NL1007127C2 - Draagsysteem. - Google Patents

Description

Titel: Draagsysteem

Er bestaat behoefte aan een draagsysteem ("support system"), waarbij een voorwerp trillingsvrij gedragen kan worden. Ter illustratie kan worden opgemerkt, dat het voorwerp zich dan kan gedragen alsof het vrij zwevend is, ontkoppeld 5 van de omgeving. Dat voorwerp kan een plateau of werkblad of tafel zijn, waarop een experimenteer-opstelling kan worden opgebouwd, en de uitvinding zal daarom in het hiernavolgende voor een dergelijk toepassingsvoorbeeld worden beschreven. Het zal echter duidelijk zijn, dat andere toepassingsvoorbeelden 10 ook mogelijk zijn, bijvoorbeeld bepaalde onderdelen in een positioneringssysteem.

Een belangrijke eis die aan een dergelijk plateau wordt gesteld, is dat het plateau trillingsvrij gepositioneerd is, dat wil zeggen dat omgevingstrillingen niet gevoeld mogen 15 worden in het plateau en de daarop gebouwde experimenteer- opstelling. Een probleem hierbij is, dat het plateau op een of andere wijze gesteund moet worden ten opzichte van een vaste wereld (vloer), bijvoorbeeld om de zwaartekracht tegen te werken, welke vaste wereld in het algemeen niet vrij is van 20 trillingen.

In het algemeen kan de oplegging of ophanging van het plateau worden beschouwd als een veersysteem. Trillingen in de buitenwereld veroorzaken lengte-variaties in het veersysteem, welke lengte-variaties wofden vertaald in variaties in de door 25 het veersysteem op het plateau uitgeoefende kracht F. Die kracht F kan in het algemeen worden beschreven door de bekende d2x dx formule F = m—f + c— + kx , waarbij x genoemde lengte voorstelt, en k de stijfheid van het veersysteem is. Voor trillingsvrije draagsystemen is het gewenst, dat k zo klein mogelijk is.

30 Conventioneel worden in de ondersteuning of ophanging dempingselementen met een lage stijfheid opgenomen, bijvoorbeeld rubber blokken in de ondersteuning of lange, slappe veren in de ophanging, en wordt het plateau uitgevoerd met of bevestigd aan een zware massa. Vanwege de lage stijfheid van 35 de dempingselementen zijn de kracht-variaties relatief laag, 1 0 0 7 1 27 2 en vanwege de zware massa van het plateau zijn de door de kracht-variaties veroorzaakte trillingsamplituden relatief klein. Deze conventionele benadering levert echter onvoldoende resultaat.

5 Een beter resultaat wordt geboden door een draagsysteem waarbij de support voor het plateau een werkpunt heeft waarin de stijfheid nul is, terwijl binnen een zeker werkgebied rond dat werkpunt de stijfheid bijzonder lage waarden heeft.

Bekende draagsytemen met nul-stijfheid hebben echter enkele 10 nadelen, zoals later uitgebreider zal worden besproken.

Het is een algemeen doel van de onderhavige uitvinding om de nadelen van de stand der techniek te elimineren.

Meer in het bijzonder beoogt de onderhavige uitvinding een draagsysteem met nul-stijfheid te verschaffen, waarbij 15 geen mechanisch contact bestaat tussen het plateau en de vaste wereld, waarbij voor het dragen in principe geen externe energie benodigd is, en waarbij het systeem een bijzonder eenvoudige en compacte constructie heeft.

Volgens een belangrijk aspect van de onderhavige 20 uitvinding omvat het positioneringssysteem ten minste twee elektrische of magnetische, waarvan er één een afstotende kracht met een positieve stijfheid uitoefent op het plateau, en waarvan de andere een aantrekkende kracht met een negatieve stijfheid uitoefent op het plateau, zodanig, dat de som van 25 genoemde krachten een nul-stijfheid heeft in een werkpunt.

Deze en andere aspecten, kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen verduidelijkt worden door de hiernavolgende beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm van een draagsysteem volgens de uitvinding, onder verwijzing 30 naar de tekening, waarin gelijke verwijzingscijfers gelijke of vergelijkbare onderdelen aanduiden, en waarin: figuur 1 schematisch het principe van lagering illustreert; de figuren 2-4 schematisch enkele bekende constructies illustreren voor het verkrijgen van zwaartekrachtcompensatie 35 en/of nul-stijfheid; de figuren 5A-B schematisch het principe volgens de onderhavige uitvinding illustreren van het verkrijgen van nul- 1007127 3 stijfheid door middel van twee samenwerkende magnetische koppelingen; figuur 6 schematisch een uitvoeringsrealisatie illustreert van een lagerelement volgens de onderhavige uitvinding; 5 de figuren 7A-B enkele varianten illustreren van het in figuur 6 geïllustreerde lagerelement volgens de onderhavige uitvinding; de figuren 8A-B schematisch constructies illustreren voor het instelbaar en/of variabel maken van het in figuur 6 geïllus-10 treerde lagerelement volgens de onderhavige uitvinding; figuur 9 schematisch een testopstelling met een praktisch gerealiseerd lagerelement volgens de onderhavige uitvinding illustreert; en figuur 10 een grafiek is die de prestaties van het 15 praktisch gerealiseerd lagerelement volgens de onderhavige uitvinding illustreert.

