FESTO AG & Co. KG, 73734 Esslingen Positioniersystem mit Wicklungsanordnung
Die Erfindung betrifft ein Positioniersystem mit mindestens einem unter Ausführung einer Positionierbewegung in einer durch ein kartesisches x-y-Koordinatensystem definierten Positionierebene relativ zu einem Schlittenträger des
Positioniersystems variabel verfahrbaren und positionierbaren Positionierschütten .
Ein aus der DE 1920556 A bekanntes Positioniersystem enthält einen als eine Tischplatte ausgebildeten
Positionierschlitten, der bezüglich eines rahmenförmigen Schlittenträgers in einer von einem kartesischen
Koordinatensystem aufgespannten Positionierebene
zweidimensional verstellbar ist. Das Positioniersystem umfasst ein x-Antriebszahnrad und ein y-Antriebszahnrad, die an dem Schlittenträger drehbar gelagert sind und deren
Drehachsen rechtwinkelig zueinander ausgerichtet sind. Mit jedem dieser Antriebszahnräder stehen mehrere an dem
Positionierschlitten ausgebildete, rechtwinkelig zueinander verlaufende Zahnstangen in Verzahnungseingriff. Durch sich überlagernde Rotationsbewegungen des x-Antriebszahnrades und des y-Antriebszahnrades können Positionierbewegungen des Positionierschlittens erzeugt werden, bei denen sich
Bewegungsrichtungen in der x-Achsrichtung und in der y- Achsrichtung überlagern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Positioniersystem bereitzustellen .
Diese Aufgabe wird für ein Positioniersystem der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Der Schlittenträger des erfindungsgemäßen Positioniersystems weist wenigstens eine Statoranordnung mit einer
Wicklungsanordnung auf. Die Wicklungsanordnung weist einen x- Wicklungsabschnitt zur Bereitstellung eines in der x- Achsrichtung des x-y-Koordinatensystems bewegbaren
magnetischen x-Wanderfelds und einen y-Wicklungsabschnitt zur Bereitstellung eines in der y-Achsrichtung des x-y- Koordinatensystems bewegbaren magnetischen y-Wanderfelds auf. Der Positionierschlitten verfügt über eine Koppelanordnung, die während der Positionierbewegung gleichzeitig mit dem x- Wanderfeld und dem y-Wanderfeld in magnetischer
Wechselwirkung steht. Der Positionierschlitten ist durch Bewegung des x-Wanderfelds zu einer Positionierbewegung in der x-Achsrichtung des x-y-Koordinatensystems und durch
Bewegung des y-Wanderfelds zu einer Positionierbewegung in der y-Achsrichtung des x-y-Koordinatensystems antreibbar. Der x-Wicklungsabschnitt und der y-Wicklungsabschnitt sind parallel zur Positionierebene angeordnet und nehmen zumindest teilweise denselben x-y-Bereich im x-y-Koordinatensystem ein, so dass sich das x-Wanderfeld und das y-Wanderfeld in diesem x-y-Bereich überlagern.
Das x-Wanderfeld ist derart ausgebildet, dass durch die
Bewegung des x-Wanderfelds die Bewegung bzw. Position des Positionierschlittens in der x-Achsrichtung bestimmt wird. Zu diesem Zweck ist der Schlittenträger insbesondere
ausgebildet, als x-Wanderfeld ein Magnetfeld mit einer
Vielzahl von zu der y-Achsrichtung parallelen Wellenfronten
zu erzeugen. Vorzugsweise weist das x-Wanderfeld entlang der x-Achsrichtung in periodischen Abständen Abschnitte mit maximaler agnetfeidstärke auf. Die Magnetfeldrichtung dieser Abschnitte alterniert vorzugsweise entlang der x- Achsrichtung . Die Abschnitte maximaler Feldstärke werden im Folgenden auch als Nordpolabschnitte und Südpolabschnitte bezeichnet. In y-Achsrichtung ist das x-Wanderfeld
vorzugsweise im Wesentlichen konstant.
Das y-Wanderfeld ist in Entsprechung zu dem vorstehend beschriebenen x-Wanderfelds ausgebildet. D.h., das y- Wanderfeld ist derart ausgebildet, dass durch das y- Wanderfeld die Bewegung bzw. Position des
Positionierschlittens in der y-Achsrichtung bestimmt wird. Zweckmäßigerweise ist der Schlittenträger ausgebildet, als y- Wanderfeld ein Magnetfeld mit einer Vielzahl von zu der x- Achsrichtung parallelen Wellenfronten zu erzeugen.
Vorzugsweise weist das y-Wanderfeld entlang der y- Achsrichtung periodisch Abschnitte mit maximaler
Magnetfeldstärke auf. Die Magnetfeldrichtung dieser
Abschnitte alterniert vorzugsweise entlang der y- Achsrichtung . Insbesondere weist das y-Wanderfeld entlang der y-Achsrichtung abwechselnd Nordpolabschnitte und
Südpolabschnitte auf. In x-Achsrichtung ist das y-Wanderfeld vorzugsweise im Wesentlichen konstant.
Ein Verlagern des Positionierschlittens in der x-Achsrichtung kann mittels eines von dem x-Wicklungsabschnitt erzeugten, sich in x-Achsrichtung bewegenden magnetischen x-Wanderfelds und dem daraus resultierenden antriebsmäßigen Zusammenwirken zwischen dem magnetischen x-Wanderfeld und der
Koppelanordnung bewirkt werden, wobei die Koppelanordnung, die zur gleichen Zeit mit dem magnetischen y-Wanderfeld in magnetischer Wechselwirkung steht, in der x-Achsrichtung
gewissermaßen linear verschiebbar geführt ist, da das y- Wanderfeld wie vorstehend beschrieben in der x-Achsrichtung im Wesentlichen konstant ist. Dies findet vergleichbar in umgekehrtem Sinne auch bei einem von dem y-Wicklungsabschnitt erzeugten, sich in y-Achsrichtung bewegenden magnetischen y- Wanderfeld statt. Durch aufeinander abgestimmte Bewegung mindestens eines mit der Koppelanordnung in magnetischer Wechselwirkung stehenden x-Wanderfelds und eines gleichzeitig ebenfalls mit der Koppelanordnung in magnetischer
Wechselwirkung stehenden y-Wanderfelds kann der
Positionierschlitten in der Positionierebene mit jeder gewünschten Bewegungsrichtung verlagert werden. Die
Möglichkeit des Zusammenwirkens der Koppelanordnung mit sowohl dem mindestens einen x-Wanderfeld als auch dem
mindestens einen y-Wanderfeld macht es möglich, einen
flächenmäßig relativ großen Positionierbereich des
Positionierschlittens zu realisieren. Es besteht insbesondere auch der Vorteil, dass die Grundfläche des Schlittenträgers für die Positionierbewegung des Positionierschlittens optimal ausnutzbar ist, wobei sogar eine Anordnung möglich ist, bei der der Positionierschlitten den Schlittenträger randseitig überragt .
