordnung vergrößern.

Zur Lösung dieses Problems haben die Erfinder eine nach­ stehend beschriebene magnetische Schwebe-Transportan­ ordnung vorgeschlagen (vgl. JP-Patentanmeldung KOKAI 1-45734), bei welcher insbesondere Paare von magneti­ schen Trageinheiten vorgesehen sind, von denen jedes Paar durch eine getrennte Teilungs- oder Trennplatte ge­ tragen wird. Die Trennplatten sind durch einen Koppelme­ chanismus so gekoppelt, daß sie in einer zur Unterseite der Führungsschiene senkrechten Ebene drehbar sind. Wei­ terhin ist dabei das Transportfahrzeug an einer der Trennplatten befestigt oder entsprechend der Trennplat­ te unterteilt bzw. geteilt. Bei dieser Konstruktion kann jede magnetische Trageinheit Bewegungsfreiheit in der Richtung der Spaltlänge aufweisen. Dadurch kann jede Spaltlänge automatisch auf eine solche Größe einge­ stellt werden, bei welcher die Anziehungskraft erzeugt wird, die zum Tragen des theoretisch jeder magnetischen Trageinheit zugewiesenen (shared) Gewichts nötig ist.

Bei diesem spaltvariablen Mechanismus verbleibt jedoch noch ein (anderes) Problem. Wenn eine als massiver Kör­ per angesehene Last auf das Transportfahrzeug der Schwe­ be-Transportanordnung mit dem spaltvariablen Mechanis­ mus aufgesetzt wird, ist das Gewicht der Last auf höch­ stens drei magnetische Trageinheiten verteilt. Der Grund hierfür ist im folgenden angegeben.

Bei Ausführung der Nulleistungssteuerung wird die Spalt­ länge zwischen jeder magnetischen Trageinheit und einer Führungsschiene auf eine solche Größe eingestellt, daß die Summe aus dem Gewicht einer jeden magnetischen Trag­ einheit und der auf jede dieser Einheiten einwirkenden Last der Anziehungskraft eines jeden Dauermagneten gleich ist. Die Spaltlänge zwischen jeder magnetischen Trageinheit und der Führungsschiene verkleinert sich mit einer Erhöhung des zu tragenden Gewichts und vergrö­ ßert sich mit einer Verringerung des zu tragenden Ge­ wichts, wie dies aus Fig. 8 hervorgeht.

Es sei angenommen, daß eine als massiver Körper anzu­ sehende Last auf das Transportfahrzeug mit dem spaltva­ riablen Mechanismus und vier magnetischen Trageinheiten aufgesetzt wird oder ist. Wenn dabei der Schwerpunkt der Last selbst außermittig liegt oder eine externe Kraft auf das Fahrzeug einwirkt, erfährt das auf die vier magnetischen Trageinheiten einwirkende Gewicht der Last eine Zunahme oder Abnahme.

Bei der magnetischen Trageinheit mit dem erhöhten Last­ gewicht verkleinert sich die Spaltlänge zwischen dieser Einheit und der Führungsschiene. Bei der ein verringer­ tes Lastgewicht aufweisenden (tragenden) magnetischen Trageinheit vergrößert sich andererseits der Spalt zwi­ schen dieser Einheit und der Führungsschiene. Der Trag­ punkt, an dem das Lastgewicht auf die erstgenannte ma­ gnetische Trageinheit einwirkt, verschiebt sich daher aufwärts, während sich der Tragpunkt, an dem das Last­ gewicht auf die letztgenannte (magnetische) Trageinheit ausgeübt wird, nach unten verschiebt. Das gesamte Last­ gewicht bleibt unverändert; die magnetische Anziehungs­ kraft zwischen der magnetischen Trageinheit und der Füh­ rungsschiene ist (dabei) dem Quadrat der Spaltlänge um­ gekehrt proportional. Das an dem abwärts verschobenen Tragpunkt getragene Gewicht wird mithin zum aufwärts verschobenen Tragpunkt hinzuaddiert, während das Last­ gewicht am abwärts verschobenen Tragpunkt um die Größe reduziert wird, die zum aufwärts verschobenen Tragpunkt hinzuaddiert oder -gefügt ist. Die Spaltlänge der das verringerte Lastgewicht aufweisenden magnetischen Trag­ einheit verkleinert sich folglich weiter, während sich der Tragpunkt, an welchem das Lastgewicht auf die magne­ tische Trageinheit ausgeübt worden ist, weiter aufwärts verlagert. Außerdem vergrößert sich die Spaltlänge der das verringerte Lastgewicht aufweisenden magnetischen Trageinheit weiter, während sich der Tragpunkt, an wel­ chem das Lastgewicht auf die magnetische Trageinheit ausgeübt worden ist, weiter abwärts verlagert.

Dieser Vorgang wiederholt sich; als Ergebnis wird das Lastgewicht von höchstens drei magnetischen Trageinhei­ ten getragen, die mindestens nötig sind, um den massi­ ven Körper zu tragen. Auch wenn die Last auf das Trans­ portfahrzeug mit dem spaltvariablen Mechanismus und vier oder mehr magnetischen Trageinheiten aufgesetzt wird, wird auf diese Weise das Lastgewicht auf höch­ stens nur drei magnetische Trageinheiten verteilt, wenn die Dichte (solidity) der Last zu groß ist. Um somit das Lastgewicht durch jeweils (any) drei magnetische Trageinheiten voll tragen zu können, muß die Größe je­ der magnetischen Trageinheit vergrößert oder eine Last zur Verteilung ihres Gewichts geteilt werden. Da jedoch (vorliegend) eine Last vorhanden ist, die nicht geteilt werden kann, muß die Größe der magnetischen Trageinheit vergrößert werden, um einer solchen Last zu entspre­ chen. Als Ergebnis erhöht sich das Gewicht des Trans­ portfahrzeugs und nimmt auch die Größe der Führungs­ schiene und der Fahrbahn zu. Damit nimmt die Größe der gesamten Anordnung zu.

Zur Lösung des geschilderten Problems haben die Erfin­ der eine Anordnung mit einem automatischen Lastgewicht- Verteilungsmechanismus vorgeschlagen (vgl. JP-Patentan­ meldung KOKAI 61-170206), bei welcher insbesondere ein elastischer Körper in den spaltvariablen Mechanismus eingefügt ist. Dieser elastische Körper wird wie folgt definiert: Es sei angenommen, daß eine Reziprokzahl (in­ verse number) der Änderungsgröße einer Spaltlänge pro Gewichtseinheit infolge einer Federkraft eines elasti­ schen Körpers bei einer magnetischen Trageinheit dann, wenn auf letztere bei festgelegtem Lasttragpunkt eine Last einwirkt, gleich groß oder kleiner ist als eine Absolutgröße eines Werts, der durch Differenzieren der Anziehungskraft in der Richtung der Spaltlänge der ma­ gnetischen Trageinheit durch die (mit der) Spaltlänge in dem Zustand erhalten wird, in welchem ein Anziehungs­ strom des Elektromagneten gleich Null und keine Last auf das Transportfahrzeug aufgesetzt ist. Dadurch kann eine automatische Verteilung des Lastgewichts auf jede magnetische Trageinheit bewirkt werden.

Bei der Anordnung mit diesem automatischen Lastgewicht­ verteilungssystem besteht jedoch das folgende Problem: Da insbesondere eine Reziprokzahl (inverse number) der Änderungsgröße einer Spaltlänge pro Gewichtseinheit in­ folge einer Federkraft eines elastischen Körpers bei einer magnetischen Trageinheit dann, wenn auf letztere bei festgelegtem Lasttragpunkt des Transportfahrzeugs eine Last einwirkt, gleich groß oder kleiner ist als eine Absolutgröße eines Werts, der durch Differenzieren der Anziehungskraft in der Richtung der Spaltlänge der magnetischen Trageinheit durch die (mit der) Spaltlänge in dem Zustand erhalten wird, in welchem ein Anziehungs­ strom des Elektromagneten gleich Null und keine Last auf das Transportfahrzeug aufgesetzt ist, können die Teilungs- oder Trennplatten des Transportfahrzeugs der Teilungskonstruktion durch die Anziehungskraft der ma­ gnetischen Trageinheit mittels des genannten Koppelme­ chanismus gedreht werden (oder sich drehen), wenn das Transportfahrzeug von der Führungsschiene abgenommen wird. Außerdem kann dabei die magnetische Trageinheit durch Kollision mit der Führungsschiene beschädigt wer­ den. Zudem kann ein Transportfahrzeug, bei dem die ma­ gnetische Trageinheit über ein elastisches Element am Fahrzeug befestigt ist, auch beim Absinken des Fahr­ zeugs beschädigt werden, weil diese Trageinheit eine An­ ziehungskraft auf die Führungsschiene ausübt und das elastische Element übermäßig stark verformt wird. Wenn somit das Transportfahrzeug für Wartungszwecke o. dgl. von der Führungsschiene abgenommen (entkoppelt) wird, müssen die Trennplatte und alle magnetischen Trageinhei­ ten am Fahrzeug befestigt oder alle diese Trageinheiten abgesenkt (to lower) werden, um das Transportfahrzeug von der Führungsschiene abnehmen zu können. Die Wartbar­ keit dieser Anordnung ist also ungenügend.

Wie angegeben, besteht beim Stand der Technik der Zu­ stand, daß eine Reziprokzahl (inverse number) der Ände­ rungsgröße einer Spaltlänge pro Gewichtseinheit infolge einer Federkraft eines elastischen Körpers bei einer ma­ gnetischen Trageinheit dann, wenn auf letztere bei fest­ gelegtem Lasttragpunkt des Transportfahrzeugs eine Last einwirkt, gleich groß oder kleiner ist als eine Absolut­ größe eines Werts, der durch Differenzieren der Anzie­ hungskraft in der Richtung der Spaltlänge der magneti­ schen Trageinheit durch die (mit der) Spaltlänge in dem Zustand erhalten wird, in welchem ein Anziehungsstrom des Elektromagneten gleich Null und keine Last auf das Transportfahrzeug aufgesetzt ist. Dies bedeutet, daß die auf die magnetische Trageinheit wirkende mechani­ sche Federkraft schwächer ist als die auf diese Einheit wirkende magnetische Federkraft, wenn sich auf dem Transportfahrzeug keine Last befindet. Beim Trennen des Transportfahrzeugs von der Führungsschiene müssen daher die Trennplatte und alle magnetischen Trageinheiten am Fahrzeug befestigt (gesichert) oder alle diese Einhei­ ten abgesenkt werden, um eine Beschädigung der Anord­ nung zu vermeiden. Wartungsarbeiten an der Gesamtanord­ nung bei von der Führungsschiene getrenntem Transport­ fahrzeug gestalten sich mithin schwierig. Wenn das Transportfahrzeug nicht von der Führungsschiene ge­ trennt bzw. abgenommen wird, werden zudem Fahrbahn-Bau­ elemente, wie die Führungsschiene, zu einem Hindernis, so daß eine Wartung am gesamten Transportfahrzeug nicht ausgeführt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Magnetschwebe(bahn)anordnung, bei welcher ein Transport­ fahrzeug einfach und ohne Beschädigung der Anordnung von einer Führungsschiene abgenommen werden kann, wo­ durch eine ausgezeichnete Wartbarkeit gewährleistet wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Magnetschwe­ beanordnung, umfassend
eine Führungsschiene, von der mindestens ein Ab­ schnitt aus einem magnetischen Werkstoff geformt ist,
ein von der Führungsschiene berührungsfrei getra­ genes Schwebeobjekt,
mehrere magnetische Trageinheiten zum magnetischen Schwebenlassen (levitating) des Schwebeobjekts, mit jeweils einem Elektromagneten und einem Dauermagneten, wobei der Elektromagnet und der Dauermagnet mit der Führungsschiene einen Magnetkreis bilden,
mehrere spaltvariable Mechanismen (Mechanismen mit variablen Spalten) zum unabhängigen Ändern der Spaltlän­ gen zwischen den magnetischen Trageinheiten und der Füh­ rungsschiene, wobei jeder spaltvariable Mechanismus ein elastisches Element aufweist, das zwischen einer zuge­ ordneten der magnetischen Trageinheiten und dem Schwe­ beobjekt angeordnet ist,
eine Steuereinheit zum Steuern der magnetischen Trag­ einheiten,
ferner eine Sensoreinheit zum Erfassen oder Messen des Zustands des Magnetkreises jeder der magnetischen Trageinheiten und
eine Steuereinrichtung zur Durchführung einer Null­ leistungs-Schwebekraftsteuerung und einer spezifischen Steuerung, von denen erstere durchgeführt wird, um einen Erregungsstrom des Elektromagneten mindestens einer der magnetischen Trageinheiten zu Null zu redu­ zieren und dadurch den magnetischen Schwebezustand des Schwebeobjekts zu stabilisieren, und zwar auf der Grund­ lage eines Ausgangssignals von der Sensoreinheit, und wobei die spezifische Steuerung durchgeführt wird zur Steuerung bzw. Regelung eines Erregungsstroms des Elek­ tromagneten mindestens einer der magnetischen Tragein­ heiten, um damit die Nulleistungs-Schwebekraftsteuerung unabhängig von der Größe einer Federkonstante des ela­ stischen Elements zu bewirken, und zwar auf der Grundla­ ge des Ausgangssignals von der Sensoreinheit.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Magnetschwebean­ ordnung, umfassend
eine Führungsschiene, von der mindestens ein Ab­ schnitt aus einem magnetischen Werkstoff geformt ist,
ein von der Führungsschiene berührungsfrei getra­ genes Schwebeobjekt,
mehrere magnetische Trageinheiten zum magnetischen Schwebenlassen (levitating) des Schwebeobjekts, mit jeweils einem Elektromagneten und einem Dauermagneten, wobei der Elektromagnet und der Dauermagnet mit der Füh­ rungsschiene einen Magnetkreis bilden,
eine Steuereinheit zum Steuern der magnetischen Trag­ einheiten,
ferner eine Sensoreinheit zum Erfassen oder Messen des Zustands des Magnetkreises jeder der magnetischen Trageinheiten und
eine Steuereinrichtung zur Durchführung einer Null­ leistungs-Schwebekraftsteuerung und einer spezifischen Steuerung, von denen erstere durchgeführt wird, um einen Erregungsstrom des Elektromagneten mindestens einer der magnetischen Trageinheiten zu Null zu redu­ zieren und dadurch den magnetischen Schwebezustand des Schwebeobjekts zu stabilisieren, und zwar auf der Grund­ lage eines Ausgangssignals von der Sensoreinheit, und wobei die spezifische Steuerung durchgeführt wird zur unabhängigen Änderung einer Schwebespaltlänge jeder der magnetischen Trageinheiten auf der Grundlage des Aus­ gangssignals von der Sensoreinheit.