Figuur 1 illustreert het principe van oplegging (A) of ophanging (B) van een plateau 1 ten opzichte van een vaste 20 wereld 2. In het hiernavolgende zal als generieke term voor de relatie tussen plateau en vaste wereld ook de term "koppeling", "lagering" of "support" worden gebruikt.

Onder aardse omstandigheden werkt op het plateau steeds de zwaartekracht Fz; om het plateau op zijn plaats te houden, 25 moet het plateau worden tegengehouden door een tegenkracht die de zwaartekracht compenseert. In het geval van oplegging rust het plateau 1 op steunorganen 3, die op het plateau een drukkracht F1 uitoefenen; aangezien deze drukkracht F1 is gericht van de steunorganen 3 weg, wordt deze kracht ook een 30 afstotende kracht genoemd. In het geval van ophanging hangt het plateau 1 aan ophangorganen 4, die op het plateau een trekkracht F2 uitoefenen; aangezien deze trekkracht F2 is gericht naar de ophangorganen 4 toe, wordt deze kracht ook een aantrekkende kracht genoemd.

35 In rust is er sprake van krachtenevenwicht, dat wil zeggen dat de drukkracht F1 respectievelijk de trekkracht F2 1007127 4 juist evengroot is als de op het plateau 1 werkende zwaartekracht Fz.

Zoals voor een deskundige duidelijk zal zijn, wordt in de praktijk een plateau ondersteund door minimaal drie van 5 dergelijke organen 3, 4, en geldt genoemd krachtenevenwicht voor alle organen 3, 4 tezamen. Die drie organen 3, 4 zijn geplaatst bij drie verschillende, niet op één lijn gelegen posities. In figuur 1 zijn steeds twee organen 3, 4 getoond bij twee verschillende posities. In het hiernavolgende zullen 10 die verschillende posities ook worden aangeduid met de term "lagerpositie", en zullen de bij één lagerpositie aangebrachte steunorganen 3 en/of draagorganen 4 gezamenlijk worden aangeduid met de term "lagerelement".

Indien er op het plateau 1 een gewicht wordt geplaatst, 15 zal er opnieuw een krachtenevenwicht worden bereikt, waarbij de drukkracht F1 respectievelijk de trekkracht F2 is vergroot. Hierbij zijn de steunorganen 3 enigszins ingedrukt, respectievelijk zijn de ophangorganen 4 enigszins uitgerekt. In stationaire toestand zijn de vertikale verplaatsing Δζ van het 20 plateau 1 en de krachtverandering AF, althans in goede benadering (bij kleine waarden van Δζ), evenredig aan elkaar volgens de formule AF = k-Δζ (1) waarbij k de stijfheidsconstante is, waarvan de waarde afhan-25 kelijk is van onder meer het materiaal van de organen 3, 4.

Omgekeerd, indien zich trillingen voordoen in de vaste wereld 2, veroorzaken die trillingen lengte-variaties Δζ in de organen 3, 4, waardoor op het plateau 1 krachtvariaties ΔΡ worden uitgeoefend. Als gevolg van die krachtvariaties zullen 30 in het plateau 1 trillingen optreden.

Indien het plateau 1 trillingsvrij moet zijn, worden de organen 3 respectievelijk 4 ontworpen om een zo klein mogelijke stijfheidsconstante k te hebben. De steunorganen 3 kunnen bijvoorbeeld rubber blokken zijn; de ophangorganen 4 35 kunnen bijvoorbeeld lange, slappe veren zijn. Voorts wordt doorgaans de massa van het plateau 1 vrij groot gekozen. Zoals vermeld, zijn de hierdoor bereikte resultaten onbevredigend 1 C 07127 5 voor toepassingen waar hoge eisen worden gesteld aan de mate van trillingsvrij-zijn. Er bestaat daarom behoefte aan opstellingen waarbij k nul is.