Erfindungsgemäß sind der x-Wicklungsabschnitt und der y- Wicklungsabschnitt parallel zur Positionierebene angeordnet und nehmen zumindest teilweise denselben x-y-Bereich im x-y- Koordinatensystem ein, so dass sich das x-Wanderfeld und das y-Wanderfeld in diesem x-y-Bereich überlagern. Das heißt, dass sich der x-Wicklungsabschnitt und der y- Wicklungsabschnitt überlappen. Vorzugsweise überlappen sich die beiden Wicklungsabschnitte dabei vollständig. Die
Überlappung der Wicklungsabschnitte erzielt insbesondere den Vorteil, dass die Fläche des Schlittenträgers effizienter
ausgenutzt wird und dadurch sowohl in x-Achsrichtung also auch in y-Achsrichtung sich über einen größeren Bereich erstreckende magnetische Wanderfelder bereitgestellt werden können .
Aufgrund der Überlappung der Wicklungsabschnitte werden die von den Wicklungsabschnitten erzeugten magnetischen
Wanderfelder überlagert. Wenn die magnetischen Wanderfelder, wie vorstehend beschrieben, jeweils eine Vielzahl von
parallelen Wellenfronten aufweisen, so ergibt sich aufgrund der Überlagerung der beiden Wanderfelder ein resultierendes Magnetfeld, dessen Magnetfeldstärke eine Vielzahl von über die Überlappungsfläche der Wicklungsabschnitte matrixartig verteilten Maxima und Minima aufweist.
Vorzugsweise sind die Leitungen der Wicklungsabschnitte dabei derart angeordnet und/oder werden von dem Schlittenträger derart bestromt, dass sich ein aus der Überlagerung
resultierendes Magnetfeld ergibt, das eine Vielzahl von in einer zur Positionierebene parallelen Ebene verteilten magnetischen Nord- und Südpolabschnitten umfasst, die auf Kreuzungspunkten zueinander rechtwinkeliger x-Gitterlinien und y-Gitterlinien eines imaginären Kreuzgitters derart platziert sind, dass auf denselben x-Gitterlinien platzierte Polabschnitte untereinander dieselbe Polausrichtung aufweisen und dass auf denselben y-Gitterlinien platzierte
Polabschnitte untereinander dieselbe Polausrichtung
aufweisen, wobei die Polausrichtung der Polabschnitte in Diagonalrichtung des x-y-Koordinatensystems alterniert.
Die Leitungen der Wicklungsabschnitte sind beispielsweise als Kupferleitungen ausgebildet. Alternativ dazu können die
Leitungen auch aus einem supraleitenden Material bestehen.
Der Schlittenträger des Positioniersystems kann als eine einzige Trägereinheit konzipiert sein, die über wenigstens einen x-Wicklungsabschnitt und wenigstens einen y- icklungsabschnitt verfügt, die aber auch mit mehreren x- Wicklungsabschnitten und mehreren y-Wicklungsabschnitten ausgestattet sein kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der x-Wicklungsabschnitt eine Vielzahl von in y-Achsrichtung verlaufenden, in einer zur Positionierebene parallelen x- Ebene nebeneinander angeordneten x-Leitungsabschnitten umfasst, der y-Wicklungsabschnitt eine Vielzahl von in x- Achsrichtung verlaufenden, in einer zur Positionierebene parallelen y-Ebene nebeneinander angeordneten y- Leitungsabschnitten umfasst, und die x-Leitungsabschnitte und die y-Leitungsabschnitte in Richtung senkrecht zur
Positionierebene übereinander angeordnet sind, so dass sich in Draufsicht auf das x-y-Koordinatensystem eine Vielzahl von Kreuzungspunkten zwischen den x-Leitungsabschnitten und den y-Leitungsabschnitten ergibt. Vorzugsweise nehmen die
Wicklungsabschnitte rechteckige, insbesondere quadratische, Flächen ein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der x-y-Bereich, der von sowohl dem x-Wicklungsabschnitt als auch dem y-Wicklungsabschnitt eingenommen wird, größer ist als der x-y-Bereich, der nur von dem x-Wicklungsabschnitt eingenommen wird, und größer ist als der x-y-Bereich, der nur von dem y-Wicklungsabschnitt eingenommen wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von x-Ebenen und y-Ebenen vorgesehen ist, die in Richtung senkrecht zur Positionierebene alternierend übereinander gestapelt sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die x-Leitungsabschnitte jeweils in verschiedene x- Leitungsabschnittsgruppen unterteilt sind, x- Leitungsabschnitte verschiedener x-Leitungsabschnittsgruppen nebeneinander in einer x-Ebene angeordnet sind, und diese Anordnung entlang der x-Achsrichtung periodisch wiederholt wird, wobei jeweils zwei x-Leitungsabschnitte derselben x- Leitungsabschnittsgruppe an einem Seitenrand der
Wicklungsanordnung über einen Verbindungsabschnitt
miteinander verbunden sind, und die y-Leitungsabschnitte jeweils in verschiedene y-Leitungsabschnittsgruppen
unterteilt sind, y-Leitungsabschnitte verschiedener y- Leitungsabschnittsgruppen nebeneinander in einer y-Ebene angeordnet sind, und diese Anordnung entlang der y- Achsrichtung periodisch wiederholt wird, wobei jeweils zwei y-Leitungsabschnitte derselben y-Leitungsabschnittsgruppe an einem Seitenrand der Wicklungsanordnung über einen
Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindungsabschnitte in Richtung senkrecht zur
Positionierebene nach oben oder nach unten hin abgebogen sind .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass x-Leitungsabschnitte derselben x-Leitungsabschnittsgruppe verschiedener x-Ebenen miteinander verbunden sind, und dass y-Leitungsabschnitte derselben y-Leitungsabschnittsgruppe verschiedener y-Ebenen miteinander verbunden sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die x-Leitungsabschnitte derselben x-Leitungsabschnittsgruppe aller x-Ebenen seriell miteinander verbunden sind, so dass sie eine einzige kontinuierliche x-Leitung bilden, und dass die y-Leitungsabschnitte derselben y-Leitungsabschnittsgruppe aller y-Ebenen seriell miteinander verbunden sind, so dass sie eine einzige y-Leitung bilden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Koppelanordnung eine Magnetanordnung ist, die eine
Vielzahl von in einer zur Positionierebene parallelen Ebene verteilten magnetischen Polen aufweist, die auf
Kreuzungspunkten zueinander rechtwinkeliger x-Gitterlinien und y-Gitterlinien eines imaginären Kreuzgitters derart platziert sind, dass auf denselben x-Gitterlinien platzierte magnetische Pole untereinander dieselbe Polausrichtung aufweisen und dass auf denselben y-Gitterlinien platzierte magnetische Pole untereinander dieselbe Polausrichtung aufweisen, wobei die Polausrichtung der magnetischen Pole in Diagonalrichtung des x-y-Koordinatensystems alterniert.