Auch wenn bei der oben umrissenen erfindungsgemäßen An­ ordnung die auf die magnetischen Trageinheiten wirkende mechanische Federkraft der spaltvariablen Mechanismen (d. h. mit veränderbarem Spalt) auf eine erforderliche Größe erhöht wird, kann die Nulleistungsregelung oder -steuerung des in Schwebe gehaltenen Objekts oder Schwe­ beobjekts bewirkt werden. Bei allen magnetischen Trag­ einheiten können deren Schwebespaltlängen unabhängig va­ riiert werden. Es kann z. B. eine Teilungsstruktur eines Fahrzeugs angewandt werden. Außerdem kann auf einen spaltvariablen Mechanismus verzichtet werden, welcher die magnetische Trageinheit mit einer mechanischen Fe­ derkraft beaufschlagt, die schwächer ist als die magne­ tische Federkraft, die dann auf die magnetische Trag­ einheit einwirkt, wenn auf das Fahrzeug keine Last auf­ gesetzt ist. Beim Abnehmen des Schwebeobjekts von den Führungsschienen ist es daher im Gegensatz zum Stand der Technik nicht nötig, die Trennplatten und alle ma­ gnetischen Trageinheiten festzulegen oder letztere abzu­ senken, um eine Beschädigung der Anordnung zu vermei­ den. Vielmehr kann das Schwebeobjekt als massiver Kör­ per betrachtet werden, wobei ein gegebener Teil (am Objekt) gehalten werden oder verbleiben kann. Das Schwe­ beobjekt kann mithin einfach von den Führungsschienen abgenommen werden, wodurch die Wartbarkeit der Magnet­ schwebeanordnung deutlich verbessert sein kann.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines we­ sentlichen Abschnitts einer Magnetschwebe- (bahn)anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen lotrechten Schnitt durch den Abschnitt nach Fig. 1,

Fig. 3 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenan­ sicht des Abschnitts nach Fig. 1,

Fig. 4 eine lotrechte Schnittansicht einer magneti­ schen Trageinheit bei der Magnetschwebe- (bahn)anordnung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung bei der Magnetschwebe(bahn)anordnung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Auf­ baus einer Steuerspannung-Rechenoperations­ schaltung bei der Steuervorrichtung gemäß Fig. 5,

Fig. 7 ein Steuer-Blockschaltbild eines Magnetschwe­ besteuersystems in der Steuervorrichtung,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des Spalts (oder Ab­ stands) zwischen einer magnetischen Trag­ einheit und einer Führungsschiene (einer­ seits) und der durch den Dauermagneten der magnetischen Trageinheit erzeugten Anzie­ hungskraft (andererseits),

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines we­ sentlichen Abschnitts einer Magnetschwebe- (bahn)anordnung gemäß einer anderen Ausfüh­ rungsform der Erfindung,

Fig. 10 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer Steuer­ vorrichtung bei dieser Anordnung,

Fig. 11 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer Verti­ kalbewegungsmodus-Steuerspannungsrechenope­ rationsschaltung in der Steuervorrichtung,

Fig. 12 ein Steuer-Blockschaltbild eines Vertikalbe­ wegungsmodus-Magnetschwebesteuersystems bei der Magnetschwebe(bahn)anordnung,

Fig. 13 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Auf­ baus einer Kippmodus-Steuerspannungsrechen­ operationsschaltung in der Steuervorrich­ tung,

Fig. 14 ein Steuer-Blockschaltbild eines Steigungsmo­ dus-Magnetschwebesteuersystems bei der Ma­ gnetschwebe(bahn)anordnung,

Fig. 15 ein Blockschaltbild einer Drehmodus-Steuer­ spannungsrechenoperationsschaltung bei der Steuervorrichtung,

Fig. 16 eine perspektivische Darstellung eines we­ sentlichen Abschnitts einer Magnetschwebean­ ordnung gemäß noch einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 17 ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung bei dieser Magnetschwebeanordnung,

Fig. 18 ein Steuer-Blockschaltbild eines Giermodus- Magnetschwebesteuersystems bei der Magnet­ schwebeanordnung,

Fig. 19 ein Blockschaltbild einer Giermodus-Steuer­ spannungsrechenoperationsschaltung in der Steuervorrichtung,

Fig. 20 eine Draufsicht auf eine Magnetschwebeanord­ nung gemäß noch einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 21 eine Draufsicht auf eine Magnetschwebeanord­ nung gemäß noch einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 22 eine Draufsicht auf eine Magnetschwebeanord­ nung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 23 eine lotrechte Schnittansicht einer Magnet­ schwebeanordnung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 24 eine im lotrechten Schnitt gehaltene Darstel­ lung einer Magnetschwebeanordnung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 25 ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung bei der Magnetschwebeanordnung,

Fig. 26 eine im lotrechten Schnitt gehaltene Darstel­ lung einer Magnetschwebeanordnung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 27 ein Blockschaltbild eines Teils einer Abwand­ lung einer Steuerspannungsrechenoperations­ schaltung,

Fig. 28 ein Blockschaltbild einer Drehmodus-Steuer­ spannungsrechenoperationsschaltung in der Steuerschaltung und

Fig. 29 ein Steuer-Blockschaltbild eines Magnetschwe­ besteuersystems, in welches die Rechenopera­ tionsschaltung eingebaut ist.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip ist im fol­ genden anhand eines Steuersystems gemäß der Erfindung beschrieben, worauf die Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungsformen folgt.

Die Fig. 1 bis 3 veranschaulichen eine typische Kon­ struktion eines in Schwebe gehaltenen Objekts bzw.

Schwebeobjekts bei einer Magnetschwebeanordnung gemäß der Erfindung. Diese Anordnung umfaßt Führungsschienen 12a und 12b, ein Schwebeobjekt 15 sowie magnetische Trageinheiten 31a bis 31d, die an den vier Ecken einer Basis 25 mit zwischengefügten spaltvariablen Mechanis­ men 101 angebracht sind. Die Basis 25 bildet ein Teil des Schwebeobjekts 15. Das Schwebeobjekt 15 wird mit­ tels der durch die magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d erzeugten magnetischen Anziehung in einem berüh­ rungsfreien Zustand (in Schwebe) getragen.

Gemäß Fig. 2 umfaßt jede der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d einen Dauermagneten 53 sowie auf beiden Sei­ ten desselben angeordnete Elektromagnete 51 und 52, die zur gegenseitigen Erhöhung von durch die Elektromagnete 51 und 52 erzeugten Magnetflüssen geschaltet sind. Ein Erregungsstrom zu den Elektromagneten 51 und 52 wird ge­ regelt, um die durch den Dauermagneten 53 hervorgerufe­ ne magnetische Anziehung der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d zu regeln oder zu steuern. Gemäß Fig. 2 sind diese Trageinheiten 31a bis 31d einander zugewandt angeordnet, so daß sie gegenüber den Führungsschienen 12a und 12b auswärts versetzt sind und eine Schwebe­ kraft sowie eine Führungskraft auf das Schwebeobjekt 15 auszuüben vermögen.

Die spaltvariablen Mechanismen (bzw. Spaltänderungs­ mechanismen) 101 umfassen jeweils L-förmige Basissitze 102, an denen die magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d angebracht sind, an den vier Ecken der Oberseite der Basis 25 befestigte Rückplatten 103, vier Stangen­ elemente 104, die durch drehbare Kopplung der Basis­ sitze 102 und der Seitenflächen der Rückplatten 103 mit­ tels Bolzen Parallellenkermechanismen bilden, zwei an den Unterseiten der Basissitze 102 und der Oberseite der Basis 25 befestigte Öldämpfer 105 sowie zwischen die beiden Öldämpfer 105 zwischen den Unterseiten der Basissitze 102 und der Oberseite der Basis 25 eingefüg­ te Schraubenfedern 106.

Eine Reziprokzahl k einer Änderungsgröße pro Gewichts­ einheit des Spalts aufgrund der Federkraft der Schrau­ benfeder 106, wenn die Basis 25 fixiert oder festgelegt ist und eine Last auf die Magneteinheit einwirkt, ist größer als ein Absolutwert einer Größe, die durch Diffe­ renzieren der Anziehung in Richtung der Spaltänderung der Magneteinheit durch eine bzw. mit einer Spaltlänge dann erhalten wird, wenn der Erregungsstrom zum Elektro­ magneten gleich Null und eine maximale Last auf das Schwebeobjekt aufgesetzt ist. Aus Gründen der Verein­ fachung wird der Wert k als "Federkonstante" bezeich­ net.

Das Schwebeobjekt 15 besteht aus verschiedenen, noch zu beschreibenden Teilen. An dieser Stelle wird, der Über­ sichtlichkeit halber, auf eine Beschreibung dieser Tei­ le verzichtet.

Es sei angenommen, daß das Schwebeobjekt 15 mit einer maximalen, auf es aufgesetzten Last in Schwebe gehalten wird.

Unter der Voraussetzung, daß der Schwerpunkt des Schwe­ beobjekts 15 in dessen Zentrum liegt, werden oder sind Bewegungsformeln der Bewegung des Schwebeobjekts 15 so­ wie Spannungsformeln der an die Elektromagnete der ma­ gnetischen Trageinheiten 31a bis 31d angelegten Erre­ gungsspannung im praktisch normalen Schwebezustand auf der Grundlage eines in Fig. 1 gezeigten Koordinatensy­ stems linearisiert, wobei sich letzteres in vier Moden ausdrücken läßt Vertikalbewegung um den Schwerpunkt (z-Richtung), Rollen um den Schwerpunkt (R-Richtung), Kippen um den Schwerpunkt (ξ-Richtung) und Verzugsbewe­ gung einer Ebene, die durch die Spitzen- oder Vorderend­ abschnitte der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d definiert ist (R_Φ-Richtung). Durch Koordinatenumwand­ lung von Formel (1) und (2) werden die (folgenden) For­ meln (3) bis (6) jeweils erhalten.

Angehängte Buchstaben "a", "b", "c" und "d" entsprechen den magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d. Δ steht für eine Abweichung vom normalen Schwebezustand. Das Symbol z_i (i = a bis d) repräsentiert die Schwebespalt­ länge; das Symbol i_i (i = a bis d) steht für einen Er­ regungsstrom der magnetischen Trageinheit. Ein Symbol "z" gibt die Höhe von der Unterseite der Führungsschie­ ne 12a (12b) bis zum Zentrum der Ebene an, die durch Verbindung der Spitzen- bzw. Vorderendabschnitte der Trageinheiten 31a bis 31d definiert ist. Ein Symbol "z_L" steht für einen Abstand zwischen der Unterseite der Führungsschiene 12a, 12b und der Oberseite der Ba­ sis 25, unterhalb der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d gelegen. Das Symbol R steht für die Summe der Rollwinkel einer Geraden, welche die Vorderenden der ma­ gnetischen Trageinheiten 31a und 31b verbindet, und einer Geraden, welche die Vorderenden der Trageinheiten 31c und 31b verbindet. Das Symbol R_L bezeichnet den Rollwinkel der Basis 25. Das Symbol R_Φ steht für eine Differenz zwischen den Rollwinkeln einer die Spitzen- bzw. Vorderenden der Trageinheiten 31a und 31b verbin­ denden Geraden und einer die Vorderenden der Trageinhei­ ten 31c und 31b verbindenden Geraden. Das Symbol ξ re­ präsentiert einen Mittelwert der Kippwinkel einer Gera­ den, welche die Vorderenden der magnetischen Trageinhei­ ten 31a und 31d verbindet, und einer die Vorderenden der Trageinheiten 31b und 31c verbindenden Geraden. Das Symbol ξ_L steht für einen Kippwinkel der Basis 25; "m" steht für die Masse jeder der magnetischen Trageinhei­ ten 31a bis 31d. Ein Symbol M gibt die Masse des Schwe­ beobjekts 15, ausschließlich der magnetischen Tragein­ heiten 31a bis 31d, an; das Symbol "R" steht für ein Trägheitsmoment und "Iξ" gibt das Trägheitsmoment um die y-Achse an. Symbole "qR" und "qξ" stehen jeweils für die Abstände oder Strecken parallel zur y- und z- Achse der Trageinheiten 31a bis 31d; mit "k" ist eine Federkonstante (k < 0) des spaltvariablen Mechanismus 101 bezeichnet. Das Symbol γ repräsentiert eine Dämp­ fungskonstante (γ < 0) des genannten Mechanismus 101; "f_z" steht für eine z-Achsen-Anziehung der magnetischen Trageinheit 31a, während R für einen Hauptmagnetfluß der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d steht.

Außerdem repräsentiert δ/δ v (v = z, i) einen Abwei­ chungsoperator einer Funktion in bezug auf eine Va­ riable v; (δ/δ v) steht für eine Abweichungsgröße einer Funktion im normalen Schwebezustand des Schwebe­ objekts 15.