Figuur 2 illustreert het principe van een eenvoudige 5 constructie voor een ophanging van het plateau 1. Van die ophanging is in figuur 2 ter wille van de duidelijkheid slechts één lagerelement 10 getoond. Het plateau 1 is door middel van een kabel 13 die is geleid over een katrol 11, bevestigd aan een contragewicht 12. In dit opzicht is de 10 kracht dus plaatsonafhankelijk, en trillingen in het plateau zullen niet of nauwelijks worden doorgegeven aan de vaste wereld 2 (k is nul in die richting). Het zal duidelijk zijn dat, in het ideale geval, de door het contragewicht 12 op het plateau 1 uitgeoefende trekkracht F2 niet verandert indien het 15 plateau 1 in vertikale richting wordt verplaatst. De opstelling van figuur 2 is echter verre van ideaal, omdat trillingen in de vaste wereld 2 via de katrol 11 en de kabel 13 direct worden doorgegeven aan het plateau 1. Voorts is het een nadeel, dat de voor het contragewicht en de katrol 20 benodigde ruimte vrij groot is.

Figuur 3 illustreert het principe van een andere mechanische constructie voor een lagerelement 20 waarbij k, althans in goede benadering, nul is. Primair wordt het plateau 1 gedragen door een schroefveer 21, die in de getoonde 25 configuratie een vertikale drukkracht F1 uitoefent, en dus kan worden vergeleken met het steunorgaan 3 van figuur IA. Zijdelings is het plateau 1 door middel van horizontaal gerichte drukveren 22, in het geschetste voorbeeld bladveren, gekoppeld met de vaste wereld 2, welke drukveren 22 een 30 drukkracht F3 uitoefenen die volgens hun lengterichting is gericht. Wanneer het plateau 1 omhoog wordt verplaatst, neemt de door de schroefveer 21 uitgeoefende drukkracht F1 af. Echter, tegelijkertijd worden de drukveren 22 iets opgetild uit hun horizontale stand, en krijgt de door de drukveren 35 uitgeoefende drukkracht F3 een vertikale component. Bij een op juiste wijze uitgebalanceerd ontwerp compenseert deze vertikale component van F3 juist de afname van Fl.

1007127 6

Ook de opstelling van figuur 3 heeft enkele nadelen. Trillingen in de vaste wereld 2 worden via de door de drukveren 22 geboden mechanische koppeling direct doorgegeven aan het plateau 1. Voorts is het systeem bijzonder gevoelig 5 voor bepaalde frequenties is het gebied van 10 tot 100 Hz, vanwege de resonantie-frequenties van de veren 21, 22. Voorts nemen de veren 21, 22 vrij veel ruimte in beslag. Voorts is het, vanwege de vervaardigingstoleranties, bijzonder moeilijk om de eigenschappen van de toe te passen veren 21, 22 10 nauwkeurig te voorspellen, hetgeen betekent dat het ontwerpen van een dergelijk lagerelement 20 bijzonder moeilijk is, terwijl reproduceerbaarheid nauwelijks of niet te realiseren is.

Figuur 4 illustreert het principe van een elektro-15 magnetische constructie voor een lagerelement 30 waarbij k, althans in goede benadering, nul is. Met het plateau 1 is een elektrische spoel 31 verbonden, die zich bevindt in een lucht-spleet van een met de vaste wereld 2 verbonden magneetjuk 22. De door het magneetjuk 22 op de spoel 31 uitgeoefende kracht 20 (Lorentzkracht FL = B-I-l) is onafhankelijk van de axiale positie van de spoel 31, zoals voor een deskundige duidelijk zal zijn. Een belangrijk nadeel van deze Lorentz-opstelling is, dat deze bijzonder veel elektrische energie kost tijdens het gebruik. Daarbij is het een bezwaar, dat tijdens gebruik 25 als gevolg van dissipatie vrij veel warmte wordt geproduceerd.

In het artikel "A Noncontact Permanent Magnet Levitation Table with Electromagnetic Control and Its Vibration Isolation Method Using Direct Disturbance Cancellation Combining Optimal Regulators" van K. Nagaya et al in IEEE Transactions on 30 Magnetics, vol.31, nr.l, januari 1995, biz.885 wordt een opstelling beschreven waarin een werktafel door middel van een permanente magneet is opgehangen. De permanente magneet compenseert de zwaartekracht in een werkpunt van de opstelling, maar daarbij is de stijfheid niet nul. De gevolgen 35 daarvan probeert men op te lossen door middel van elektromagneten. Hierbij is een ingewikkelde, computergestuurde regelaar nodig, en de opstelling vergt vrij veel energie.