Dementsprechend weist die Magnetanordnung des
Positionierschlittens eine Vielzahl von in einer zur
Positionierebene parallelen Ebene verteilten magnetischen Polen auf. Bei den magnetischen Polen handelt es sich
insbesondere um senkrecht zur Positionierebene ausgerichtete magnetische Nord- und Südpole. Die Pole können beispielsweise durch eine Vielzahl von Dauermagneten bereitgestellt werden, die in ihrer Magnetisierungsrichtung senkrecht zur
Positionierebene ausgerichtet sind. Die nachfolgend erwähnten magnetischen Pole sind dabei vorzugsweise die zu dem
Schlittenträger hin ausgerichteten Pole der Dauermagnete.
Die magnetischen Pole sind also auf Kreuzungspunkten eines imaginären Kreuzgitters platziert und folglich matrixartig angeordnet. Dabei sind auf denselben x-Gitterlinien jeweils nur magnetische Pole platziert, die untereinander dieselbe Polausrichtung aufweisen. Insbesondere sind dabei auf den x- Gitterlinien jeweils ausschließlich magnetische Nordpole oder ausschließlich magnetische Südpole platziert. Beispielsweise sind auf einer ersten x-Gitterlinie ausschließlich
magnetische Nordpole platziert und auf einer zweiten x- Gitterlinie ausschließlich magnetische Südpole platziert. Insbesondere sind dabei auf keiner der x-Gitterlinien
zugleich magnetische Nord- und Südpole vorgesehen. Eine x- Gitterlinie, auf der ausschließlich magnetische Nordpole bzw. Südpole platziert sind, wird im Folgenden auch als Nordpolbzw. Südpolzeile bezeichnet.
Der vorstehend beschriebenen Platzierung in Bezug auf die x- Gitterlinien entsprechend sind auf denselben y-Gitterlinien jeweils nur magnetische Pole platziert, die untereinander dieselbe Polausrichtung aufweisen. Insbesondere sind dabei auf den y-Gitterlinien jeweils ausschließlich magnetische Nordpole oder ausschließlich magnetische Südpole platziert. Eine y-Gitterlinie , auf der ausschließlich magnetische
Nordpole bzw. Südpole platziert sind, wird im Folgenden auch als Nordpol- bzw. Südpolreihe bezeichnet.
Wie vorstehend erwähnt, sind die magnetischen Pole auf dem imaginären Kreuzgitter zudem derart angeordnet, dass die Polausrichtung der magnetischen Pole in Diagonalrichtung des x-y-Koordinatensystems alterniert .
In Zusammenschau mit der oben diskutierten Eigenschaft, dass auf den x- und y-Gitterlinien jeweils nur magnetische Pole mit derselben Polausrichtung platziert sind, ergibt sich
somit eine matrixartige Magnetanordnung, bei der in y- Achsrichtung Nordpolzeilen und Südpolzeilen und in x- Achsrichtung Nordpolreihen und Südpolreihen abwechselnd zueinander angeordnet sind. Dabei ist auf jedem zweiten
Kreuzungspunkt in x-Achsrichtung und in y-Achsrichtung kein magnetischer Pol vorgesehen. Die magnetischen Pole
benachbarter Zeilen sind jeweils um einen Kreuzungspunkt in x-Achsrichtung zueinander verschoben, und die magnetischen Pole benachbarter Reihen sind jeweils um einen Kreuzungspunkt in y-Achsrichtung zueinander verschoben.
Das die Verteilung der magnetischen Pole definierende
Kreuzgitter hat zweckmäßigerweise eine regelmäßige Struktur, wobei die x-Gitterlinien untereinander insbesondere den gleichen Abstand haben wie die y-Gitterlinien . Die
Magnetanordnung befindet sich zweckmäßigerweise an einer dem Schlittenträger zugewandten Unterseite des
Positionierschlittens .
Insbesondere ist dabei der Schlittenträger ausgebildet, die magnetischen Wanderfelder derart zu erzeugen, dass die magnetischen Polabschnitte des resultierenden Magnetfelds in inverser Entsprechung zu den Nord- und Südpolen der
vorstehend beschriebenen Magnetanordnung angeordnet sind. Zweckmäßigerweise ist das resultierende Magnetfeld derart ausgebildet, dass an den mit Nordpolen der Magnetanordnung besetzten Kreuzungspunkten des imaginären Kreuzgitters magnetische Südpole ausgebildet werden, und an den mit
Südpolen der Magnetanordnung besetzten Kreuzungspunktes magnetische Nordpole ausgebildet werden. Auf diese Weise kann die Magnetanordnung besonders gut von dem resultierenden Magnetfeld angetrieben bzw. mitgeführt werden. Hierbei werden diejenigen Pole der Magnetanordnung als " Südpole" bezeichnet, die von den Südpolabschnitten des resultierenden Magnetfelds
abgestoßen und von den Nordpolabschnitten des resultierenden Magnetfelds angezogen werden. In analoger Weise werden diejenigen Pole der Magnetanordnung als "Nordpole"
bezeichnet, die von den Nordpolabschnitten des resultierenden Magnetfelds abgestoßen und von den Südpolabschnitten des resultierenden Magnetfelds angezogen werden.
Zweckmäßigerweise entspricht der Abstand zwischen zwei benachbarten Abschnitten maximaler Magnetfeldstärke - also der Abstand zwischen einem Nordpolabschnitt und einem
benachbarten Südpolabschnitt - dem Abstand zweier
Kreuzungspunkte auf einer x-Gitterlinie bzw. y-Gitterlinie des vorstehend beschriebenen imaginären Kreuzgitters der Magnetanordnung, oder einem Bruchteil oder Vielfachen davon.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Koppelanordnung eine Supraleiteranordnung ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Supraleiteranordnung eine erste Gruppe von
Supraleiterabschnitten umfasst, in denen jeweils
Magnetfeldgeometrien einer ersten Polausrichtung eingeprägt sind, und eine zweite Gruppe von Supraleiterabschnitten umfasst, in denen jeweils Magnetfeldgeometrien einer zweiten, der ersten Polausrichtung entgegengesetzten Polausrichtung eingeprägt sind, wobei die Supraleiterabschnitte in einer zur Positionierebene parallelen Ebene verteilt und auf
Kreuzungspunkten zueinander rechtwinkeliger x-Gitterlinien und y-Gitterlinien eines imaginären Kreuzgitters derart platziert sind, dass auf denselben x-Gitterlinien platzierte Supraleiterabschnitte untereinander dieselbe Polausrichtung aufweisen und dass auf denselben y-Gitterlinien platzierte Supraleiterabschnitte untereinander dieselbe Polausrichtung
aufweisen, wobei die Polausrichtung der Supraleiterabschnitte in Diagonalrichtung des x-y-Koordinatensystems alterniert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lagereinrichtung eine Luftlagerplatte aufweist, die an der dem Positionierschlitten zugewandten Seite eine Vielzahl von Luftaustrittsöffnungen zur Bereitstellung eines den
Positionierschlitten abstützenden Luftlagers aufweist.