Symbole L_ZO sowie R stehen für die Selbstinduktivität bzw. den elektrischen Widerstand der Wicklung 56, wenn sich das Schwebeobjekt mit einer vorgesehenen Spaltlän­ ge im Schwebezustand befindet. Ein Symbol "u_z" bezeich­ net eine externe Kraft parallel zur z-Achse, die auf die magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d einwirkt; mit "U_L" ist eine parallel zur z-Achse liegende externe Kraft bezeichnet, die auf die von den Trageinheiten 31a bis 31d verschiedenen Teile ausgeübt wird. Symbole "qR", "uR", "qξ" und "uξ" stehen für eine Drehmoment­ störung um die x-Achse und eine Drehmomentstörung um die y-Achse, welche auf die magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d wirken; Symbole TR und Tξ repräsentieren je eine Drehmomentstörung um die x-Achse bzw. y-Achse an den von den Trageinheiten 31a bis 31d verschiedenen Teilen. Ein Symbol "qRuΦuRΦ" repräsentiert eine Dreh­ momentstörung um die x-Achse, welche zur Verzugsbewe­ gung (distortional movement) einer durch die Spitzen- bzw. Vorderenden der magnetischen Trageinheiten 31 bis 31d definierten Ebene beiträgt. Ein Symbol "." steht für eine erste Ableitung nach der Zeit.

In der vorliegenden Beschreibung werden Formel (3) als z-Modus, Formel (4) als R-Modus, Formel (5) als ξ- Modus und Formel (6) als R_Φ-Modus bezeichnet. Die For­ meln (3) bis (6) können in der folgenden Zustandsglei­ chung miteinander kombiniert sein.

Insbesondere lassen sich Zustandsvektoren X₃ und X₅ wie folgt ausdrücken:

x₃ = (ΔR_ψ ΔR_ψ Δi_{R ψ})^T
x₅ = (Δz ΔL Δz ΔzL Δiz)^T
(ΔR ΔRL ΔR ΔRL Δi_R)T or
(Δξ ΔξL Δξ ΔξL Δiξ)T.

Bezüglich x₃, x₅ werden die folgenden beiden Arten von Zustandsgleichungen erhalten:

x₃ = A₃x₃+b₃e₃+D₃d₃ (7)
x₅ = A₅x₅+b₅e₅+D₅d₅ (8).

Die Symbole A₃, b₃, D₃, d₃, A₅, b₅, D₅, b₅ repräsentie­ ren die folgende Matrix:

Steuerspannungen e₃ und e₅ zum Stabilisieren der jewei­ ligen Moden oder Betriebsarten sind folgende:

e₃ = eRΦ
e₅ = e_z, e_R, e_ξ.

Den magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d zugespeiste Steuerspannungen bestimmen sich nach folgender Formel:

Zum Stabilisieren des magnetischen Schwebezustands des Schwebeobjekts 15 unter allmählicher oder fortlaufender Verringerung der Erregungsströme der magnetischen Trag­ einheiten 31a bis 31d auf Null wird in jedem Modus die in der JP-Patentanmeldung KOKAI 61-102105 offenbarte Nulleistungsregelung oder -steuerung angewandt. Zum Zwecke der Vereinfachung sei im folgenden die Strominte­ grationsregelung oder -steuerung betrachtet.

In einem Steuer-Blockschaltbild gemäß Fig. 7 stehen das Symbol F für einen Rückkopplungsgewinn- bzw. verstär­ kungskompensator und das Symbol K für einen Integra­ tionskompensator.

Im R_j-Modus lassen sich der Rückkopplungsverstärkungs­ kompensator F und der Integrationskompensator K wie folgt ausdrücken:

F = (F_{1 RΦ}, (F_{4 RΦ}, F_{7 RΦ}) (R_Φ-Modus)
K = (0, 0, K_{7 RΦ}) (R_Φ-Modus).

In anderen Moden bzw. Betriebsarten sind der Rückkopp­ lungsverstärkungskompensator F und der Integrationskom­ pensator K wie folgt ausgedrückt:

F = (F_li, F_4i, F_7i) (i = z, R, ξ)
K = (0, 0, K_7i) (i = z, R, ξ).

Eine Ausgangsmatrix C in R_Φ ist eine Einheitsmatrix ent­ sprechend der Ordnungszahl. In den anderen Moden oder Betriebsarten ist die Ausgangsmatrix C folgende:

Ein Symbol A steht für A₃ und A₅, ein Symbol b repräsen­ tiert b₃ und b₅, und ein Symbol y steht für Cx (x = x₃, x₅). Auf ähnliche Weise steht in der folgenden Beschrei­ bung ein Symbol D für D₃ und D₅, während ein Symbol d für d₃ und d₅ und ein Symbol e für e₃ und e₅ stehen.

In dem Fall, in welchem die genannte Nulleistungssteue­ rung in jedem Modus angewandt wird, ist es dazu, daß jeder Modus stabil ist, wobei I eine Einheitsmatrix mit der Ordnungszahl gleich der Ordnungszahl eines entspre­ chenden Modus ist, erforderlich, daß ein konstantes Glied einer Mehrglieder-Formel von s an der linken Sei­ te in der folgenden s-Charakteristikformel eine posi­ tive Größe ist:

det[SI-A+bFC+bKC/s]s = 0 (10).

Das konstante Glied der mehrgliedrigen Formel von s in Formel (10), für jeden Modus berechnet, ist folgendes:

Da in diesem Fall (δfz/δz) < 0 gilt, muß in jedem der z-, R- und ξ-Moden die folgende Formel erfüllt sein:
k7i (i = z, R, ξ) < 0 (15).

In Formel (16) ist R_Φ gültig, weshalb folgende Formel (17) nötig ist:

k < (δfz/δz) (16)
k7Rξ < 0 (17).

Auch wenn die Magneteinheiten 31a bis 31d unmittelbar an der Basis 25 befestigt sind, wird die gleiche Bedin­ gung gefordert, wenn k → ∞ gilt.

Bei dem Schwebeobjekt 15 mit der Ausgestaltung, daß die Federkonstante k des spaltvariablen Mechanismus 101 durch Formel (16) gegeben oder bestimmt ist, entspre­ chen K_7z und K_{7 ξ} der Regel- oder Steuerkonstante der erwähnten ersten Nulleistungsrückkopplungsschleife, wäh­ rend K_{7 R} und K_{7 Φ} der Regel- bzw. Steuerkonstante der er­ wähnten zweiten Nulleistungsrückkopplungsschleife ent­ sprechen. Unter den Regelkonstanten (control constants) der zweiten Nulleistungsrückkopplungsschleife muß K_{7 RΦ}. gegenüber einem Code der Regelkonstante der ersten Nulleistungsrückkopplungsschleife unterschiedlich ge­ setzt sein, um den magnetischen Schwebezustand des Schwebeobjekts 15 zu stabilisieren.

Wenn - wie aus Fig. 7 hervorgeht - Δi_z Δi_ξ und Δi_R, die Eingänge oder Eingangssignale der ersten und zweiten Nulleistungsrückkopplungsschleifen werden, posi­ tive (negative) Größen sind, werden demzufolge die Aus­ gänge oder Ausgangssignale dieser Nulleistungsrückkopp­ lungsschleifen ebenfalls positive (negative) Größen auf­ grund von Formel (15). Wenn andererseits Δi_{R Φ} als Ein­ gang oder Eingangssignal zu einer anderen zweiten Nulleistungsrückkopplungsschleife eine positive (nega­ tive) Größe ist, ist ein Ausgang dieser Nulleistungs­ rückkopplungsschleife aufgrund von Formel (17) eine ne­ gative (positive) Größe.

Auch wenn die auf die magnetische Trageinheit wirkende mechanische Federkraft des spaltvariablen Mechanismus auf einen erforderlichen Wert erhöht wird, kann auf die­ se Weise die Nulleistungsregelung des Schwebeobjekts 15 bewirkt werden. Alle magnetischen Trageinheiten können ihre Schwebespaltlängen unabhängig (voneinander) än­ dern. Beispielsweise kann eine Teilungs- oder Trenn­ struktur eines Fahrzeugs übernommen werden. Außerdem ist es möglich, die Verwendung eines spaltvariablen Me­ chanismus zu vermeiden, welcher die magnetische Trag­ einheit mit einer mechanischen Federkraft beaufschlagt, die schwächer ist als die magnetische Federkraft, die bei unbeladenem Fahrzeug auf die magnetische Tragein­ heit einwirkt.

Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es daher beim Ab­ nehmen des Schwebeobjekts von den Führungsschienen nicht nötig, die Teilungs- bzw. Trennplatten und alle magnetischen Trageinheiten festzulegen oder diese Trag­ einheiten abzusenken, um eine Beschädigung der Anord­ nung zu vermeiden. Vielmehr kann das Schwebeobjekt als massiver Körper betrachtet werden, wobei ein gegebenes Teil gehalten oder gehaltert werden kann. Das Schwebe­ objekt kann somit einfach von den Führungsschienen abge­ nommen werden. Hierdurch wird die Wartbarkeit der Ma­ gnetschwebeanordnung deutlich verbessert.

Im folgenden sind bevorzugte, auf dem oben erläuterten Prinzip beruhende Ausführungsformen der Erfindung be­ schrieben.

Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen wesentliche Abschnit­ te einer Magnetschwebeanordnung gemäß einer Ausführungs­ form der Erfindung.

Gemäß diesen Figuren weist ein Fahrbahnrahmen 11 einen umgekehrt U-förmigen Querschnitt auf, und er ist unter Vermeidung eines Hindernisses z. B. in einen Büroraum verlegt. Unter dem oberen Wandabschnitt des Fahrbahn­ rahmens 11 sind zwei Führungsschienen 12a und 12b ver­ legt.

Die Führungsschienen 12a und 12b bestehen aus ferroma­ gnetischen Plattenelementen. Notführungen 14a und 14b mit einem eckigen C-förmigen Querschnitt sind mit ihren offenen Seiten einander zugewandt an Innenseitenwänden des Fahrbahnrahmens 11 vorgesehen.

Ein Schwebeobjekt 15 ist so angeordnet, daß es unter­ halb der Führungsschienen 12a und 12b längs dieser ver­ fahrbar ist. Gemäß den Fig. 2 und 3 ist ein Stator 16 eines Linearinduktionsmotors an der Unterseite des obe­ ren Wandabschnitts des Fahrbahnrahmens 11 zwischen den Führungsschienen 12a und 12b so angeordnet, daß der Sta­ tor 16 längs der Führungsschienen 12a und 12b mit einem vorbestimmten Abstand dazu verläuft.

Das Schwebeobjekt 15 weist eine flache Basis (Tragplat­ te) 25 auf, die den Unterseiten der Führungsschienen 12a und 12b zugewandt angeordnet ist. An den vier Ecken der Oberseite der Basis 25 sind unter Zwischenfügung von spaltvariablen Mechanismen (Spaltänderungsmechanis­ men) 101 vier magnetische Trageinheiten 31a bis 31d mon­ tiert. An diesen Trageinheiten 31a bis 31d sind opti­ sche Spaltsensoren 34a bis 34d zum Erfassen bzw. Messen von Spaltlängen zwischen den jeweiligen Einheiten und der Unterseite der Führungsschienen 12a und 12b ange­ bracht.

Ein Behälter 37 zum Aufnehmen von zu fördernden Gegen­ ständen ist an der Unterseite der Basis 25 über Verbin­ dungsglieder 35a, 35b, 36a und 36b angebracht (vgl. Fig. 3).

Regel- bzw. Steuervorrichtungen 41 zum magnetischen Schwebenlassen des Schwebeobjekts 15 mit Nulleistungs­ regelung entsprechend den vorher genannten vier Bewe­ gungsmoden, Konstantspannungsgeneratoren 42 und Strom­ versorgungen 43 geringer Kapazität für die Zuspeisung von elektrischem Strom zu diesen Vorrichtungen sind als vier getrennte Einheiten an der Oberseite des Behälters 37 montiert.

Weiterhin sind an jeder der vier Ecken der Basis 25 (je) ein lotrechtes Rad 45a und ein waagerechtes Rad 45b angebracht. Die vier lotrechten Räder 45a legen sich z. B. dann, wenn die Magnetkraft der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d verlorengeht, an die Innen­ flächen der oberen und unteren Wandabschnitte der Not­ führungsschienen 14a und 14b an, um damit das Schwebe­ objekt 15 lotrecht abzustützen bzw. zu tragen. Die waa­ gerechten Räder 45b legen sich an die Innenflächen der Seitenwandabschnitte der Notführungsschienen 14a und 14b an und tragen oder stützen das Schwebeobjekt 15 in waagerechter Richtung, um damit das Herablaufen des Schwebeobjekts 15 von den Führungsschienen 12a und 12b aufgrund einer übermäßig großen, waagerecht wirkenden externen Kraft zu verhindern.

Die Basis 25 dient auch als Sekundärleiterplatte, die ein bewegbares Element des genannten Linearinduktionsmo­ tors darstellt; die Basis 25 ist dabei in einer solchen Höhe angeordnet, daß sie im Betrieb dem Stator 16 mit einem kleinen Spalt dazwischen gegenübersteht.

Gemäß Fig. 4 umfaßt jede der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d zwei Elektromagnete 51 und 52, die einander so gegenübergestellt bzw. zugewandt sind, daß die obe­ ren Endabschnitte der Elektromagnete 51 und 52 gegen­ über den Führungsschienen 12a (12b) auswärts versetzt sind, und einen zwischen die Seitenflächen der unteren Teile der Elektromagnete 51 und 52 eingefügten Dauer­ magneten 53. Die Elektromagnete 51 und 52 sowie der Dauermagnet 53 sind in einer U-Form angeordnet. Jeder Elektromagnet 51, 52 umfaßt ein ferromagnetisches Joch 55 und eine um letzteres herumgewickelte Spule oder Wicklung 56.