1007127 7

Volgens een belangrijk aspect van de onderhavige uitvinding omvat een lagerelement 50 twee met elkaar samenwerkende magnetische en/of elektrostatische koppelingen 5 die beide een component in de z-richting hebben, waarbij de respectieve stijfheden van die koppelingen onderling verschillend teken hebben. Dit aspect is schematisch geïllustreerd in figuur 5 voor het voorbeeld van magneet-koppelingen. In figuur 5A is een eerste magnetische koppeling 10 tussen het plateau 1 en de vaste wereld 2 aangeduid met het verwijzingscijfer 51, en is een tweede magnetische koppeling tussen het plateau 1 en de vaste wereld 2 aangeduid met het verwijzingscijfer 52, waarbij die twee koppelingen 51 en 52 in het getoonde voorbeeld axiaal in eikaars verlengde zijn 15 gelegen, en wel in hoofdzaak vertikaal zijn gericht. Met andere woorden, die twee koppelingen 51 en 52 zijn werkzaam volgens eenzelfde vertikaal gerichte werklijn; deze richting zal worden aangeduid als Z-richting. De lagerpositie van het lagerelement 50 wordt gedefinieerd door X- en Y-coördinaten 20 van genoemde werklijn, maar dat is in de figuren ter wille van de eenvoud niet weergegeven.

Om het werkingsprincipe van dit aspect nader uit te leggen, wordt thans eerst verwezen naar figuur 1, en naar formule 1. Zoals in het voorgaande uitgelegd, wordt in de in 25 de figuren IA en 1B geschetste situaties de door de organen 3 respectievelijk 4 uitgeoefende kracht F1 respectievelijk F2 groter, indien het plateau 1 wordt verplaatst tegen de richting van die kracht in. Omgekeerd, bij een verplaatsing in de richting van de uitgeoefende kracht neemt die uitgeoefende 30 kracht af. In het kader van de onderhavige uitvinding zal in een dergelijke situatie de stijfheid k (formule 1) worden aangeduid als zijnde negatief.

Figuur 5B is een grafiek, waarin enkele op het plateau 1 uitgeoefende krachten staan uitgezet tegen de vertikale 35 positie van het plateau 1, om het effect van het genoemde belangrijke aspect te illustreren. Hierbij is de positieve Z-as van een coördinatenstelsel vertikaal omhoog gericht.

1007127 8

Figuur 5B toont drie curven. Een eerste curve heeft betrekking op de door de eerste magneetkoppeling 51 uitgeoefende trekkracht F1. Een tweede curve heeft betrekking op de door de tweede magneetkoppeling 52 uitgeoefende drukkracht F2.

5 Duidelijk blijkt uit figuur 5B, dat de met de respectieve magneetkoppelingen 51 en 52 geassocieerde stijfheden k51 en k52 onderling verschillend teken hebben : k51 is positief en k52 is negatief. Opgemerkt wordt in dit verband, dat de stijfheden k51 en k52 geen constanten hoeven te zijn als functie van z: in 10 figuur 5B is dit tot uitdrukking gebracht door een kromming in de curven van F1 en F2.

Een derde curve in figuur 5B heeft betrekking op de somkracht FT0T = FI + F2. Indien bij een bepaalde vertikale positie z0 de stijfheden k51 en k52 onderling gelijke absolute 15 waarden hebben, is bij dat punt FT0T niet afhankelijk van z (effectieve stijfheid kTOT = k51 + k52 = 0). Deze positie z0 wordt aangeduid als werkpunt.

In het werkpunt z0 heeft het door de magneetkoppelingen 51 en 52 gevormde lagerelement 50 dus een effectieve stijfheid 20 die exact gelijk is aan nul. Voor kleine afwijkingen van de vertikale positie van het plateau 1 ten opzichte van het werkpunt z0 zal de effectieve stijfheid in het algemeen niet meer exact gelijk zijn aan nul, maar een zeer kleine positieve of negatieve waarde hebben, welke waarde afhangt van het 25 exacte verloop van k51 en k52 als functie van z. Het zal echter mogelijk zijn om een werkgebied rond z0 te definiëren waarbinnen de effectieve stijfheid kT0T kleiner is dan een voorafbepaalde grenswaarde die in de praktijk acceptabel is.

30 Opgemerkt wordt, dat het niet noodzakelijk is dat k51 en k52 voor alle waarden van z hetzelfde teken hebben; het is voldoende indien k51 en k52 in een bepaald gebied rond z0 tegengesteld teken hebben.