Zweckmäßigerweise ist die Luftlagerplatte in einer zu der Positionierebene parallelen Ebene angeordnet. Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Luftlagerplatten vorgesehen, die aneinandergereiht auf dem Schlittenträger aufliegen.
Insbesondere weisen die Luftlagerplatten dabei einen
rechteckigen, vorzugsweise einen quadratischen Umriss auf. Vorzugsweise handelt es sich bei den Luftlagerplatten um Glasplatten. Alternativ dazu können die Luftlagerplatten aus einem porösen Material hergestellt sein, wobei dann an der Oberseite - also der dem positioniert schlittenzugewandten Seite - angeordnete Poren als die vorstehend genannten
Luftaustrittsöffnungen dienen.
Vorzugsweise liegt der mindestens eine Positionierschlitten mit seiner Magnetanordnung lose auf der Luftlagerplatte über der Statoranordnung. Die Magnetanordnung liegt vorzugsweise stets gleichzeitig über mindestens einem x-Wicklungsabschnitt und mindestens einem y-Wicklungsabschnitt auf .
Der Positionierschlitten kann insbesondere mit einer an seiner Unterseite angeordneten Magnetanordnung von oben her auf der Luftlagerplatte über dem x-Wicklungsabschnitt und dem y-Wicklungsabschnitt aufliegen. Es besteht dabei die
vorteilhafte Möglichkeit, beim Zusammenbau des
Positioniersystems jeden Positionierschlitten einfach von
oben her auf den Schlittenträger bzw. die Luftlagerplatte aufzulegen. Umgekehrt lässt sich jeder Positionierschlitten durch einfaches Abheben bei Bedarf auch wieder vom
Schlittenträger entfernen. Der Positionierschlitten hat zweckmäßigerweise keinerlei Bestandteil, der einen
Bestandteil des Schlittenträgers untergreift.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schlittenträger wenigstens eine Wicklungskammer aufweist, in welcher die Wicklungsanordnung angeordnet ist, wobei die Wicklungskammer zum Positionierschlitten hin von der
Luftlagerplatte abgeschlossen wird und auf der der
Luftlagerplatte abgewandten Seite der Wicklungsanordnung einen Drucklufteinlass aufweist, so dass an dem
Drucklufteinlass bereitgestellte Luftlagerdruckluft die
Wicklungskammer und die Wicklungsanordnung durchströmen muss, um zu den Luftaustrittsöffnungen zu gelangen.
Die Wicklungsanordnung ist folglich im Schlittenträger in einer Wicklungskammer untergebracht. Nach oben - also zum Positionierschlitten hin - wird diese Wicklungskammer von der vorstehend beschriebenen Luftlagerplatte abgedeckt bzw.
abgeschlossen. In der Luftlagerplatte sind, wie vorstehend beschrieben, eine Vielzahl von Luftaustrittsöffnungen
vorgesehen, aus denen zugeführte Druckluft austreten kann, um so den Positionierschlitten abzustützen. Der Schlittenträger ist dabei derart ausgebildet, dass die zugeführte Druckluft zunächst die Wicklungskammer und damit auch die
Wicklungsanordnung durchströmt, bevor sie zu den
Luftaustrittsöffnungen gelangt und aus diesen austritt. Dies wird dadurch erzielt, dass sich der Drucklufteinlass auf einer der Luftlagerplatte abgewandten Seite der
Wicklungsanordnung angeordnet ist, sodass die zugeführte Druckluft zwangsläufig die Wicklungsanordnung durchströmen
muss, um zu den Luftaustrittsöffnungen zu gelangen.
Beispielsweise befindet sich der Drucklufteinlass hierfür am Boden der Wicklungskammer. Zweckmäßigerweise ist die
Wicklungskammer dabei bis auf die Luftaustrittsöffnungen und den Drucklufteinlass luftdicht ausgebildet. Durch die beschriebene Ausgestaltung der Wicklungskammer wird der Vorteil erzielt, dass mit der zur Bereitstellung des
Luftlagers zugeführten Druckluft die Wicklungsanordnung gekühlt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schlittenträger über eine Ansteuerschaltung verfügt, die ausgebildet ist, wenigstens einem x-Wicklungsabschnitt und wenigstens einem y-Wicklungsabschnitt zur Bereitstellung des jeweiligen Wanderfelds mehrere, zueinander phasenverschobene Ströme zuzuführen.
Die Ansteuerschaltung ist dabei insbesondere ausgebildet, den x- und y-Wicklungsabschnitt derart zu bestromen, dass
Wanderfelder mit einer vorbestimmten Ausbildung und
Bewegungsgeschwindigkeit bereitgestellt werden. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass ein Wanderfeld nicht zwingend in Bewegung sein muss, sondern auch je nach gewünschter Positionierung des Positionierschlittens in x-Achsrichtung oder y-Achsrichtung stillstehen kann. Ferner muss sich das Wanderfeld nicht zwingend kontinuierlich bewegen, sondern kann stattdessen zur Ausführung der gewünschten
Positionierbewegung auch taktweise verschoben werden.
Mögliche Bestromungen eines Wicklungsabschnitts zur Erzeugung eines magnetischen Wanderfelds mit einer gewünschten
Ausbildung und Bewegungsgeschwindigkeit sind bereits aus dem technischen Gebiet der elektromagnetischen Synchron- Linearmotoren bekannt und werden an dieser Stelle deshalb
nicht im Detail erläutert. Beispielsweise können Leitungen eines Wicklungsabschnitts jeweils mit zueinander
phasenverschobenen sinusförmigen Strömen bestromt werden, um so ein magnetisches Wanderfeld bereitzustellen.
Zweckmäßigerweise können die magnetischen Wanderfelder mittels der Ansteuerschaltung unabhängig voneinander bewegt werden. Die Wanderfelder können entlang der x-Achsrichtung bzw. y-Achsrichtung vorwärts und/oder rückwärts bewegt werden. Auch können unterschiedliche
Bewegungsgeschwindigkeiten für die Wanderfelder vorgegeben werden, insbesondere auch derart, dass das eine Wanderfeld mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt als das andere
Wanderfeld. Zweckmäßigerweise ist die Ansteuerschaltung ausgebildet, die Wanderfelder aufeinander abgestimmt zu bewegen, um eine jeweils gewünschte Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit der Positionierbewegung zu
realisieren .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schlittenträger eine Mehrzahl von Trägermodulen umfasst, die in der x-Achsrichtung und/oder in der y-Achsrichtung modular aneinander anreihbar oder aneinander angereiht sind und die jeweils einen x-Wicklungsabschnitt einen y- Wicklungsabschnitt enthalten, wobei ein und derselbe
Positionierschlitten bei seiner Positionierbewegung über mehrere und zweckmäßigerweise über sämtliche der Trägermodule hinweg verfahrbar ist.