Die Wicklungen 56 sind in einer solchen Richtung in Reihe geschaltet, daß die von den Elektromagneten 51 und 52 erzeugten Magnetflüsse miteinander kombiniert sind. Die Breite L₁ jeder Führungsschiene 12a und 12b ist kleiner als die Breite L₂ jeder der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d.

Die spaltvariablen Mechanismen 101 umfassen jeweils L-förmige Basissitze 102, an denen die magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d angebracht sind, an den vier Ecken der Oberseite der Basis 25 befestigte Rückplatten 103, vier Stangenelemente 104, die durch drehbare Kopp­ lung der Basissitze 102 und der Seitenflächen der Rück­ platten 103 mittels Bolzen Parallellenkermechanismen bilden, zwei Öldämpfer 105, die an den Unterseiten der Basissitze 102 und der Oberseite der Basis 25 befestigt sind, sowie Schraubenfedern 106, die zwischen die Öl­ dämpfer 105 zwischen den Unterseiten der Basissitze 102 und der Oberseite der Basis 25 eingefügt sind.

Eine Reziprokzahl k einer Änderungsgröße pro Gewichts­ einheit des Spalts aufgrund der Federkraft der Schrau­ benfeder 106, wenn die Basis 25 fixiert oder festgelegt und eine Last auf die Magneteinheit ausgeübt ist, ist größer als eine Absolutgröße eines Werts, der durch Dif­ ferenzierung (Ableitung) der Anziehung in der Richtung der Spaltänderung der Magneteinheit durch die bzw. mit der Spaltlänge zu dem Zeitpunkt erhalten wird, zu dem der Erregungsstrom zum Elektromagneten gleich Null und eine maximale Last auf das Schwebeobjekt aufgelegt ist.

Obgleich die Regel- oder Steuervorrichtungen 41 gemäß Fig. 1 (voneinander) getrennt sind, bilden diese Vor­ richtungen 41, wie z. B. in Fig. 5 gezeigt, eine einzige Einheit. In den im folgenden zu beschreibenden Block­ schaltbildern bezeichnen Pfeillinien jeweils Signallei­ tungen, während ausgezogene Linien für Stromleitungen nahe der Wicklungen 56 stehen. Die Steuervorrichtung 41 umfaßt eine Sensoreinheit 61, eine Rechenoperations­ schaltung 62 sowie Strom- oder Leistungsverstärker 63a bis 63d, wobei diese Elemente die Anziehungskräfte der vier magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d steuern oder regeln. Die am Schwebeobjekt 15 angebrachte Sensor­ einheit 61 mißt eine magnetomotorische Kraft oder einen magnetischen Widerstand in einem durch die Trageinhei­ ten 31a bis 31d gebildeten Magnetkreis oder eine Ände­ rung bzw. Abweichung der Bewegung des Schwebeobjekts 15. Die Rechenoperationsschaltung 62 berechnet auf der Grundlage des Signals von der Sensoreinheit 61 einen jeder Wicklung 56 zuzuspeisenden elektrischen Strom. Die Leistungsverstärker 63a bis 63d beschicken die Wick­ lungen 56 auf der Grundlage von Signalen von der Rechen­ operationsschaltung 62 mit Strom.

Die Stromversorgung 43 liefert Strom zu den Leistungs­ verstärkern 63a bis 63d und gleichzeitig auch zum Kon­ stantspannungsgenerator 42 zum Speisen der Rechenope­ rationsschaltung 62 und der Spaltsensoren 34a bis 34d mit Strom einer konstanten Spannung.

Der Konstantspannungsgenerator 42 beschickt die Rechen­ operationsschaltung 62 sowie die Spaltsensoren 34a bis 34d auch dann mit einer konstanten Spannung, wenn die Spannung der Stromversorgung 43 aufgrund der Zuspeisung eines großen Stroms zu den Leistungsverstärkern 63a bis 63d variiert. Die Spaltsensoren 34a bis 34d und die Re­ chenoperationsschaltung 62 arbeiten daher stets normal.

Die Sensoreinheit 61 umfaßt die Spaltsensoren 34a bis 34d sowie Stromdetektoren 65a bis 65d zum Detektieren oder Messen von Stromwerten der Wicklungen 56.

Die Rechenoperationsschaltung 62 bewirkt eine Magnet­ schwebesteuerung des Schwebeobjekts 15 in bezug auf die jeweiligen Bewegungskoordinaten gemäß Fig. 1. Das Ma­ gnetschwebesteuersystem bezüglich der z-Koordinate des Schwerpunkts des Schwebeobjekts 15 wird als "z-Modus" bezeichnet; das entsprechende Steuersystem für die Roll­ bewegung (R-Richtung) des Schwebeobjekts 15 wird als "R-Modus" bezeichnet; das betreffende Steuersystem für Kippen (ξ-Richtung) des Schwebeobjekts 15 wird als "ξ-Modus" bezeichnet; schließlich wird das Magnetschwe­ besteuersystem bezüglich der Verzugsbewegung (RΦ-Rich­ tung) der durch die Spitzen- bzw. Vorderenden der magne­ tischen Trageinheiten 31a bis 31d festgelegten Ebene als "RΦ-Modus" bezeichnet.

Insbesondere umfaßt die Rechenoperationsschaltung 62 Subtrahierstufen 80a bis 80d, einen Schwebespaltlängen­ abweichungs/Koordinaten-Wandler 81, Subtrahierstufen 82a bis 82d, einen Stromabweichungs/Koordinaten-Wandler 83, eine Steuerspannungs-Rechenoperationsschaltung 84 und einen Steuerspannungs/Koordinaten-Reziprokwandler 85. Die Subtrahierstufen 80a bis 80d berechnen Spalt­ längenabweichungssignale Δz_a bis Δz_a durch Subtrahie­ ren vorbestimmter Spaltlängenwerte z_a0 bis z_d0 von Spaltlängensignalen z_a bis z_d, die von den Spaltsenso­ ren 34a bis 34d geliefert werden. Der genannte Wandler 81 berechnet die Abweichungen Δz, ΔR, Δξ und ΔR_Φ von z, R, ξ und R_Φ in Formel (1) anhand der Spaltlän­ genabweichungssignale Δz_a bis Δz_d. Die Subtrahierstu­ fen 82a bis 82d berechnen Stromabweichungssignale Δi_a bis Δi_d, die durch Subtrahieren vorbestimmter Strom­ werte i_a0 bis i_d0 von durch die Stromdetektoren 65a bis 65d gelieferten Stromdetektionssignalen i_a bis i_d erhal­ ten werden. Der obige Wandler 83 berechnet Abweichungen von Δi_z, Δi_R, Δi_ξ, und Δi_{R Φ} von i_z, i_R, i_ξ und i_{R Φ} in Formel (2) von den Stromabweichungssignalen Δi_a bis Δi_d. Die Steuerspannungs-Rechenoperationsschaltung 84 berechnet für den Elektromagneten des jeweiligen Modus Steuerspannungen e_z, e_R, e_ξ und e_{R Φ} zum stabilen Schwe­ benlassen des Schwebeobjekts 15 in den jeweiligen Moden von z, R, ξ und R_Φ durch Einführung bzw. Heranziehung von Ausgangssignalen Δz, ΔR, Δξ, ΔR_Φ, Δi_z, Δi_R, Δi_u und Δi_{R Φ} von den oben angegebenen Wandlern 81 und 83. Der Steuerspannungs/Koordinaten-Reziprokwandler 85 berechnet Elektromagneterregungsspannungen e_a bis e_d der (für die) magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d auf der Grundlage von Formel (9) anhand der Ausgangs­ signale e_z, e_R, e_u und e_{R Φ} der Steuerspannungs-Rechen­ operationsschaltung 84. Die Ergebnisse der Rechenopera­ tion dieses Wandlers 85, d. h. e_a bis e_d, werden den Lei­ stungsverstärkern 63a bis 63d zugespeist, wobei durch die Spannungen e_a bis e_d erzeugte Erregungsströme den Wicklungen 56 zugespeist werden.

Die Steuerspannungs-Rechenoperationsschaltung 84 umfaßt eine Vertikalbewegungsmodus-Steuerspannungsrechenopera­ tionsschaltung 86 zum Berechnen einer z-Modus-Elektroma­ gnetsteuerspannung e_z aus Δ_z und Δi_z, eine Rollmo­ dus-Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 87 zum Be­ rechnen einer R-Modus-Elektromagnetsteuerspannung eR aus ΔR und ΔiR, eine Kippmodus-Steuerspannungsrechen­ operationsschaltung 88 zum Berechnen einer ξ-Modus- Elektromagnetsteuerspannung eξ aus Δξ und Δiξ sowie eine Drehmodus-Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 89 zum Berechnen einer RΦ-Modus-Elektromagnetsteuerspan­ nung eRΦ aus ΔRΦ und ΔiRΦ.

Die obigen Steuerspannungs-Rechenoperationsschaltungen 86, 87, 88 und 89 sind gemäß Fig. 6 durch jeweils glei­ che Bauelemente gebildet. Der Aufbau der Steuerspan­ nungs-Rechenoperationsschaltung 84 ist im folgenden bei­ spielhaft anhand der Vertikalbewegungsmodus-Steuerspan­ nungsrechenoperationsschaltung 86 beschrieben.

Die genannte Rechenoperationsschaltung 86 umfaßt insbe­ sondere eine Differenzierschaltung (differentiator) 90 zum Abnehmen von Δz und Berechnen eines Zeitdifferenz­ wertes Δz′ von Δz (in der vorliegenden Beschreibung wird anstelle von "." eine Marke "′" zur Angabe einer Zeitdifferenzierung oder -ableitung benutzt), einen Gewinn- bzw. Verstärkungskompensator 91 zum Abnehmen von Δz und Multiplizieren der Rückkopplungsverstärkung (feedback gain) f_1z mit Δz, einen Verstärkungskompensa­ tor 92 zum Abnehmen von Δz und Multiplizieren der Rück­ kopplungsverstärkung f_4z mit Δz, einen Verstärkungskom­ pensator 93 zum Abnehmen von Δiz und Multiplizieren der Rückkopplungsverstärkung F_7z mit Δiz, einen Strom­ abweichung-Zielwertgenerator 94, eine Subtrahierstufe 95 zum Subtrahieren von Δi_z von einem Zielwert des ge­ nannten Generators 94, einen Integralkompensator 96 zum Integrieren eines Ausgangswerts der Subtrahierstufe 95 und Multiplizieren der Rückkopplungsverstärkung K_7z (vgl. Fig. 7) mit dem integrierten Ergebnis, eine Sum­ mierstufe 97 zum Abnehmen von Ausgangssignalen von den Verstärkungskompensatoren 91, 92 und 93 und zum Summie­ ren derselben sowie eine Subtrahierstufe 98 zum Subtra­ hieren eines Ausgangssignals der Summierstufe 97 vom Ausgangssignal des Integralkompensators 96. Die Subtra­ hierstufe 98 gibt ein Ausgangssignal e_z ab. Damit be­ wirkt die Vertikalbewegungsmodus-Steuerspannungsrechen­ operationsschaltung 86 die in Fig. 7 veranschaulichte z-Modussteuerung. Ersichtlicherweise nimmt die Verstär­ kung (gain) K_7z des Integralkompensators 96 einen nega­ tiven Wert an.

Die Drehmodus-Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 89 umfaßt die gleichen Bauelemente wie die oben genann­ te Rechenoperationsschaltung 86. Zur Erzielung der RΦ- Modussteuerung gemäß Fig. 7 nimmt die Verstärkung K_{7 RΦ} des Integralkompensators 96 selbstverständlich einen po­ sitiven Wert an.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Magnetschwebean­ ordnung gemäß obiger Ausführungsform beschrieben.

Wenn sich die Anordnung im Stillstandzustand befindet, liegen die lotrechten Räder 45a des Schwebeobjekts 15 an den Innenflächen der oberen oder unteren Wandab­ schnitte der Notführungsschienen 13a und 13b an. Wenn die Anordnung in diesem Zustand aktiviert wird, läßt die Steuervorrichtung 41 die Elektromagnete 51 und 52 Magnetflüsse in gleicher Richtung oder in entgegenge­ setzter Richtung zu den durch die Dauermagnete 53 er­ zeugten Magnetflüssen erzeugen, und sie steuert auch die Ströme zu den Erregungswicklungen 56, um die Spalt­ längen zwischen den magnetischen Trageinheiten 31a und 31d und den Führungsschienen 12a und 12b auf konstanten Größen zu halten. Dadurch wird gemäß Fig. 4, welche re­ präsentativ die magnetische Trageinheit 31a veranschau­ licht, durch den Dauermagneten 53, das Joch 55, den Spalt P, die Führungsschiene 12a, den Spalt P, das Joch 55 und den Dauermagneten 53 ein Magnetkreis gebildet.

Die Länge des Spalts P ist oder wird so eingestellt, daß die magnetische Anziehung der magnetischen Tragein­ heiten 31a bis 31d aufgrund der auf die Führungsschie­ nen 12a und 12b wirkenden Anziehungskraft der Dauerma­ gnete 53 auf einer vorbestimmten Gesamtgröße bleibt. Die vorbestimmte Gesamtgröße ist die Summe aus dem Dreh­ moment um die den Schwerpunkt des Schwebeobjekts 15 durchsetzende x-Achse, hervorgerufen durch das Gesamt­ gewicht, die Last usw. des Schwebeobjekts 15, ein­ schließlich der Last, dem Drehmoment um die x-Achse, der Federkraft des spaltvariablen Mechanismus 101 und dem Gewicht der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d.