Volgens een ander belangrijk aspect van de onderhavige 35 uitvinding worden de twee genoemde magneetkoppelingen 51 en 52 tot stand gebracht door middel van permanente magneten. Permanente magneten combineren de volgende voordelen: 1007127 9 de kracht wordt uitgeoefend zonder direct, mechanisch contact; permanente magneten vergen geen toevoer van externe energie zoals elektrische energie voor het uitoefenen van de 5 kracht; het is mogelijk om, door een geschikte keuze van de toegepaste materialen, permanente magneten met relatief geringe afmetingen een relatief grote kracht te laten uitoefenen.

10 Figuur 6 illustreert een eerste mogelijke realisatie van een lagerelement 50 volgens de onderhavige uitvinding. Dit lagerelement 50 omvat een eerste permanente magneet 61 die is gefixeerd ten opzichte van de vaste wereld 2, waarbij de magneetas 62 van de eerste permanente magneet 61 althans in 15 hoofdzaak vertikaal is gericht. Het lagerelement 50 omvat voorts een tweede permanente magneet 63 die is gefixeerd ten opzichte van het plateau 1, waarbij de magneetas 64 van de tweede permanente magneet 62 althans in hoofdzaak vertikaal is gericht en althans in hoofdzaak is uitgelijnd met de magneetas 20 62 van de eerste permanente magneet 61. De twee magneten 61 en 63 zijn met gelijknamige polen naar elkaar toe gericht om op elkaar een afstotende kracht F2 uit te oefenen; in figuur 6 zijn de nocrdpolen van de twee magneten 61 en 63 naar elkaar toe gericht. De combinatie van de twee magneten 61 en 62 25 definieert de tweede magnetische koppeling 52 met negatieve stijfheid van figuur 5A.

Het lagerelement 50 omvat voorts een boven de tweede magneet 63 opgesteld aantrekkingsorgaan 65, waarop de tweede magneet 63 een aantrekkende kracht F1 uitoefent. Het 30 aantrekkingsorgaan 65 is vervaardigd van een magnetiseerbaar materiaal zoals ijzer, en is, liefst magnetisch geïsoleerd, gefixeerd ten opzichte van de vaste wereld 2, bijvoorbeeld door middel van een steun 66, die bijvoorbeeld is gemaakt van aluminium. De combinatie van de tweede magneet 33 en het 35 aantrekkingsorgaan 35 definieert de eerste magnetische koppeling 51 met positieve stijfheid van figuur 5A.

1007127 10

De figuren 7A-B illustreren varianten van de in figuur 6 geïllustreerde uitvoeringsvorm, die alle met elkaar gemeen hebben, dat een eerste permanent magneetveld met positieve stijfheid aanwezig is (magnetische koppeling 51), dat een 5 tweede permanent magneetveld met negatieve stijfheid aanwezig is (magnetische koppeling 52), en dat beide magneetvelden inwerken op het plateau 1 om op dat plateau 1 een kracht uit te oefenen met in dit geval een vertikale component.

Bij de in figuur 7A geïllustreerde variant is de tweede 10 magneet 63 uitsluitend aanwezig voor samenwerking met de eerste magneet 61 om de tweede magnetische koppeling 52 te verschaffen. Voor samenwerking met het aantrekkingsorgaan 65 om de eerste magnetische koppeling 51 te verschaffen, is een derde permanente magneet 71 aanwezig, die is gefixeerd ten 15 opzichte van het plateau 1, en waarvan de magneetas 72 kan zijn uitgelijnd met de magneetassen 62 en 64. Het zal duidelijk zijn, dat hierbij de oriëntatie van de derde magneet 71 (N-Z of Z-N) geen rol speelt. Het verdient echter aanbeveling dat de derde magneet 71 zijn N-pool onder heeft, 20 opdat de magneten 71 en 63 elkaar aantrekken.

Bij de in figuur 7B geïllustreerde variant is het aantrekkingsorgaan 65 vervangen door een vierde permanente magneet 73, waarvan de magneetas 74 althans in hoofdzaak vertikaal is gericht en althans in hoofdzaak is uitgelijnd met 25 de magneetas 64 van de tweede permanente magneet 63. De vierde permanente magneet 73 heeft dezelfde oriëntatie als de tweede permanente magneet 63; dat wil in dit geval zeggen, dat de noordpool van de vierde permanente magneet 73 is gericht naar de zuidpool van de tweede permanente magneet 63.

30 Het zal duidelijk zijn, dat andere variaties ook mogelijk zijn. Ook zal duidelijk zijn, dat combinaties van de in de figuren 7A en 7B getoonde varianten ook mogelijk zijn, dat wil zeggen dat zowel de derde magneet 71 als de vierde magneet 73 aanwezig zijn.