Ein solcher modularer Schlittenträger enthält eine Mehrzahl von Trägermodulen, die zur Bildung des Schlittenträgers in der x-Achsrichtung und/oder in der y-Achsrichtung modular aneinander anreihbar oder aneinander angereiht sind. Von diesen Trägermodulen enthält jedes Trägermodule mindestens
einen und bevorzugt genau einen x-Wicklungsabschnitt und mindestens einen und bevorzugt genau einen y- Wicklungsabschnitt . Vorzugsweise sind die aneinander
angereihten Trägermodule auf einer Trägergrundplatte
befestigt. Bevorzugt sind Befestigungsmittel vorhanden, die die aneinander angereihten Trägermodule auf der
Trägergrundplatte fixieren, wobei es sich beispielsweise um Schraubbefestigungssysteme oder auch um
Rastverbindungssysteme handeln kann. Alternativ können die aneinander gereihten Trägermodule auch mit der
Trägergrundplatte verschweißt sein. Alle Trägermodule
gemeinsam bilden eine den Schlittenträger repräsentierende Modulmatrix. Der modulare Aufbau ermöglicht es,
Schlittenträger mit unterschiedlicher flächenhafter
Ausdehnung und/oder unterschiedlicher Außenkontur zu
realisieren, um anwendungsspezifischen Gegebenheiten Rechnung zu tragen.
Die weiter oben im Zusammenhang mit dem Schlittenträger erwähnten vorteilhaften Ausstattungsmerkmale treffen bei modularem Aufbau zweckmäßigerweise für jedes einzelne
Trägermodul zu.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Positionierschlitten als ein
Produktträger ausgebildet ist, der direkt oder indirekt mit mindestens einem zu positionierenden Produkt bestückbar ist.
Der Positionierschlitten kann mit Befestigungsmitteln
ausgestattet sein, die eine bevorzugt lösbare Fixierung mindestens eines Produktes ermöglichen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Positionierschlitten als Grundträger für einen eigentlichen Produktträger zu nutzen, wobei der
eigentliche Produktträger beispielsweise eine sogenannte
ikrotiterplatte sein kann, die zur Aufbewahrung beziehungsweise zum Transport von Fluidproben einsetzbar ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Positionierschlitten einen rechteckigen Umriss hat und/oder plattenförmig ausgebildet ist.
Vorzugsweise repräsentiert der Positionierschlitten eine Palette. Die Magnetanordnung hat zweckmäßigerweise eine rechteckige Außenkontur mit vier zueinander rechtwinkeligen Randbereichen .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Grundfläche der Magnetanordnung mindestens eines
Positionierschlittens größer ist als die Grundfläche des Schlittenträgers oder jedes Trägermoduls.
Setzt sich der Schlittenträger modular aus mehreren
aneinandergereihten Trägermodulen zusammen, besteht für ein und denselben Positionierschlitten die Möglichkeit, sich über mehrere und zweckmäßigerweise über sämtliche Trägermodule hinweg zu bewegen. Durch aufeinander abgestimmten Betrieb der Statoranordnungen der einzelnen Trägermodule kann der
Positionierschlitten bei seiner Positionierbewegung
problemlos zwischen benachbarten Trägermodulen "übergeben" werden. Beispielsweise kann mittels einer integrierten
Magnetfeldmessung detektiert werden, wenn ein
Positionierschlitten ein Trägermodul verlässt und in
magnetischer Wechselwirkung mit einem Statorabschnitt eines benachbarten Trägermoduls tritt. Dementsprechend kann die Ansteuerschaltung dann bestimmte Trägermodule aktivieren bzw. deaktivieren, so dass jeweils nur die Trägermodule, die auch tatsächlich zum Antrieb eines Positionierschlittens beitragen bzw. dazu benötigt werden, bestromt werden, um die
entsprechenden magnetischen Wanderfelder bereitzustellen. Selbstverständlich können zusätzlich oder alternativ auch andere Detektionsmittel vorhanden sein, um die aktuelle Position des Positionierschlittens zu überwachen und bei seiner Ansteuerung zu verarbeiten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden
Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:
Figur 1 eine Draufsicht auf ein Positioniersystem mit Blick senkrecht zu einer x-y-Ebene, wobei der
Schlittenträger des Positioniersystems einen modularen Aufbau hat und mehrere zweidimensional aneinandergereihte Trägermodule umfasst,
Figur 2 eine isometrische Darstellung eines Trägermoduls des in der Figur 1 gezeigten Positioniersystems, bei welchem sich der x-Wicklungsabschnitt und der y-Wicklungsabschnitt überlappen;
Figur 3 eine isometrische Darstellung der
Wicklungsanordnung des in der Figur 2 gezeigten Trägermoduls ;
Figur 4a eine schematische Darstellung von Leitungen in
einem x-Wicklungsabschnitt , mit Blick senkrecht zur x-y-Ebene ;
Figur 4b eine schematische Darstellung von Leitungen in
einem y-Wicklungsabschnitt , mit Blick senkrecht zur x-y-Ebene ;
Figur 5 eine schematische Darstellung von Leitungen einer Wicklungsanordnung, mit Blick senkrecht zu einer x- z- Ebene ;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines idealisierten resultierenden Magnetfelds, das sich aus der
Überlagerung eines x-Wanderfelds und eines y- Wanderfelds ergibt.
Figur 7 eine Draufsicht auf die an dem Schlittenträger
angeordnete Magnetanordnung bzw.
Supraleiteranordnung ,
Figur 8 eine isometrische Darstellung eines
Positioniersystems, bei dem eine Vielzahl von
Luftlagerplatten auf dem Schlittenträger angeordnet ist ;
Figur 9 eine isometrische Darstellung eines Trägermoduls mit Luftlagerplatte;
Figur 10 eine isometrische Schnittdarstellung eines
Trägermoduls mit Luftlagerplatte und
Drucklufteinlass ;
Figur 11 eine Schnittdarstellung eines Trägermoduls mit
Luftlagerplatte und Drucklufteinlass ,
Figur 12 eine Schnittdarstellung zweier nebeneinander
angeordneter Trägermodule, auf denen ein Positionierschlitten angeordnet ist;
In der nachstehenden Figurenbeschreibung werden für
funktionsgleiche Komponenten der dargestellten
Ausführungs formen jeweils gleiche Bezeichnungen verwendet, wobei auf eine mehrfache Beschreibung funktionsgleicher
Komponenten verzichtet wird.
Zu den Abbildungen der Figuren 2, 9, 10, und 11 ist zu sagen, dass das hier gezeigte Modul auch ein eigenständiges
Positioniersystem repräsentieren kann, bei dem der gesamte Schlittenträger aus einem einzigen Trägermodul besteht, das nicht notwendigerweise für eine Aneinanderreihung mit
weiteren Trägermodulen ausgelegt ist. Der gesamte
Schlittenträger des Positioniersystems kann hier einheitlich aus einem einzigen Trägermodul bestehen.