Die Steuervorrichtungen 41 bewirken eine Erregungsstrom­ regelung oder -steuerung für die Elektromagnete 51 und 52 der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d, um die Spaltlängen aufrechtzuerhalten. Dabei ist die Federkon­ stante k des spaltvariablen Mechanismus 101 größer ein­ gestellt als die Absolutgröße eines Werts, der durch Differenzieren bzw. Ableiten - bezogen auf die Spalt­ länge - der magnetischen Anziehung der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d aufgrund der Erregungskraft der Dauermagneten 53 dann erhalten wird, wenn das Schwe­ beobjekt 15 mit der maximalen Last beladen ist, d. h. die Absolutgröße der Neigung einer Tangente gemäß Fig. 8 oder die bzw. der magnetische(n) Federkonstante. Hier­ durch wird die sog. "Nulleistungssteuerung", bewirkt.

Wenn der Stator 16 an Spannung gelegt oder aktiviert wird, während sich das Schwebeobjekt 15 unmittelbar un­ ter dem Stator 16 des Linearinduktionsmotors befindet, wird die Basis 25 mit einer Schubkraft vom Stator 16 beaufschlagt. Als Ergebnis beginnt das Schwebeobjekt 15 in einem magnetischen Schwebezustand längs der Führungs­ schienen 12a und 12b zu laufen. Wenn sich ein anderer Stator 16 innerhalb der Strecke befindet, über welche sich das Schwebeobjekt 15 bewegen kann, und letzteres noch nicht infolge von Luftwiderstand usw. vollständig angehalten worden ist, kann das Schwebeobjekt 15 wieder­ um mit der Schubkraft beaufschlagt werden. Das Objekt 15 setzt dabei seine Bewegung längs der Führungsschie­ nen 12a und 12b fort. Das Schwebeobjekt 15 kann somit in einem berührungsfreien Zustand zu einem Zielpunkt bewegt werden.

Wenn das Schwebeobjekt 15 für Wartungs- oder Inspekti­ onszwecke vom Ende des Fahrbahnrahmens 11 abgenommen wird, ist die Federkonstante k des spaltvariablen Mecha­ nismus 101 größer als die magnetische Federkonstante der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d. Auch wenn das Objekt 15 abgenommen wird, indem die unterhalb des genannten Mechanismus 101 befindlichen Teile, z. B. Ver­ bindungselemente 35a, 35b, 36a und 36b oder der Behäl­ ter 37, festgehalten oder (am Schwebeobjekt) zurückge­ halten werden, kollidieren die magnetischen Trageinhei­ ten 31a bis 31d nicht mit den Führungsschienen, und sie werden auch nicht durch die auf die Führungsschienen 12a und 12b wirkende Anziehung angezogen. Die Anordnung wird somit nicht beschädigt, und das Schwebeobjekt 15 kann einfach gehandhabt werden. Infolgedessen kann die Wartbarkeit der Magnetbahnanordnung erheblich verbes­ sert sein.

Bei obiger Ausführungsform umfaßt das Schwebeobjekt 15 jeweils vier magnetische Trageinheiten und spaltva­ riable Mechanismen. Es bestehen jedoch keinerlei Ein­ schränkungen bezüglich der Zahl dieser Einheiten oder Mechanismen oder der Struktur der für diese Bauelemente vorgesehenen Steuervorrichtungen, vielmehr sind ver­ schiedene Abwandlungen möglich.

Gemäß Fig. 9 kann beispielsweise eine magnetische Trag­ vorrichtung 10a durch ein Schwebeobjekt 15a mit drei ma­ gnetischen Trageinheiten, die einer einzigen Führungs­ schiene 12c zugewandt sind, gebildet sein.

Bei dieser magnetischen Tragvorrichtung 10a wird das Schwebeobjekt 15a mit einer Schubkraft durch Erregung eines nicht dargestellten Stators 16 beaufschlagt, wel­ cher in einer solchen Höhe angeordnet ist, daß er der Unterseite eines Behälters 37 mit einem kleinen Spalt gegenübersteht. Der Behälter 37 dient dabei als Sekun­ därleiterplatte eines Linearinduktionsmotors und ist längs des Fahrbahnrahmens 11a mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber sind den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teil mit den glei­ chen Bezugsziffern wie vorher, zuzüglich angehängter Buchstaben, bezeichnet und daher nicht mehr im einzel­ nen erläutert.

Magnetische Trageinheiten 31a bis 31c sind unmittelbar an einer hohe Steifheit besitzende Basis (oder Tragplat­ te) 25a des Schwebeobjekts 15a befestigt. Die Steuervor­ richtung 41 besitzt den in Fig. 10 dargestellten Auf­ bau.

Eine Rechenoperationsschaltung 62a führt eine z- und ξ-Modus-Nulleistungsregelung oder -steuerung des Schwe­ beobjekts 15a und auch eine w-Modus-Nulleistungssteue­ rung durch, um eine Differenz i_w, die durch Subtrahie­ ren eines Erregungsstroms i_b der magnetischen Tragein­ heit 31b von einem Erregungsstrom i_a der Trageinheit 31a gebildet wurde, zu Null zu reduzieren.

Insbesondere umfaßt die Rechenoperationsschaltung 62a Subtrahierstufen 80a bis 80c, einen Schwebespaltlängen­ abweichungs/Koordinaten-Wandler 81, Subtrahierstufen 82a bis 82c, einen Stromabweichungs/Koordinaten-Wandler 83a, eine Steuerspannungs-Rechenoperationsschaltung 84a und einen Steuerspannungs/Koordinaten-Reziprokwandler 85a.

Die Subtrahierstufen 80a bis 80c berechnen Spaltlängen­ abweichungssignale Δz_a bis Δz_c durch Subtrahieren vor­ bestimmter Spaltlängenwerte z_a0 bis z_c0 von Spaltlängen­ signalen z_a bis z_c, die von Spaltsensoren 34a bis 34c geliefert wurden. Der genannte Wandler 81a berechnet die Abweichungen Δz und Δξ von z und ξ aus den Spalt­ längenabweichungssignalen Δz_a bis Δz_c auf der Grund­ lage folgender Formel (18):

Die Subtrahierstufen 82a bis 82c berechnen Stromabwei­ chungssignale Δi_a bis Δi_c, die durch Subtrahieren vor­ bestimmter Stromwerte i_a0 bis i_c0 von Erregungsstromde­ tektionssignalen i_a bis i_c, die von den Stromdetektoren 65a bis 65c geliefert wurden, erhalten werden. Der ge­ nannte Wandler 83a berechnet Abweichungen von Δi_ξ und Δi_w von i_z, i_ξ und i_w aus den Stromabwei­ chungssignalen Δi_a bis Δi_c auf der Grundlage folgen­ der Formel (19):

Die Steuerspannungs-Rechenoperationsschaltung 84a be­ rechnet für den jeweiligen Modus Elektromagnet-Steuer­ spannungen e_z, e_ξ und e_w zum stabilen magnetischen Schwebenlassen des Schwebeobjekts 15 in den jeweiligen Moden von z, ξ und w durch Einführung oder Heranzie­ hung von Ausgangssignalen Δz, Δξ, Δi_z, Δi_ξ und Δi_w vom Schwebespaltlängenabweichungs/Koordinaten-Wand­ ler 81a und Stromabweichungs/Koordinaten-Wandler 83a. Der Steuerspannungs/Koordinaten-Reziprokwandler 85a be­ rechnet Elektromagnet-Erregungsspannungen e_a bis e_c der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31c auf der Grund­ lage von Formel (20) anhand der Ausgangssignale e_z, e und e_w der genannten Rechenoperationsschaltung 84a.

Die Ergebnisse der Rechenoperation des genannten Rezi­ prokwandlers 85a, d. h. e_a bis e_c, werden den Leistungs­ verstärkern 63a bis 63c zugespeist, wobei mittels der Spannungen e_a bis e_c erzeugte oder gebildete Erregungs­ ströme den Wicklungen 56 zugespeist werden.

Die Steuerungsspannungs-Rechenoperationsschaltung 84a umfaßt eine Vertikalbewegungsmodus-Steuerspannungsre­ chenoperationsschaltung 86a zum Berechnen einer z-Mo­ dus-Elektromagnetsteuerspannung e_z aus Δz und Δi_z, eine Kippmodus-Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 88a zum Berechnen einer ξ-Modus-Elektromagnetsteuer­ spannung eξ aus Δξ und Δiξ sowie eine Drehmodus- Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 89a zum Berech­ nen einer w-Modus-Elektromagnetsteuerspannung e_w aus Δiw.

Die genannte Rechenoperationsschaltung 86a bildet eine Nulleistungsregel- oder -steuerschleife, in welcher ein Mittelwert u_z einer auf die Magneteinheiten 31a bis 31c einwirkenden externen z-Achsen-Kraft durch z. B. einen Zustandswächter abgeschätzt wird, wobei dieser Mittel­ wert mit einer vorbestimmten Verstärkung multipliziert und das Ergebnis zur Elektromagneterregungsspannung e_z rückgekoppelt wird. Die obige Rechenoperationsschaltung 88a bildet eine Nulleistungssteuerschleife, in welcher Δξ und Δiξ mit vorbestimmten Verstärkungen, die nicht gleichzeitig gleich Null sind, multipliziert und dann einem Filter einer Übertragungsfunktion erster Ord­ nung eingegeben werden; das Ausgangssignal des Filters wird zur Elektromagneterregungsspannung eξ rückgekop­ pelt. Weiterhin bildet die obige, andere Rechenopera­ tionsschaltung 89a eine Nulleistungssteuerschleife, in welcher Δiw einem Integralkompensator einer vorbestimm­ ten Verstärkung (gain) eingegeben und das Ausgangssi­ gnal dieses Kompensators zur Elektromagneterregungsspan­ nung e_w rückgekoppelt wird.

Insbesondere umfaßt die Vertikalbewegungsmodus-Steuer­ spannungsrechenoperationsschaltung 86a gemäß Fig. 11 einen Vertikalbewegungsmodus-Zustandswächter 201 zum Ab­ nehmen von Δz und Δiz sowie Berechnen und Ausgeben von Δz und Δz′′′, Δiz und uz′′ (in vorliegender Be­ schreibung wird ein Zeichen (′′) anstelle eines eine Schätzung angebenden "Hut"-Zeichens benutzt), einen Ver­ stärkungskompensator 91 zum Abnehmen von Δz und Multi­ plizieren von Δz mit einer Rückkopplungsverstärkung (feedback gain) F_1z, einen Verstärkungskompensator 92 zum Abnehmen von Δz und Multiplizieren von Δz mit einer Rückkopplungsverstärkung F_4z, einen Verstärkungs­ kompensator 93 zum Multiplizieren von Δiz mit einer Rückkopplungsverstärkung F_7z, einen Verstärkungskompen­ sator 203 zum Multiplizieren von u_z mit einer Rückkopp­ lungsverstärkung F_8z, eine Summierstufe 97a zum Berech­ nen einer Summe der Ausgangssignale von den Verstär­ kungskompensatoren 91, 92, 93 und 203 sowie eine Subtra­ hierstufe 98 zum Subtrahieren des Ausgangssignals der Summierstufe 97a von einem Ausgangssignal eines Ziel­ wertgenerators 94a. Die Subtrahierstufe 98 gibt ein Si­ gnal e_z aus. Die genannte Rechenoperationsschaltung 86a gewährleistet oder bewirkt somit die in Fig. 12 gezeig­ te Steuerung. In Fig. 12 stehen α₁₁ und α₂₁ für Konstan­ ten, die frei bestimmbar sind, so daß die charakteristi­ schen Wurzeln an der linken Hälfte einer komplexen Ebe­ ne liegen, wenn det[sI-A′′] = 0 gilt.

Die oben beschriebene z-Modus-Nulleistungssteuerung ist z. B. aus der JP-Patentanmeldung 60-146033 bekannt; auf eine genaue Beschreibung kann daher verzichtet werden. In diesem Fall wird u_z′′ eingegeben und mit der Verstär­ kung F_8z multipliziert. Durch die Subtrahierstufe 98 wird ein Ausgangssignal gebildet. Damit ist die Nullei­ stungssteuerschleife geformt. Da F_8z = (d₄₁/a₄₁) gilt, ist F_8z, ebenso wie F_1z, kleiner als Null (F_8z < 0). Wenn das Eingangssignal u_z′′ positiv (negativ) ist, ist selbstverständlich das Ausgangssignal e_z positiv (nega­ tiv).

Die Kippmodus-Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 88a umfaßt gemäß Fig. 13 eine Differenzierschaltung 90 zum Abnehmen von Δξ und Berechnen und Ausgeben eines Zeitdifferenzier- bzw. -Ableitungswerts Δξ′ von Δξ einen Verstärkungskompensator 91 zum Abnehmen von und Multiplizieren von &$ mit einer Rückkopplungsver­ stärkung F_{1 ξ}, einen Verstärkungskompensator 92 zum Ab­ nehmen von Δξ und Multiplizieren von Δξ mit einer Rückkopplungsverstärkung F_{4 ξ}, einen Verstärkungskompen­ sator 93 zum Abnehmen von Δiξ und Multiplizieren die­ ser Größe mit einer Rückkopplungsverstärkung F_{7 ξ}, einen Zielwertgenerator 94a, eine Subtrahierstufe 95a zum Subtrahieren von Δξ von einem Zielwert des Ziel­ wertgenerators 94a, ein Filter 211 mit einer Durchlaß­ funktion erster Ordnung einer charakteristischen Wurzel -λf und einer Verstärkung P1ξ und zum Abnehmen einer Ausgangsgröße der Subtrahierstufe 95a, einen Zielwert­ generator 94aa, eine Subtrahierstufe 95aa zum Subtrahie­ ren von Δiξ vom Zielwert des Generators 94aa, ein Filter 212 einer Durchlaßfunktion erster Ordnung einer charakteristischen Wurzel -λf und einer Verstärkung P7ξ und zum Abnehmen einer Ausgangsgröße der Subtra­ hierstufe 95aa, eine Summierstufe 97 zum Berechnen einer Summe der Ausgangssignale von den Verstärkungskom­ pensatoren 91 bis 93, eine Summierstufe 97a zum Berech­ nen einer Summe der Ausgangssignale von den Filtern 211 und 212 sowie eine Subtrahierstufe 98a zum Subtrahieren der Ausgangsgröße der Summierstufe 97 von der Ausgangs­ größe der Summierstufe 97a.