In het voorgaande is uitgelegd, dat het systeem in het algemeen slechts één werkpunt z0 heeft waar de stijfheid exact 35 1007127 11 nul is. In de praktijk zal het moeilijk zijn om het systeem exact in dat werkpunt z0 te bedrijven; indien het systeem zich eenmaal buiten het werkpunt z0 bevindt, kan het steeds verder van dat werkpunt af driften, hetgeen ongewenst is.

5 Voorts is het in de praktijk mogelijk, dat het plateau 1 een externe kracht ondervindt waarvan de grootte verandert; om het plateau dan in de gewenste positie vast te houden, moet de door het systeem op het plateau uitgeoefende kracht worden aangepast aan die veranderde externe kracht. Met andere 10 woorden: de lagerelementen hebben in een dergelijk geval bij voorkeur een grote schijnbare stijfheid tegen externe krachten, onder behoud van de trillingsvrijheid.

Voorts kan het in de praktijk gewenst zijn om het werkpunt te verplaatsen naar een andere vertikale positie van 15 het plateau.

Figuur 8 illustreert, dat het op eenvoudige wijze volgens de onderhavige uitvinding mogelijk is om bij gefixeerd werkpunt de bijbehorende totaalkracht F0 te veranderen, en/of om bij gefixeerde totaalkracht F0 het werkpunt z0 te 20 verschuiven. Daarbij zijn in principe twee varianten denkbaar (en combinaties daarvan): in een eerste variant worden de door de genoemde permanente magneten uitgeoefende krachten gemanipuleerd (luchtspleetvariaties, figuur 8A), en in een tweede variant wordt een extra kracht uitgeoefend, waarvan de 25 grootte wordt gemanipuleerd (figuur 8B).

Figuur 8A toont, dat de eerste permanente magneet 61, door middel van een willekeurig geschikt verplaatsingsorgaan 81, axiaal kan worden verplaatst, dat wil zeggen langs de z-richting. Hierdoor kan een statische instelling van het 30 systeem worden bereikt, maar het is ook mogelijk om dynamische variaties te compenseren. Het verplaatsingsorgaan 81 kan worden aangedreven door een motor 82, die wordt bestuurd door een besturingsorgaan 83, dat van een contactloze positiesensor 84 informatie kan ontvangen omtrent de exacte positie van het 35 plateau 1. Uiteraard is het ook mogelijk, dat het aantrek- kingsorgaan 65 respectievelijk de vierde permanente magneet 73 in de z-richting wordt verplaatst.

t 00/127 12

Figuur 8B toont, dat op het plateau 1 een extra kracht kan worden uitgeoefend door een externe krachtgenerator 85.

Bij voorkeur is die externe kracht contactloos, en is die externe krachtgenerator 85 een ten opzichte van de vaste 5 wereld 2 gefixeerde elektrische spoel, zoals getoond. Bij voorkeur is die externe krachtgenerator 85 gekoppeld met een aan het plateau 1 bevestigde permanente magneet, zoals de tweede permanente magneet 63, zoals getoond, opdat die externe krachtgenerator 85 zowel afstotende als aantrekkende krachten 10 kan uitoefenen. De externe krachtgenerator 85 kan worden gevoed door een spanningsbron 86, die wordt bestuurd door een besturingsorgaan 87, dat van een contactloze positiesensor 88 informatie kan ontvangen omtrent de exacte positie van het plateau 1.

15 De externe krachtgenerator 85 kan als alternatief ook een Lorentz-actuator zijn.

De externe krachtgenerator 85 hoeft niet te zijn uitgelijnd met de andere krachtgeneratoren (magneten).

20

VQQEB5SDQ

Figuur 9 toont een schematische dwarsdoorsnede van een praktische realisatie van een lagerelement volgens de onder-25 havige uitvinding. De twee magneten 61 en 63 zijn standaard verkrijgbare NdFeB magneten met een schijfvorm en een cirkelronde doorsnede, met een diameter van 25 mm en een dikte (hoogte) van 10 mm. Het aantrekkingsorgaan 65 is gemaakt van ijzer en heeft eveneens een schijfvorm met een cirkelronde 30 doorsnede, met een diameter van 72 mm en een dikte (hoogte) van 10 mm.

Voor een geleiding en concentrering van de magnetische veldlijnen is de onderste magneet 61 geplaatst in een ijzeren beker 91 waarvan de bodem en de wand een dikte hebben van 6 35 mm. De wand van de beker 91 heeft een binnendiameter van 32 mm. Tussen de magneet 61 en de wand van de beker 91 is een PVC positioneringsring 92 geplaatst. Om dezelfde reden is de 1007127 13 bovenste magneet 63 geplaatst in een ijzeren ringvormige houder 93 met binnendiameter 32 mm, buitendiameter 50 mm, en hoogte 10 mm. Tussen de bovenste magneet 63 en de ringvormige houder 93 is een PVC positioneringsring 94 geplaatst.