Das in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete
Positioniersystem enthält mindestens einen
Positionierschlitten 2, der an einem als Basis des
Positioniersystems 1 fungierenden Schlittenträger 3 gelagert ist und unter Ausführung einer durch Pfeile illustrierten Positionierbewegung 4 relativ zu dem Schlittenträger 3 in einer Positionierebene 5 variabel verfahrbar und
positionierbar ist.
Die Positionierebene 5 ist durch ein kartesisches x-y- Koordinatensystem definiert, das eine x-Achse und eine hierzu rechtwinkelige y-Achse aufweist. Die Richtung der x-Achse sei im Folgenden auch als x-Achsrichtung bezeichnet, die Richtung der y-Achse sei im Folgenden auch als y-Achsrichtung
bezeichnet. In den Figuren 1, 4a, 4b, und 7 verlaufen die x- Achse und die y-Achse und mithin die Positionierebene 5 parallel zur Zeicheneben. In den Figuren 5, 11 und 12
verläuft die Positionierebene 5 senkrecht zur Zeichenebene.
In einer üblichen Gebrauchsorientierung des
Positioniersystems 1 ist die Positionierebene 5 von einer Horizontalebene definiert.
Der Schlittenträger 3 hat eine Trägeroberseite 6, die in der üblichen Gebrauchsorientierung des Positioniersystems 1 vertikal nach oben weist. Der mindestens eine
Positionierschlitten 2 ist an der Trägeroberseite 6 am
Schlittenträger 3 angeordnet.
Die Figur 1 illustriert eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positioniersystems 1. Das Positioniersystem 1 umfasst hier zwar mehrere Positionierschlitten 2, die Anzahl der Positionierschlitten 2 ist jedoch prinzipiell beliebig. Das Positioniersystem 1 kann auch mit nur einem einzigen Positionierschlitten 2 ausgestattet sein. Im
Folgenden getroffene Bezugnahmen auf einen
Positionierschlitten 2 sind als Bezugnahmen auf sämtliche jeweils vorhandenen Positionierschlitten 2 zu verstehen.
Der Schlittenträger 3 hat zweckmäßigerweise einen modularen Aufbau und setzt sich aus einer Mehrzahl individueller
Trägermodule 7 zusammen. Diese Trägermodule 7 sind unter Bildung einer zweidimensionalen Modulmatrix in der x-y-Ebene beliebig aneinanderreihbar und insbesondere auch mechanisch miteinander und/oder mit einer Trägergrundplatte 46
koppelbar, sodass sich eine feste bzw. zusammenhängende Struktur ergibt.
Der Schlittenträger 3 hat eine bevorzugt plattenförmige Grundkörperstruktur 8. Zusätzlich zu dieser
Grundkörperstruktur 8 kann der Schlittenträger 3 zudem eine Ansteuerschaltung 28 aufweisen, wie dies in der Figur 1 exemplarisch gezeigt ist. Alternativ zum gezeigten Beispiel
kann die Ansteuerschaltung 28 auch in der Grundkörperstruktur 8 des Schlittenträgers 3 integriert sein. Jedes Trägermodul 7 weist einen Grundkörper 8a auf, wobei die Trägermodule 7 mit ihren Grundkörpern 8a modular aneinander anreihbar sind, sodass die mehreren aneinandergereihten Grundkörper 8a gemeinsam die Grundkörperstruktur 8 bilden.
Bevorzugt hat jeder Grundkörper 8a einen rechteckigen
Grundriss. Dieser rechteckige Grundriss ist bevorzugt
quadratisch, was auf das Ausführungsbeispiel zutrifft.
Bevorzugt hat jeder Grundkörper 8a vier zueinander
rechtwinkelige seitliche Außenflächen 12, die den Grundriss des Grundkörpers 8a definieren.
Innerhalb des modularen Schlittenträgers 3 sind die
Trägermodule 7 so ausgerichtet, dass jeweils zwei sich gegenüberliegende seitliche Außenflächen 12 in der x- Achsrichtung und die beiden anderen sich gegenüberliegenden seitlichen Außenflächen 12 in der y-Achsrichtung orientiert sind .
Zur Bildung des Schlittenträgers 3 sind die Trägermodule 7 mit den seitlichen Außenflächen 12 ihrer Grundkörper 8a aneinandersetzbar oder aneinandergesetzt . Auf diese Weise lässt sich ein Schlittenträger 3 bilden, der aus einer beliebigen Anzahl von in der x-Achsrichtung verlaufenden Trägermodulreihen 7 und einer beliebigen Anzahl von in der y- Achsrichtung verlaufenden Trägermodulreihen zusammengesetzt ist. Bevorzugt ist jede der vier seitlichen Außenflächen 12 für den Anbau bzw. das Ansetzen eines weiteren Trägermoduls 7 geeignet, sodass nicht nur regelmäßige, sondern auch
unregelmäßige Verteilungsmuster von Trägermodulen 7
realisierbar sind.
Der Schlittenträger 3 ist mit mehreren Statoranordnungen 13 ausgestattet, die dazu dienen, magnetische Wanderfelder bereitzustellen, mit denen die Positionierschlitten
angetrieben werden können. Die Statoranordnungen 13 umfassen jeweils eine Wicklungsanordnung 43, die wiederum zwei
Wicklungsabschnitte 43a und 43b aufweist. Mindestens ein Wicklungsabschnitt 43a ist für die Erzeugung eines in x- Achsrichtung bewegbaren magnetischen x-Wanderfelds zur
Verlagerung des Positionierschlittens 2 in der x-Achsrichtung zuständig und sei deshalb als x-Wicklungsabschnitt 43a bezeichnet. Mindestens ein anderer Wicklungsabschnitt 43b ist für die Erzeugung eines in y-Achsrichtung bewegbaren
magnetischen y-Wanderfelds zur Verlagerung des
Positionierschlittens 2 in der y-Achsrichtung zuständig und sei deshalb als y-Wicklungsabschnitt 43b bezeichnet.
Erfindungsgemäß sind der x-Wicklungsabschnitt 43a und der y- Wicklungsabschnitt 43b jeder Statoranordnung 13 parallel zur Positionierebene 5 angeordnet und nehmen zumindest teilweise denselben x-y-Bereich im x-y-Koordinatensystem ein, so dass sich das x-Wanderfeld und das y-Wanderfeld in diesem x-y- Bereich überlagern. Dass heißt, dass sich der x- Wicklungsabschnitt 43a und der y-Wicklungsabschnitt 43b überlappen. Vorzugsweise überlappen sich die beiden
Wicklungsabschnitte 43a, 43b dabei vollständig. Die
Überlappung der Wicklungsabschnitte 43a, 43b erzielt
insbesondere den Vorteil, dass die Fläche des
Schlittenträgers 3 effizienter ausgenutzt wird und dadurch sowohl in x-Achsrichtung also auch in y-Achsrichtung sich über einen größeren Bereich erstreckende magnetische
Wanderfelder bereitgestellt werden können.