Das Ausgangssignal der Subtrahierstufe 98a ist eξ. Die Kippmodus-Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 88a gewährleistet somit die ξ-Modussteuerung gemäß Fig. 14. Gemäß Fig. 14 besteht die folgende Beziehung:

P = (P_{1 ξ}OP_{7 ξ}), T_f = 1/λ_f
P_1H = -F_{1 ξ ′}P_{7 ξ} = F_{7 ξ ′}λ_f < 0.

Wenn die Eingangssignale zu den Filtern 211 und 212 von den Subtrahierstufen 95a und 95aa positive Stufenein­ gänge sind, gilt eξ < 0. Selbstverständlich ist eine Nulleistungsschleife so gebildet, daß die Ausgangsgrö­ ßen von den Subtrahierstufen 95a und 95aa der Subtra­ hierstufe 98a über die Filter 211 und 212 zugespeist werden und das Ausgangssignal von der Subtrahierstufe 98a gewonnen bzw. gebildet wird.

Die Drehmodus-Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 89a umfaßt gemäß Fig. 15 einen Verstärkungskompensator 93 zum Abnehmen von Δiw und Multiplizieren dieser Grö­ ße mit einer Rückkopplungsverstärkung F_7w, einen Strom­ abweichung-Zielwertgenerator 94, eine Subtrahierstufe 95 zum Subtrahieren von Δiw von einem Zielwert dieses Generators 94, einen Integralkompensator 96 zum Inte­ grieren des Ausgangssignals der Subtrahierstufe 95 und Multiplizieren des Integrationsergebnisses mit einer Rückkopplungsverstärkung K_7w (vgl. Fig. 7) und eine Subtrahierstufe 98a zum Subtrahieren des Ausgangssi­ gnals des Verstärkungskompensators 93 von der Ausgangs­ größe des Integralkompensators 96. Das Ausgangssignal der Subtrahierstufe 98a ist e_w. Diese Schaltung 98a be­ wirkt oder gewährleistet somit die Steuerung entspre­ chend F = (0 0 F_7w), K = (0 0 K_7w), soweit dies die Rückkopplungsverstärkungen F und K im RΦ-Modus nach Fig. 7 betrifft. Selbstverständlich ist der Gewinn oder die Verstärkung K_7w des Integralkompensators 96 posi­ tiv.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Richtung zum Führen des Schwebeobjekts nicht gesteuert, doch be­ steht dabei keinerlei Einschränkung bezüglich des Vor­ handenseins/Fehlens einer Steuerung der Richtung für Führung. Beispielsweise kann hierfür eine in Fig. 16 ge­ zeigte Anordnung angewandt werden.

Bei dieser Anordnung ist das Schwebeobjekt 15 der Ma­ gnetschwebeanordnung gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 dahingehend abgewandelt, daß magnetische Trag­ einheiten 31a bis 31d ohne Zwischenfügung der spaltva­ riablen Mechanismen 101 unmittelbar an einer Basis 25 hoher Steifheit angebracht sind und dadurch ein Schwebe­ objekt 15 gebildet ist. Bei dieser Magnetschwebeanord­ nung 10b besitzen Steuervorrichtungen 41b einen ähnli­ chen Aufbau wie Steuervorrichtungen gemäß der früheren JP-Patentanmeldung 1-53165. Fig. 17 veranschaulicht den Aufbau der Steuervorrichtung 41b.

Bei der Steuervorrichtung 41b besitzen eine Vertikalbe­ wegungsmodus-Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 221, eine Roll- und Querbewegungsmodus-Steuerspannungs­ rechenoperationsschaltung 223 und eine Kippmodus-Steu­ erspannungsrechenoperationsschaltung 225 jeweils einen ähnlichen Aufbau wie die betreffenden Schaltungen nach der JP-Patentanmeldung 1-53165. Da die Basis 25 des Schwebeobjekts 15b eine hohe Steifheit besitzt, unter­ scheidet sich der Aufbau einer Giermodus-Steuerspan­ nungsrechenoperationsschaltung 227 von demjenigen der entsprechenden Schaltung gemäß der JP-Anmeldung 1-53165.

Sofern der Schwerpunkt des Schwebeobjekts 15d in dessen Zentrum liegt, werden oder sind Bewegungsformeln für Be­ wegung des Schwebeobjekts 15b und Spannungsformeln für Erregungsspannung, die an die Elektromagnete der magne­ tischen Trageinheiten 31a bis 31d angelegt ist, im prak­ tisch normalen Schwebezustand auf der Grundlage eines Koordinatensystems gemäß Fig. 16 linearisiert und in vier Moden ausgedrückt: Vertikalbewegung des Schwer­ punkts (z-Richtung), Rollen des Schwerpunkts (R-Rich­ tung), Kippen des Schwerpunkts (ξ-Richtung) und Gier­ bewegung um den Schwerpunkt (Φ-Richtung). Linearisierte Differentialgleichungen von z-, R- und ξ-Modus sind die gleichen wie für z-, Ry- und ξ-Modus gemäß JP-Pa­ tentanmeldung 1-53165. Wenn Formeln (21) und (22) einer Koordinatenumwandlung bezüglich der jeweiligen Moden un­ terworfen werden und wenn IΦ das Trägheitsmoment des Schwebeobjekts 15 um die z-Achse, y die Abweichung der Magneteinheiten 31a bis 31d auf der y-Achse vom norma­ len Schwebezustand und TΦ die auf das Schwebeobjekt 15b wirkende Drehmomentstörung um die z-Achse sind, erhält man Formel (23) bezüglich des Φ-Modus:

Bezüglich der anderen drei Moden sollte auf die JP-Pa­ tentanmeldung 1-53165 Bezug genommen werden, so daß auf eine Beschreibung verzichtet wird. Durch Koordinatenum­ wandlung von Formel (21) werden drei Signale, Δz, ΔR und Δξ vom Schwebespaltlängenabweichungs/Kordinaten- Wandler 81b geliefert. Bezüglich Formel (23) kann der Zustandsvektor so definiert werden, wie er in Formel (24) ausgedrückt ist:

x₃ = (ΔΦ ΔΦ′ Δi_Φ) (24).

Nach dieser Definition kann Formel (23) durch Formel (7) ausgedrückt werden. Wenn dabei e_Φ eine Steuerspan­ nung zum Stabilisieren des Φ-Modus ist, gilt e3 = eΦ in Formel (7). Die betreffenden Steuerspannungen in den Magneteinheiten 31a bis 31d ergeben sich durch Ersetzen oder Einsetzen von eΦ für eRΦ in Formel (9).

Bezüglich des Φ-Modus ist der Zustandswächter zum Schät­ zen von ΔΦ′′ und ΔΦ′′′ nach Formel (7) unter Heran­ ziehung von ΔiΦ beispielsweise wie folgt konstruiert:

Wenn ΔΦ′′ und ΔΦ′′′, als ΔiΦ geschätzt, über einen ge­ eigneten Verstärkungskompensator zu eΦ rückgekoppelt werden und gleichzeitig ΔiΦ über einen geeigneten Inte­ gralkompensator zu eΦ rückgekoppelt wird, kann eine Sta­ bilisierung des Φ-Modus nach Formel (7) nebst einer Nulleistungsregelung oder -steuerung erreicht werden. Dabei wird ΔiΦ zu Null verkleinert, so daß ein Gieren des Schwebeobjekts 15b schnell gedämpft wird. Fig. 18 ist ein Steuer-Blockschaltbild für diesen Fall.

Zur Stabilisierung des Systems gemäß Fig. 18 ist es nö­ tig, daß ein konstantes Glied einer mehrgliedrigen For­ mel von oder für s an der linken Seite der nachstehen­ den Charakteristikgleichung von s eine positive Größe besitzt:

det[sI-A)det[sI-A+bFI+bKI/s]s = 0 (25).

In Fig. 18 sind eine Ausgangsmatrix C, ein Rückkopp­ lungsverstärkungskompensator F und ein Integralkompensa­ tor K wie folgt definiert:

C = (0 0 1),
F = (F_{3 Φ} F_{6 Φ} F_{7 Φ}),
K = (K_{7 Φ}).

Da α₁₁ und α₂₁ zum Stabilisieren des Zustandswächters gesetzt oder vorgegeben sind, ist das Glied 0-ter Ord­ nung von s von det[SI-A] eine positive Größe. Anderer­ seits wird das Glied 0-ter Ordnung von s der folgenden Formel (26) in Formel (25) durch folgende Formel (27) ausgedrückt:

Da die magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d bestrebt sind, den Führungsschienen 12a und 12b zu folgen, ist stets eine Formel δFy/δy < 0 gültig. Wenn somit

K_7i < 0 (28)

gilt, ist das konstante Glied der mehrgliedrigen Formel von s in Formel (25) eine positive Größe.

Da die Charakteristikformeln des z- und ξ-Modus, an­ ders als im Fall des Zustandswächters, der Formel (26) ähnlich sind, bestimmen sich die Glieder 0-ter Ordnung von s bei diesen Moden durch folgendes:

Da δFz/δz < 0 gilt, gilt, wenn diese Moden stabil sind:

K_7i(i = z, ξ) < 0 (31).

Zur Gewährleistung der Steuerung nach Fig. 18 besitzt die Giermodus-Steuerspannungsrechenoperationsschaltung 227 den Aufbau gemäß Fig. 19. Insbesondere umfaßt diese Schaltung 16313 00070 552 001000280000000200012000285911620200040 0002004341661 00004 16194227 einen Giermodus-Zustandswächter 230 zum Abnehmen von ΔiΦ, durch die Formel (22) ausgedrückt, sowie der Φ-Modus-Elektromagnetsteuerspannung eΦ, zum Bilden von Schätzwerten ΔΦ′′ und ΔΦ des Gierwinkels ΔΦ und der Gierrichtungs-Winkelgeschwindigkeit ΔΦ′ des Schwebeobjekts 15b sowie zum Ausgeben von ΔΦ′′, ΔΦ′′′ und ΔiΔΦ, einen Verstärkungskompensator 91 zum Abnehmen von ΔΦ′′ und Multiplizieren dieser Größe mit einer Rückkopplungsverstärkung F_{3 Φ}, einen Verstärkungs­ kompensator 92 zum Abnehmen von ΔΦ′′′ und Multiplizie­ ren dieser Größe mit einer Rückkopplungsverstärkung F_{6 Φ}, einen Verstärkungskompensator 93 zum Abnehmen von ΔiΦ und Multiplizieren dieser Größe mit einer Rückkopp­ lungsverstärkung F_{7 Φ}, einen Stromabweichung-Zielwert­ generator 94, eine Subtrahierstufe 95 zum Subtrahieren von ΔiΦ von einem Zielwert des Generators 94, einen In­ tegralkompensator 96 zum Integrieren des Ausgangssi­ gnals der Subtrahierstufe 95 und Multiplizieren des Er­ gebnisses mit einer Rückkopplungsverstärkung K_{7 Φ}, eine Summierstufe 97 zum Berechnen einer Summe der Ausgangs­ signale der Verstärkungskompensatoren 91 bis 93 sowie eine Subtrahierstufe 98 zum Subtrahieren der Ausgangs­ größe der Summierstufe 97 von der Ausgangsgröße des In­ tegralkompensators 96. Das Ausgangssignal der Subtra­ hierstufe 98 ist eΦ. Selbstverständlich nimmt die Ver­ stärkung K_{7 Φ} des Integralkompensators 96 eine positive Größe an, und die Verstärkung K_{7 Φ}(i = z, ξ) der Inte­ gralkompensatoren für die anderen Moden besitzt jeweils eine negative Größe.

Bei der obigen Ausführungsform wird in den vom z- und ξ-Modus verschiedenen Moden oder Betriebsarten des Schwebeobjekts 15 der Erregungsstrom für die magneti­ sche Trageinheit über den Integralkompensator in der Nulleistungssteuerung zur Erregungsspannung rückgekop­ pelt. Dies beschränkt nicht das Steuersystem der Null­ leistungssteuerschleife der vom z- und ξ-Modus ver­ schiedenen Moden.

Beispielsweise kann die Drehmodus-Steuerspannungsrechen­ operationsschaltung 88 der Steuervorrichtung 41 den Auf­ bau gemäß Fig. 11 besitzen. Wenn eine externe bzw. äuße­ re Störung geschätzt und eine Nulleistungssteuerung be­ wirkt wird, bestimmt sich der Gewinn oder die Verstär­ kung F_8i (i = z, ξ, R, RΦ) der Nulleistungsrückkopp­ lungsschleife (bzw. -regelschleife) RΦ-Modus wie folgt:

F_{8 RΦ} = (d₄₁/a₄₁)F_{1 RΦ}.

Es gilt jedoch F_{8 RΦ} < 0, weil F_{1 RΦ} < 0, a₄₁ < 0 und d₄₁ < 0. Weiterhin kann die Drehmodus-Steuerspannungs­ rechenoperationsschaltung 88 den in Fig. 13 gezeigten Aufbau aufweisen. In diesem Fall ist es für die Stabili­ sierung des RΦ-Modus nötig, daß ein konstantes Glied, λ_fa₄₁a₇₇ einer mehrgliedrigen Formel von s an der linken Seite der Charakteristikgleichung (32) durch Gleichung (33) gegeben oder bestimmt ist:

(s+λ_f)det[sI-A+BFC+λ_fBPC/(s+λ_f)] = 0 (32)
λ_fa₄₁a₇₇ < 0 (33).

Da in Formel (31) a₄₁ < 0 und d₇₇ < 0 gilt, muß sich λ_f aus Formel (34) ergeben:

gK_f < 0 (34).