5 In een testopstelling worden het aantrekkingsorgaan 65 en de beker 91 met de onderste magneet 61 ten opzichte van elkaar gefixeerd bevestigd aan een frame 95. De afstand tussen de onderkant van het aantrekkingsorgaan 65 en de bovenkant van de onderste magneet 61 bedraagt 14 mm. De ringvormige houder 10 93 is bevestigd in een klem 96 die axiaal verplaatsbaar is. De klem 96 is voorzien van een krachtsensor 97 (bijvoorbeeld rekstrookjes) om de axiaal op de ringvormige houder 93 werkende kracht te meten. Voorts is de opstelling voorzien van een afstandsensor 98 om de positie van de ringvormige houder 15 93 te meten.

Figuur 10 toont simulatie-resultaten van testopstelling. Horizontaal staat z uitgezet, waarmee in dit geval wordt bedoeld de afstand tussen de onderkant van de bovenste magneet 63 en de bovenkant van de onderste magneet 61. Met de curve F 20 is de door de ringvormige houder 93 ondervonden kracht aangeduid (schaalverdeling langs rechter vertikale as), exclusief de zwaartekracht. Met de curve k is de uit deze meetwaarden berekende stijfheid aangeduid (schaalverdeling langs linker vertikale as). In het werkpunt bedraagt de kracht 25 ongeveer 185 N. De helling van de stijfheidscurve bedraagt in het werkpunt ongeveer 11 N/mm2, hetgeen betekent dat in een werkgebied van ± 5 μπι rond het werkpunt de stijfheid kleiner is dan 55 N/m.

30

In het hiervoorgaande is beschreven hoe een contactloos positioneringssysteem kan worden gerealiseerd voor een positionering met nul-stijfheid in één dimensie (vertikaal), voor een combinatie van permanente magneten 31, 33 die in 35 principe aangrijpen op één punt van het plateau 1. Het zal voor een deskundige duidelijk zijn dat een volledige ondersteuning van het plateau 1 voor wat betreft de vertikale 1007127 14 richting kan worden bereikt door minimaal drie (niet op één lijn gelegen) van dergelijke ophangcombinaties. Uiteraard moet het plateau 1 ook in de twee horizontale richtingen (X, Y) worden gepositioneerd. In eerste instantie kunnen daarvoor 5 conventionele middelen worden gebruikt. Er bestaat echter ook behoefte aan een positioneringssysteem dat nog verder is verbeterd, namelijk in die zin dat in alle zes de mechanische vrijheidsgraden (translatie in X-, Y-, en Z-richting, alsmede rotatie om X-, Y-, en Z-as) nul-stijfheid wordt bereikt. Een 10 dergelijke eis compliceert de zaak aanzienlijk, omdat de bewegingen in genoemde zes vrijheidsgraden niet onafhankelijk van elkaar beschouwd kunnen worden. Meer in het bijzonder zijn de laterale stijfheden in het algemeen ongelijk aan nul. Dit kan als volgt worden ingezien voor de magneten 31 en 33 in 15 figuur 6. Stel dat het plateau 1 over een bepaalde afstand naar rechts wordt verplaatst; de afstotende drukkracht tussen de twee magneten 31 en 33 krijgt dan een horizontale component.

20 Het zal voor een deskundige duidelijk zijn dat de beschermingsomvang van de onderhavige uitvinding zoals gedefinieerd door de conclusies niet is beperkt tot de in de tekeningen weergegeven en besproken uitvoeringsvormen, maar dat het mogelijk is de weergegeven uitvoeringsvormen van een 25 draagsysteem volgens de uitvinding binnen het kader van de uitvindingsgedachte te veranderen of te modificeren. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk dat grotere of kleinere magneten worden gebruikt, of dat meerdere magneten parallel worden geplaatst.

Voorts is het mogelijk dat het plateau zelf magnetisch 30 is, zodat de afzonderlijke magneet 63 kan worden weggelaten.

Voorts hoeven de verschillende magneten niet te zijn uitgelijnd.

In het voorgaande is, specifiek met het oog op de zwaartekracht, het voorbeeld beschreven van een support met 35 vertikale krachtwerking. Het zal echter duidelijk zijn dat de uitvinding ook betrekking heeft op krachtwerking in horizontale of andere richting.