Die Figur 2 zeigt ein Trägermodul 7 eines Positioniersystems 1. Wie gezeigt, überlappen sich der x-Wicklungsabschnitt 43a
und der y-Wicklungsabschnitt 43b; d.h., dass sie denselben x- y-Bereich einnehmen, so dass sich das von diesen
Wicklungsabschnitten 43a, 43b bereitgestellte x-Wanderfeld und y-Wanderfeld in diesem x-y-Bereich überlagern. Wie in der Figur 2 gezeigt, überlappen sich die beiden
Wicklungsabschnitte 43a, 43b nahezu vollständig. Insbesondere ist dabei die sich überlappende Fläche der
Wicklungsabschnitte 43a, 43b größer als die sich nicht überlappende Fläche der jeweiligen Wicklungsabschnitte 43a, 43b. Somit ist der x-y-Bereich, der von sowohl dem x- Wicklungsabschnitt 43a als auch dem y-Wicklungsabschnitt 43b eingenommen wird, größer als der x-y-Bereich, der nur von dem x-Wicklungsabschnitt 43a eingenommen wird, und größer als der x-y-Bereich, der nur von dem y-Wicklungsabschnitt 43b
eingenommen wird.
Der x-Wicklungsabschnitt 43a umfasst eine Vielzahl von parallel zur y-Achsrichtung verlaufenden x-
Leitungsabschnitten 47a, die in einer oder mehreren x-Ebenen 48a parallel zur Positionierebene 5 angeordnet sind.
Entsprechend umfasst der y-Wicklungsabschnitt 43b eine
Vielzahl von parallel zur x-Achsrichtung verlaufenden y- Leitungsabschnitten 47a, die in einer oder mehreren y-Ebenen 48b parallel zur Positionierebene 5 angeordnet sind.
Wie in der Figur 2 zu sehen, liegen x- und y-Ebenen 48a, 48b dabei in z -Richtung - also senkrecht zum x-y- Koordinatensystem - übereinander bzw. sind in z -Richtung aufeinander gestapelt. Dabei sind die x- bzw. y-Ebenen 48a, 48b in z-Richtung alternierend angeordnet. In Draufsicht ergibt sich so eine Wicklungsmatrix, bei der sich die x- Leitungsabschnitte 47a und die y-Leitungsabschnitte 47b in einer Vielzahl von Kreuzungspunkten kreuzen. Dies ist z.B. in der Figur 1 schematisch angedeutet.
Durch die Überlappung des x-Wicklungsabschnitts 43a und des y-Wicklungsabschnitts 43b ergeben sich mehrere Vorteile. Ein erster Vorteil besteht darin, dass durch die Überlappung beide Wicklungsabschnitte nahezu die gesamte x-y-Fläche des Trägermoduls 7 einnehmen können und somit die Fläche des Trägermoduls 7 effizient ausgenutzt wird. Dadurch können magnetische Wanderfelder bereitgestellt werden, die sich sowohl in x-Achsrichtung also auch in y-Achsrichtung nahezu über den gesamten x-y-Bereich des Trägermoduls 7 erstrecken.
Ein weitere Vorteil besteht darin, dass, wie nachstehend ausführlich beschrieben, das aus der Überlagerung der
magnetischen Wanderfelder resultierende Magnetfeld besonders gut zum Antrieb eines Schlittenträgers mit einer speziell ausgebildeten Koppelanordnung geeignet ist.
Die Figur 3 zeigt die überlappend angeordneten x- und y- Wicklungsabschnitte 43a, 43b des in der Figur 2 dargestellten Trägermoduls 7. In dem gezeigten Beispiel sind sowohl die x- Leitungsabschnitte 47a als auch die y-Leitungsabschnitte 47b in jeweils drei Leitungsabschnittsgruppen unterteilt. Die x- Leitungsabschnitte 47a sind dabei in die
Leitungsabschnittsgruppen 49u, 49v und 49w und die y- Leitungsabschnitte 47b in die Leitungsabschnittsgruppen 51u, 51v und 51w unterteilt. Wie gezeigt, sind in x-Achsrichtung x-Leitungsabschnitte 47a der Leitungsabschnittsgruppen 49u, 49v und 49w in einer bestimmten Reihenfolge nebeneinander angeordnet, und diese Reihenfolge wird periodisch entlang der x-Achsrichtung wiederholt. Entsprechend wird in y- Achsrichtung die Reihenfolge von y-Leitungsabschnitten 47b der Leitungsabschnittsgruppen 51u, 51v und 51w periodisch wiederholt .
Leitungsabschnitte derselben Leitungsabschnittsgruppe führen denselben Strom. Dazu sind die Leitungsabschnitte
entsprechend miteinander und/oder mit der Ansteuerschaltung verschaltet. Im in der Figur 3 gezeigten Beispiel sind die Leitungsabschnitte derselben Leitungsabschnittsgruppe seriell miteinander verbunden. Dazu sind jeweils zwei benachbarte Leitungsabschnitte derselben Leitungsabschnittsgruppe an einem Seitenrand 17 der Wicklungsanordnung 43 über einen Verbindungsabschnitt 52 miteinander verbunden. Der
Verbindungsabschnitt 52 ist dabei in z-Richtung nach unten hin abgebogen, um so den vorhandenen Raum effizient
auszunutzen. Leitungsabschnitte derselben
Leitungsabschnittsgruppe in verschiedenen x-Ebenen bzw. y- Ebenen sind ebenfalls seriell miteinander verbunden.
Folglich ergibt sich eine Anordnung, bei durch die serielle Verbindung der Leitungsabschnitte einer
Leitungsabschnittsgruppe effektiv eine einzelne Leitung pro Leitungsabschnittsgruppe vorhanden ist, die entlang der x- bzw. y-Achsrichtung mäandernd angeordnet ist und sich durch alle zugehörigen x- bzw. y-Ebenen zieht.
Die Figuren 4a und 4b zeigen schematisch die Anordnung der Leitungsabschnitte 47a bzw. 47b der Wicklungsabschnitte 43a bzw. 43b. Als Leitungsabschnitte werden hier die geraden, parallel zueinander verlaufenden Abschnitte der gezeigten Leitungen bezeichnet. Wie gezeigt, sind dabei
Leitungsabschnitte 47a bzw. 47b derselben
Leitungsabschnittsgruppe 49u, 49v, 49w bzw. 51u, 51v, 51w über Verbindungsabschnitte 52 miteinander verbunden.
Dementsprechend ergibt sich effektiv pro
Leitungsabschnittsgruppe 49u, 49v, 49w bzw. 51u, 51v, 51w eine einzelne x-Leitung bzw. y-Leitung die entlang der x- bzw. y-Achsrichtung mäandernd angeordnet ist. Insgesamt
besteht der gezeigte x-Wicklungsabschnitt 43a damit aus drei mäandernd angeordneten x-Leitungen, und der gezeigte y- Wicklungsabschnitt 43a aus drei mäandernd angeordneten y- Leitungen .