Wenn somit die Ausgangssignale der Subtrahierstufen 95a und 95aa positive Stufensignale sind, besitzen die Aus­ gangssignale der Filter 211 und 212 negative Größen, und es kann die ΔΦ-Modus-Nulleistungssteuerung durchge­ führt werden.

Bei jeder der obigen Ausführungsformen ist die Zahl der magnetischen Trageinheiten um eins größer als eine er­ forderliche Mindestzahl von Steuermoden für das magneti­ sche Schwebenlassen der Basis. Dies bedeutet jedoch kei­ ne Einschränkung für die Zahl der Steuermoden für das magnetische Schwebenlassen der Basis, die Zahl der ma­ gnetischen Trageinheiten oder die Zahl der Führungs­ schienen. Je nach Verwendungszweck, Form des Schwebe­ objekts, Gewicht der Last usw. kann die erfindungsge­ mäße Magnetschwebeanordnung innerhalb des Rahmens der Ansprüche verschiedenartig abgewandelt werden, wie dies beispielsweise in den Fig. 20 bis 26 dargestellt ist.

Bei dem in Fig. 20 dargestellten Schwebeobjekt 15c sind drei Paare magnetischer Trageinheiten 31a bis 31f an einer Basis 25c, drei Führungsschienen 12a, 12b bzw. 12c gegenüberstehend angebracht. Bei dieser Konstruk­ tion wird das Gesamtgewicht des Schwebeobjekts auf die Führungsschienen verteilt, wodurch das Gewicht bzw. die Größe der auf eine Führungsschiene wirkenden Last ver­ kleinert ist. Gemäß Fig. 21 sind magnetische Trageinhei­ ten 31a bis 31d auf die dargestellte Weise vier ferroma­ gnetischen Führungen 312a bis 312d gegenüberstehend an­ geordnet, wodurch das Schwebeobjekt 15d gebildet ist. Diese Anordnung eignet sich vorteilhaft für eine schwin­ gungssichere Basis. Gemäß Fig. 22 sind weiterhin acht magnetische Trageinheiten 31a bis 31h unter Bildung eines Schwebeobjekts 15b an einer Basis 25e angebracht. Dabei wird das Gesamtgewicht des Schwebeobjekts (gleich­ mäßig) auf die magnetischen Trageinheiten verteilt, so daß die Belastung jeder einzelnen magnetischen Tragein­ heit verringert ist.

Bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen sind die magnetischen Trageinheiten waagerecht an der Basis ange­ bracht und so angeordnet, daß sie den Unterseiten der flachen Führungsschienen gegenüberliegen. Erfindungsge­ mäß sind jedoch die Lagenbeziehung sowie der Quer­ schnitt der Führungsschienen nicht hierauf beschränkt. Die Führungen oder Führungsschienen können nahezu belie­ big angeordnet sein und eine beliebige (geeignete) Quer­ schnittsform aufweisen, sofern nur die magnetischen Trageinheiten eine Anziehungskraft auf die Führungs­ schienen ausüben und die Nulleistungssteuerung mittels dieser Anziehungskraft möglich ist. Verschiedene Abwand­ lungen sind beispielsweise in den Fig. 23 bis 26 darge­ stellt. Gemäß Fig. 23 sind flache Führungsschienen 314a und 314b jeweils einer Breite, wie im wesentlichen dem Abstand zwischen den Außenabschnitten der Joche 55 je­ der der magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d (Einhei­ ten 31c und 31d nicht dargestellt) entspricht, in schrä­ ger Anordnung an einem Fahrbahnrahmen 31 befestigt. Die magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d sind den Unter­ seiten der Führungsschienen 314a und 314b zugewandt an­ geordnet, wobei Spaltsensoren 34a bis 34d (Sensoren 34c und 34d nicht gezeigt) an der Oberseite einer Basis 25f so montiert sind, daß sie die Schwebespaltlänge in der Tragrichtung zu messen bzw. abzugreifen vermögen. Auf diese Weise ist ein Schwebeobjekt 15f gebildet. In die­ sem Fall ist die zwischen den magnetischen Trageinhei­ ten 31a bis 31d und den Führungsschienen 314a und 314b wirkende Anziehungskraft in eine Tragkraft (z-Richtung) und eine Führungskraft (y-Richtung) unterteilt, so daß damit eine große Führungskraft erreicht werden kann. Gemäß Fig. 24 sind Führungsschienen 318a und 318b eines U-förmigen Querschnitts in lotrechter Stellung an einem Fahrbahn-Rahmen 320 befestigt. Jede der Führungsschie­ nen 318a und 318b ist zwei Jochen 55 der betreffenden magnetischen Trageinheiten 31a bis 31d (Einheiten 31c und 31d nicht gezeigt) zugewandt. Die magnetischen Trag­ einheiten 31a bis 31d sind an vier Enden an Seitenflä­ chen einer Basis (Tragplatte) 25g eines H-förmigen Quer­ schnitts, den Führungsschienen 318a und 318b zugewandt, montiert. Außerdem sind Spaltsensoren 34a bis 34d (34c und 34d nicht gezeigt) an den Trageinheiten 31a bis 31d so montiert, daß sie die Spaltlänge in der Führungsrich­ tung zu messen vermögen. Auf diese Weise ist ein Schwe­ beobjekt 15g gebildet. An bzw. auf der Basis 25g sind eine Steuervorrichtung 41c, eine Stromversorgung 43 und ein Lasttisch 322 angeordnet.

Die Steuervorrichtung 41c besitzt die Ausgestaltung ge­ mäß Fig. 25. Genauer gesagt: der allgemeine Aufbau der Steuervorrichtung 41c ist ähnlich wie bei der Steuervor­ richtung 41, wobei jedoch die Inhalte der Rechenopera­ tionen des Schwebespaltlängenabweichungs/Koordinaten- Wandlers 81, des Stromabweichungs/Koordinaten-Wandlers 83 und des Steuerspannungs/Koordinaten-Reziprokwandlers 85 auf die durch folgende Formeln (35), (36) und (37) angegebene Weise abgewandelt sind:

In Fig. 5 sind die Wandler mit Bezugsziffern mit einem angehängten Buchstaben "c" bezeichnet. Die Gewinne oder Verstärkungen K_{7 R} und K_{7 RΦ} der Integral-Kompensatoren 96 der Rollmodus-Steuerspannungsrechenoperationsschal­ tung 87 und der Drehmodus-Steuerspannungsrechenopera­ tionsschaltung 89 sind auf negative Größen gesetzt. Die Verstärkungen F_1z′F_4z der genannten Schaltung 86 sowie die Verstärkung F_{1 u ′} und F_{4 ξ} der Drehmodus-Steuerspan­ nungsrechenoperationsschaltung 88 bzw. 89 sind auf Null gesetzt, weil das Schwebeobjekt 15g nicht mit einem spaltvariablen Mechanismus versehen ist. Die Verstärkun­ gen K_7z und K_{7 ξ} ihrer Integral-Kompensatoren 96 sind auf positive Größen eingestellt. Wenn bei diesem Bei­ spiel die Joche 52 in der z-Richtung verschoben sind oder werden, wird das Gesamtgewicht des Schwebeobjekts 15g von der auf die Führungsschienen 318a und 318b wir­ kenden Aufwärts-Anziehungskraft getragen. Dabei kann der größte Teil der zwischen den Jochen 55 und den Füh­ rungsschienen 318a und 318b wirkenden Anziehungskraft als Führungskraft genutzt werden.

Bei dem in Fig. 26 dargestellten Beispiel sind abwärts­ gerichtete Spaltsensoren 34a bis 34d (Sensoren 34c und 34d nicht sichtbar) an den unteren Endabschnitten der vier Enden der Basis 25g angebracht, wobei die Steuer­ vorrichtung 41 durch eine Steuervorrichtung 41b ersetzt ist. Wenn sich das Schwebeobjekt 15a abwärts bewegt oder verschiebt, verkleinert sich die Spaltlänge einer jeden magnetischen Trageinheit. In der Steuervorrich­ tung 41b sind daher die Vorzeichen aller Gewinne oder Verstärkungen der Verstärkungs-Kompensatoren, denen die von den Spaltsensoren 34a bis 34d gelieferten z-, R- und Φ-Modus-Signale eingegeben werden, umgekehrt. Bei diesem Beispiel kann eine die Schwebekraft wesentlich übersteigende Führungskraft erzielt werden, so daß eine Querbewegung und ein Gieren des Schwebeobjekts 15h durch die Schwebe/Führungssteuerung schnell verkleinert werden kann.

Außerdem ist bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Eingang bzw. das Eingangssignal zur Nulleistungs­ rückkopplungsschleife die lineare Kopplung der Spaltmen­ ge, ihre Änderungsgeschwindigkeit oder die lineare Kopp­ lung des Erregungsstroms der Wicklung 56. Hierdurch wird jedoch die der Nulleistungsrückkopplungsschleife einzugebende Zustandsgröße (state amount) nicht be­ grenzt oder eingeschränkt. Beispielsweise können bei der Nulleistungssteuerung für das Schwebeobjekt 15a gemäß Fig. 9 die Erregungsspannungen e_z, e_ξ und e_w der jeweiligen Moden oder Betriebsarten als Eingangssignale für die Nulleistungsrückkopplungsschleife benutzt wer­ den. Das Nulleistungssteuersystem, bei dem die Erre­ gungsspannung der Wicklung 56 der Nulleistungsrückkopp­ lungsschleife eingegeben oder eingespeist wird, ist in der JP-Patentanmeldung 1-83710 im einzelnen beschrieben und daher vorliegend nicht näher erläutert.

In diesem Fall sind die Vertikalbewegungsmodus-, Kipp­ modus- und Drehmodus-Steuerspannungsrechenoperations­ schaltungen 86a, 88a bzw. 89a der Steuerspannung-Rechen­ operationsschaltung 84a durch eine Vertikalbewegungsmo­ dus- und eine Kippmodus-Steuerspannungsrechenoperations­ schaltung 86a′ bzw. 88a′, die gemäß Fig. 27 identische Bauelemente umfassen, sowie eine Drehmodus-Steuerspan­ nungsrechenoperationsschaltung, 89a′ ersetzt (vgl. Fig. 28).

Fig. 29 ist ein Blockschaltbild dieses magnetischen Schwebesteuersystems. Das konstante Glied der charakte­ ristischen Formel des Systems ist a₄₁a₇₇K_7z′a₄₁a₇₇K₇ im z-Modus und ξ-Modus sowie -a₇₇K_7w im w-Modus. Da sich aufgrund der Charakteristik (Kennlinie) des magne­ tischen Schwebesystems a₄₁ < 0 und a₇₇ < 0 ergeben, ist es für das stabile Schwebenlassen des Schwebeobjekts 15a selbstverständlich nötig, daß die Gewinne oder Ver­ stärkungen K_7z und K_7HK der Integral-Kompensatoren 96′ der genannten Schaltungen 86a′ und 88a′ negative Größen aufweisen, während der Gewinn oder die Verstärkung K_7w des Integral-Kompensators 96a′ der genannten Schaltung 89a′ eine positive Größe aufweist.

In jedem der oben beschriebenen Beispiele sind die Steu­ ervorrichtung und ihre Operation bzw. Arbeitsweise un­ ter dem Gesichtspunkt einer Analogsteuerung beschrieben worden. Das Steuersystem ist jedoch nicht hierauf be­ schränkt, vielmehr kann auch ein digitales Steuersystem benutzt werden. Innerhalb des Rahmens der Erfindung sind verschiedene weitere Abwandlungen möglich.

Wie vorstehend beschrieben, werden bei der erfindungsge­ mäßen Magnetschwebeanordnung die magnetischen Tragein­ heiten und das Schwebeobjekt nicht unabhängig oder ge­ trennt bewegt. Wenn das Schwebeobjekt vom Fahrbahnende abgenommen wird, kann daher durch Halten oder Zurückhal­ ten eines Teils des Schwebeobjekts vermieden werden, daß die magnetische Trageinheit aufgrund der auf die Führungsschienen wirkenden Anziehungskraft an den Füh­ rungsschienen anstößt oder an diese angezogen wird. Außerdem ist dabei die Handhabung des Schwebeobjekts selbst einfach, und die Wartbarkeit der Anordnung kann erheblich verbessert sein.