1007127 15

In het voorgaande is uitgelegd dat de opstelling volgens de onderhavige uitvinding een nul-stijfheid oplevert in één bewegingsvrijheidsgraad, namelijk vertikale verplaatsing. Voor de volledigheid wordt opgemerkt, dat de beschreven constructie 5 tevens nul-stijfheid oplevert bij rotatie om een willekeurige as, zodat de nul-stijfheid in totaal in vier vrijheidsgraden wordt verschaft.

In het voorgaande is de uitvinding uitgelegd voor magnetische koppelingen met afstotende en aantrekkende 10 werking. De onderhavige uitvinding kan echter ook worden gerealiseerd met elektrostatische koppelingen (krachtvelden), waarbij bijvoorbeeld elektreten kunnen worden toegepast.

In het voorgaande is de uitvinding uitgelegd voor magnetische koppelingen die worden tot stand gebracht met 15 permanente magneten. Hoewel deze realisatie de voorkeur geniet, zal het duidelijk zijn dat de onderhavige uitvinding ook kan worden toegepast oner gebruikmaking van elektromagneten.

1007127

Claims (14)

1. Gebruik van twee permanente magneten (61, 63) in een lagerelement (50) voor het verschaffen van nul-stijfheid.

2. Lagerelement (50) voor een draagsysteem, omvattende: 5 een eerste magneet (61); een aantrekkingsorgaan (65) ; een tussen de eerste magneet (61) en het aantrekkingsorgaan (65) opgestelde tweede magneet (63) voor het uitoefenen van een afstotende kracht (F2) op de eerste magneet (61) en een 10 aantrekkende kracht (Fl) op het aantrekkingsorgaan (65).

3. Lagerelement volgens conclusie 2, waarbij de twee krachten (Fl, F2) in hoofdzaak in eikaars verlengde zijn gelegen. 15

4. Lagerelement volgens conclusie 2 of 3, waarbij de twee krachten (Fl, F2) stijfheden (k51, k52) hebben met onderling tegengesteld teken, zodanig dat in een werkpunt (z0) de totale kracht (FT0T = F1+F2) een stijfheid (kT0T) heeft die in hoofdzaak 20 gelijk is aan nul.

5. Lagerelement volgens één der conclusies 2-4, waarbij het aantrekkingsorgaan (65) is gemaakt van een magnetiseerbaar materiaal zoals ijzer. 25

6. Lagerelement volgens één der conclusies 2-4, waarbij het aantrekkingsorgaan (65) wordt gedefinieerd door een verdere magneet (73).

7. Lagerelement volgens één der conclusies 2-6, waarbij is voorzien in verplaatsingsmiddelen (81) om de axiale positie van de eerste magneet (61) en/of de axiale positie van het aantrekkingsorgaan (65) te variëren. 1007127

8. Lagerelement volgens conclusie 7, waarbij is voorzien in middelen (84, 83, 82) om de verplaatsingsmiddelen (81) te sturen, zodanig dat de axiale positie van de tweede magneet (63) in hoofdzaak constant blijft. 5

9. Lagerelement volgens één der conclusies 2-8, waarbij is voorzien in middelen (85) voor het genereren van een extern magneetveld.

10. Lagerelement volgens conclusie 9, waarbij is voorzien in middelen (88, 87, 86) om de externe magneetveld genererende middelen (85) te sturen, zodanig dat de axiale positie van de tweede magneet (63) in hoofdzaak constant blijft.

11. Lagerelement volgens één der conclusies 2-10, waarbij de genoemde magneten permanente magneten zijn.

12. Lagerelement volgens conclusie 11, waarbij de permanente magneten zijn gemaakt van NdFeB of dergelijke zeldzame 20 aardmetalen.

13. Draagsysteem voor het trillingsvrij dragen van een voorwerp (1) ten opzichte van een vaste wereld (2), omvattende middelen voor het uitoefenen van een magnetische of 25 elektromagnetische of elektrostatische trekkracht (Fl) op het voorwerp (1), en middelen voor het uitoefenen van een magnetische of elektromagnetische of elektrostatische drukkracht (F2) op het voorwerp (1), waarbij de twee krachten (Fl, F2) stijfheden (k51, kS2) hebben met onderling tegengesteld 30 teken, zodanig dat in een werkpunt (z0) de totale kracht (FT0T = F1+F2) een stijfheid (kT0T) heeft die in hoofdzaak gelijk is aan nul.

14. Draagsysteem volgens conclusie 13, omvattende ten minste 35 één lagerelement volgens één der conclusies 2-12, waarbij de eerste magneet (61) en het aantrekkingsorgaan (65) zijn 1007127 gekoppeld met de vaste wereld (2), en waarbij de tweede magneet (63) is gekoppeld met het voorwerp (1). 1007127