Claims (27)

1. Magnetschwebeanordnung, umfassend
eine Führungsschiene, von der mindestens ein Ab­ schnitt aus einem magnetischen Werkstoff geformt ist,
ein von der Führungsschiene berührungsfrei getra­ genes Schwebeobjekt,
mehrere magnetische Trageinheiten zum magneti­ schen Schwebenlassen (levitating) des Schwebeob­ jekts, mit jeweils einem Elektromagneten und einem Dauermagneten, wobei der Elektromagnet und der Dauermagnet mit der Führungsschiene einen Magnet­ kreis bilden,
mehrere spaltvariable Mechanismen (Mechanismen mit variablen Spalten) zum unabhängigen Ändern der Spaltlängen zwischen den magnetischen Trageinheiten und der Führungsschiene, wobei jeder spaltvariable Mechanismus ein elastisches Element aufweist, das zwischen einer zugeordneten der magnetischen Trag­ einheiten und dem Schwebeobjekt angeordnet ist,
eine Steuereinheit zum Steuern der magnetischen Trageinheiten,
ferner eine Sensoreinheit zum Erfassen oder Mes­ sen des Zustands des Magnetkreises jeder der magne­ tischen Trageinheiten und
eine Steuereinrichtung zur Durchführung einer Nulleistungs-Schwebekraftsteuerung und einer spezi­ fischen Steuerung, von denen erstere durchgeführt wird, um einen Erregungsstrom des Elektromagneten mindestens einer der magnetischen Trageinheiten zu Null zu reduzieren und dadurch den magnetischen Schwebezustand des Schwebeobjekts zu stabilisieren, und zwar auf der Grundlage eines Ausgangssignals von der Sensoreinheit, und wobei die spezifische Steuerung durchgeführt wird zur Steuerung bzw. Re­ gelung eines Erregungsstroms des Elektromagneten mindestens einer der magnetischen Trageinheiten, um damit die Nulleistungs-Schwebekraftsteuerung unab­ hängig von der Größe einer Federkonstante des ela­ stischen Elements zu bewirken, und zwar auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Sensorein­ heit.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung umfaßt:
eine erstes Nulleistungssteuerschleifensystem, um ein Rechenergebnis der Erregungsströme für die Elektromagnete von mindestens zwei magnetischen Trageinheiten, welche zumindest Bewegungsfreiheits­ grade zweiter Ordnung des Schwebeobjekts definie­ ren, zu Null zu reduzieren, wobei das erste Null­ leistungssteuerschleifensystem mindestens einen Steuermodus (control mode) zum Steuern einer Aus­ gangsgröße auf die einer Eingangsgröße entgegenge­ setzte Polarität aufweist, und
ein zweites Nulleistungssteuerschleifensystem, um einen Erregungsstrom für den Elektromagneten mindestens einer der magnetischen Trageinheiten auf der Grundlage eines Rechenergebnisses der Erregungs­ ströme für die Elektromagnete von mindestens zwei der magnetischen Trageinheiten, welche zumindest Bewegungsfreiheitsgrade zweiter Ordnung des Schwe­ beobjekts definieren, sowie eines Rechenergebnisses der Erregungsströme für die Elektromagnete von min­ destens zwei magnetischen Trageinheiten, die keinen Beitrag zu zumindest den Bewegungsfreiheitsgraden zweiter Ordnung des Schwebeobjekts leisten, zu Null zu reduzieren, wobei das zweite Nulleistungssteuer­ schleifensystem mindestens einen Steuermodus zum Steuern einer Ausgangsgröße auf die einer Eingangs­ größe entgegengesetzte Polarität aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsfreiheitsgrade zweiter Ordnung in der Steuereinrichtung durch eine Vertikalbewegung und eine Kippbewegung des Schwerpunkts des Schwebe­ objekts definiert sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Nulleistungssteuerschleifensystem eine Einrichtung, um ein Rechenergebnis von Erre­ gungsströmen für die Elektromagnete von mindestens zwei der magnetischen Trageinheiten, die Beiträge zu einer Schwebesteuerung in einer Rollrichtung des Schwebeobjekts leisten, zu Null zu reduzieren, auf­ weist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Nulleistungssteuerschleifensystem eine Einrichtung zum Unterdrücken eines Gierens des Schwebeobjekts auf der Grundlage eines Rechenergeb­ nisses von Erregungsströmen für die Elektromagnete von mindestens zwei der magnetischen Trageinheiten aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsfreiheitsgrade zweiter Ordnung durch eine Quer- (oder Lateral-) und eine Gierbewe­ gung des Schwerpunkts des Schwebeobjekts definiert sind.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element des spaltvariablen Me­ chanismus eine vorbestimmte Federkraft aufweist, die so eingestellt ist, daß eine Reziprokzahl (inverse number) eine Änderungsgröße, pro Gewichts­ einheit, des Spalts, wenn die getragene Fläche fi­ xiert oder festgelegt ist und eine Last auf die Ma­ gneteinheit einwirkt, größer ist als ein Absolut­ wert einer Größe, die durch Differenzieren der An­ ziehung in der Richtung der Spaltänderung einer spe­ zifischen der magnetischen Trageinheiten durch die bzw. mit der Spaltlänge zu dem Zeitpunkt gebildet wird, wenn der Erregungsstrom für den Elektromagne­ ten gleich Null ist und eine maximale Last auf das Schwebeobjekt aufgesetzt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spaltvariable Mechanismus ein Körper des Schwebeobjekts zum gemeinsamen Tragen der mehreren magnetischen Trageinheiten ist.

9. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten und zweiten Null­ leistungssteuerschleifensysteme einen Integral-Kom­ pensator zum Abnehmen eines Rechenergebnisses von Erregungsströmen für die Elektromagnete von minde­ stens zwei der magnetischen Trageinheiten und zum Integrieren des Eingangsrechenergebnisses mit einem (einer) vorbestimmten Gewinn oder Verstärkung (gain) aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten und zweiten Null­ leistungssteuerschleifensysteme umfaßt:
einen Zustandswächter zum Überwachen (observing) einer Größe eines Rechenergebnisses einer auf den Elektromagneten einer spezifischen der magnetischen Trageinheiten wirkenden externen Kraft auf der Grundlage einer Ausgangsgröße der Sensoreinheit und
einen Gewinn- oder Verstärkungskompensator zum Abnehmen eines Schätzwerts des Zustandswächters und Multiplizieren des eingegebenen Schätzwerts mit einem (einer) vorbestimmten Gewinn oder Verstärkung (gain).

11. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten und zweiten Null­ leistungssteuerschleifensysteme ein Filter mit einer Übertragungsfunktion erster Ordnung zum Ab­ nehmen eines Rechenergebnisses einer Spaltlänge zwischen dem Elektromagneten einer spezifischen der magnetischen Trageinheiten und der Führungsschiene, eines Zeitänderungsfaktors des Rechenergebnisses und eines Rechenergebnisses eins Erregungsstroms für den Elektromagneten der spezifischen einen ma­ gnetischen Trageinheit und Multiplizieren der abge­ nommenen Eingänge (Eingangssignale) mit vorbestimm­ ten Gewinnen oder Verstärkungen, die nicht gleich­ zeitig gleich Null sind.

12. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit zumindest eine Spaltlänge zwischen dem Elektromagneten und der Führungsschie­ ne, eine Änderungsgeschwindigkeit der Spaltlänge und/oder einen Erregungsstrom für den Elektromagne­ ten ermittelt (obtains).

13. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten und zweiten Null­ leistungssteuerschleifensysteme einen Integral-Kom­ pensator zum Abnehmen eines Rechenergebnisses eines Erregungsstroms für den Elektromagneten einer spe­ zifischen der magnetischen Trageinheiten und zum Integrieren des eingegebenen Rechenergebnisses mit einem (einer) vorbestimmten Gewinn oder Verstärkung aufweist.

14. Magnetschwebeanordnung, umfassend
eine Führungsschiene, von der mindestens ein Ab­ schnitt aus einem magnetischen Werkstoff geformt ist,
ein von der Führungsschiene berührungsfrei getra­ genes Schwebeobjekt,
mehrere magnetische Trageinheiten zum magneti­ schen Schwebenlassen (levitating) des Schwebeob­ jekts, mit jeweils einem Elektromagneten und einem Dauermagneten, wobei der Elektromagnet und der Dauermagnet mit der Führungsschiene einen Magnet­ kreis bilden,
eine Steuereinheit zum Steuern der magnetischen Trageinheiten,
ferner eine Sensoreinheit zum Erfassen oder Mes­ sen des Zustands des Magnetkreises jeder der magne­ tischen Trageinheiten und
eine Steuereinrichtung zur Durchführung einer Nulleistungs-Schwebekraftsteuerung und einer spezi­ fischen Steuerung, von denen erstere durchgeführt wird, um einen Erregungsstrom des Elektromagneten mindestens einer der magnetischen Trageinheiten zu Null zu reduzieren und dadurch den magnetischen Schwebezustand des Schwebeobjekts zu stabilisieren, und zwar auf der Grundlage eines Ausgangssignals von der Sensoreinheit, und wobei die spezifische Steuerung durchgeführt wird zur unabhängigen Ände­ rung einer Schwebespaltlänge jeder der magnetischen Trageinheiten auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Sensoreinheit.

15. Anordnung nach Anspruch 14, ferner umfassend:
eine Anzahl von spaltvariablen Mechanismen (Me­ chanismen mit variablen Spalten) zum unabhängigen Ändern von Spaltlängen zwischen den magnetischen Trageinheiten und der Führungsschiene, wobei jeder spaltvariable Mechanismus ein elastisches Element aufweist, das zwischen einer zugeordneten der ma­ gnetischen Trageinheiten und dem Schwebeobjekt ange­ ordnet ist.

16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung umfaßt:
eine erstes Nulleistungssteuerschleifensystem, um ein Rechenergebnis der Erregungsströme für die Elektromagnete von mindestens zwei magnetischen Trageinheiten, welche zumindest Bewegungsfreiheits­ grade zweiter Ordnung des Schwebeobjekts definie­ ren, zu Null zu reduzieren, wobei das erste Null­ leistungssteuerschleifensystem mindestens einen Steuermodus (control mode) zum Steuern einer Aus­ gangsgröße auf die einer Eingangsgröße entgegenge­ setzte Polarität aufweist, und
ein zweites Nulleistungssteuerschleifensystem, um einen Erregungsstrom für den Elektromagneten mindestens einer der magnetischen Trageinheiten auf der Grundlage eines Rechenergebnisses der Erregungs­ ströme für die Elektromagnete von mindestens zwei der magnetischen Trageinheiten, welche zumindest Bewegungsfreiheitsgrade zweiter Ordnung des Schwe­ beobjekts definieren, sowie eines Rechenergebnisses der Erregungsströme für die Elektromagnete von min­ destens zwei magnetischen Trageinheiten, die keinen Beitrag zu zumindest den Bewegungsfreiheitsgraden zweiter Ordnung des Schwebeobjekts leisten, zu Null zu reduzieren, wobei das zweite Nulleistungssteuer­ schleifensystem mindestens einen Steuermodus zum Steuern einer Ausgangsgröße auf die einer Eingangs­ größe entgegengesetzte Polarität aufweist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsfreiheitsgrade zweiter Ordnung in der Steuereinrichtung durch eine Vertikalbewegung und eine Kippbewegung des Schwerpunkts des Schwebe­ objekts definiert sind.

18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Nulleistungssteuerschleifensystem eine Einrichtung, um ein Rechenergebnis von Erre­ gungsströmen für die Elektromagnete von mindestens zwei der magnetischen Trageinheiten, die Beiträge zu einer Schwebesteuerung in einer Rollrichtung des Schwebeobjekts leisten, zu Null zu reduzieren, auf­ weist.

19. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Nulleistungssteuerschleifensystem eine Einrichtung zum Unterdrücken eines Gierens des Schwebeobjekts auf der Grundlage eines Rechenergeb­ nisses von Erregungsströmen für die Elektromagnete von mindestens zwei der magnetischen Trageinheiten aufweist.

20. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsfreiheitsgrade zweiter Ordnung durch eine Quer- (oder Lateral-) und eine Gierbewe­ gung des Schwerpunkts des Schwebeobjekts definiert sind.

21. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element des spaltvariablen Me­ chanismus eine vorbestimmte Federkraft aufweist, die so eingestellt ist, daß eine Reziprokzahl (inverse number) eine Änderungsgröße, pro Gewichts­ einheit, des Spalts, wenn die getragene Fläche fi­ xiert oder festgelegt ist und eine Last auf die Ma­ gneteinheit einwirkt, größer ist als ein Absolut­ wert einer Größe, die durch Differenzieren der An­ ziehung in der Richtung der, Spaltänderung einer spe­ zifischen der magnetischen Trageinheiten durch die bzw. mit der Spaltlänge zu dem Zeitpunkt gebildet wird, wenn der Erregungsstrom für den Elektromagne­ ten gleich Null ist und eine maximale Last auf das Schwebeobjekt aufgesetzt ist.

22. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der spaltvariable Mechanismus ein Körper des Schwebeobjekts zum gemeinsamen Tragen der mehreren magnetischen Trageinheiten ist.

23. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der erstens und zweiten Null­ leistungssteuerschleifensysteme einen Integral-Kom­ pensator zum Abnehmen eines Rechenergebnisses von Erregungsströmen für die Elektromagnete von minde­ stens zwei der magnetischen Trageinheiten und zum Integrieren des Eingangsrechenergebnisses mit einem (einer) vorbestimmten Gewinn oder Verstärkung (gain) aufweist.

24. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten und zweiten Null­ leistungssteuerschleifensysteme umfaßt:
einen Zustandswächter zum Überwachen (observing) einer Größe eines Rechenergebnisses einer auf den Elektromagneten einer spezifischen der magnetischen Trageinheiten wirkenden externen Kraft auf der Grundlage einer Ausgangsgröße der Sensoreinheit und
einen Gewinn- oder Verstärkungskompensator zum Abnehmen eines Schätzwerts des Zustandswächters und Multiplizieren des eingegebenen Schätzwerts mit einem (einer) vorbestimmten Gewinn oder Verstärkung (gain).

25. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten und zweiten Null­ leistungssteuerschleifensysteme ein Filter mit einer Übertragungsfunktion erster Ordnung zum Ab­ nehmen eines Rechenergebnisses einer Spaltlänge zwischen dem Elektromagneten einer spezifischen der magnetischen Trageinheiten und der Führungsschiene, eines Zeitänderungsfaktors des Rechenergebnisses und eines Rechenergebnisses eines Erregungsstroms für den Elektromagneten der spezifischen einen ma­ gnetischen Trageinheit und Multiplizieren der abge­ nommenen Eingänge (Eingangssignale) mit vorbestimm­ ten Gewinnen oder Verstärkungen, die nicht-gleich­ zeitig gleich Null sind.

26. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit zumindest eine Spaltlänge zwischen dem Elektromagneten und der Führungsschie­ ne, eine Änderungsgeschwindigkeit der Spaltlänge und/oder einen Erregungsstrom für den Elektromagne­ ten ermittelt (obtains).

27. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten und zweiten Null­ leistungssteuerschleifensysteme einen Integral-Kom­ pensator zum Abnehmen eines Rechenergebnisses eines Erregungsstroms für den Elektromagneten einer spe­ zifischen der magnetischen Trageinheiten und zum Integrieren des eingegebenen Rechenergebnisses mit einem (einer) vorbestimmten Gewinn oder Verstärkung aufweist.