Die Figur 5 zeigt eine schematische Seitenansicht der
Wicklungsanordnung 43. Wie der Figur 5 entnommen werden kann, sind die x-Ebenen 48a des x-Wicklungsabschnitts 43a und die y-Ebenen 48b des y-Wicklungsabschnitts 43b in z-Richtung alternierend gestapelt. Wie gezeigt, sind in x-Achsrichtung Leitungsabschnitte 47a der Leitungsabschnittsgruppen 49u, 49v und 49w nebeneinander in einer bestimmten Reihenfolge
angeordnet, und diese Reihenfolge wird periodisch entlang der x-Achsrichtung wiederholt .
Die bereits vorstehend eingeführte Ansteuerschaltung 28 ist ausgebildet, jeder der x-Leitungen und y-Leitungen unabhängig voneinander einen vorbestimmten Strom zuzuführen, um so das x-Wanderfeld bzw. das y-Wanderfeld zu erzeugen. Die den x- Leitungen bzw. y-Leitungen zugeführten Ströme sind dabei vorzugsweise zueinander phasenverschoben, so dass sich ein entlang der x- bzw. y-Achsrichtung variierendes x-Wanderfeld bzw. y-Wanderfeld ausbildet. Das x-Wanderfeld weist dabei insbesondere eine Vielzahl von zu der y-Achsrichtung
parallelen Wellenfronten auf. Vorzugsweise weist das x- Wanderfeld entlang der x-Achsrichtung in periodischen
Abständen Abschnitte mit maximaler Magnetfeidstärke auf. Die Magnetfeldrichtung dieser Abschnitte alterniert vorzugsweise entlang der x-Achsrichtung. Die Abschnitte maximaler
Feldstärke werden im Folgenden auch als Nordpolabschnitte und Südpolabschnitte bezeichnet. Das y-Wanderfeld ist in
Entsprechung dazu in y-Achsrichtung ausgebildet.
Durch die beschriebene Überlappung des x-Wicklungsabschnitts 43a und des y-Wicklungsabschnitts 43b findet eine
Überlagerung des x-Wanderfelds und des y-Wanderfelds statt.
Insbesondere wenn die magnetischen Wanderfelder jeweils eine Vielzahl von Nordpol- und Südpolabschnitten aufweisen, ergibt sich aufgrund der Überlagerung der beiden Wanderfelder ein resultierendes Magnetfeld 55, dessen Magnetfeldstärke eine Vielzahl von über die Überlappungsfläche bzw. den gemeinsamen x-y-Bereich der Wicklungsabschnitte matrixartig verteilten Maxima und Minima bzw. Nord- und Südpolabschnitten aufweist. Die Figur 6 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines solchen Magnetfelds für den idealisierten Fall, dass das x- Wanderfeld und das y-Wanderfeld jeweils sinusförmig
ausgebildet sind. Auf der z-Achse des in der Figur 10 gezeigten Schaubilds ist dabei die Magnetfeldstärke Bz - also die Magnetfeldstärke in Richtung senkrecht zu der
Positionierebene 5 - aufgetragen.
Bei dem gezeigten resultierenden Magnetfeld 55 sind die
Abschnitte maximaler Magnetfeldstärke Bz - also
Nordpolabschnitte 53 und Südpolabschnitte 54 - in einer zur Positionierebene 5 parallelen Ebene verteilt und auf
Kreuzungspunkten zueinander rechtwinkeliger x-Gitterlinien und y-Gitterlinien eines imaginären Kreuzgitters derart platziert, dass auf denselben x-Gitterlinien platzierte
Polabschnitte untereinander dieselbe Polausrichtung N, S aufweisen und dass auf denselben y-Gitterlinien platzierte Polabschnitte untereinander dieselbe Polausrichtung N, S aufweisen, wobei die Polausrichtung N, S der Polabschnitte 53, 54 in Diagonalrichtung des x-y-Koordinatensystems alterniert . Wie nachstehend im Zusammenhang mit der Figur 7 erläutert, entspricht somit die Polabschnittanordnung des
resultierenden Magnetfelds 55 der Polanordnung der Magnetanordnung 23 bzw. der Supraleiteranordnung 25.
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist die Antriebsschaltung 28 ausgebildet, den x-Wicklungsabschnitt 43a und den y- Wicklungsabschnitt 43b unabhängig voneinander anzusteuern. Auf diese Weise können das x-Wanderfeld und das y-Wanderfeld unabhängig voneinander bewegt werden. Durch aufeinander abgestimmte Ansteuerung der Wicklungsabschnitte 43a, 43b kann die Richtung der Positionierbewegung 4 vorgegeben werden. Auf diese Weise besteht nicht nur die Möglichkeit, einen
Positionierschlitten 2 wahlweise in der x-Achsrichtung oder in der y-Achsrichtung zu bewegen, sondern darüber hinaus auch mit jeder anderen Bewegungsrichtung und Bewegungsform
innerhalb der Positionierebene 5.
Wenn das Positioniersystem 1 wie in Figur 1 gezeigt mehrere x-Wicklungsabschnitte 43a und y-Wicklungsabschnitte 43b umfasst, so kann die Antriebsschaltung 28 derart ausgelegt sein, dass die x-Wicklungsabschnitte 43a bzw. die y- Wicklungsabschnitte 43b verschiedener Trägermodule 7 jeweils unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dadurch wird es bei einem mit mehreren Positionierschlitten 2
beladenen Schlittenträger 3 möglich, die Positionierschlitten 2 unabhängig voneinander zu verfahren und zu positionieren.
Es ist durchaus möglich, ein Positioniersystem 1 mit nur einem einzigen x-Wicklungsabschnitt 43a und nur einem
einzigen y-Wicklungsabschnitt 43b zu verwirklichen. Ein solches Positioniersystem 1 hat dann beispielsweise den anhand der Figuren 2, 9 und 11 illustrierten Aufbau, wobei das hier gezeigte Trägermodul 7 dann den gesamten
Schlittenträger 3 bildet, der als eine Einheit konzipiert ist. Der besondere Vorteil des Positioniersystems 1 äußert
sich jedoch vor allem dann, wenn der Schlittenträger 3 mit einer Mehrzahl Statoranordnungen 13 ausgestattet ist.
Die beschriebene Mehrfachausstattung des Schlittenträgers 3 mit Statoranordnungen 13 hat den vorteilhaften Effekt, dass der Positionierschlitten 2 in einem sehr großen
Positionierbereich verfahren werden kann. Dabei kann ein und derselbe Positionierschlitten 2 seine abtriebsmäßige
Kooperation mit von verschiedenen Statorabschnitten 13 erzeugten magnetischen Wanderfeldern wechseln. Der
Positionierschlitten 2 kann also bei der Positionierbewegung 4 zwischen einzelnen Statoranordnungen 13 quasi übergeben werden. Dadurch kann der Positionierschlitten 2 auch längere Wegstrecken auf unterschiedlichen Bahnverläufen zurücklegen. Dies ermöglicht einen besonders flexiblen Einsatz des
Positioniersystems 1.
Bei der Positionierung innerhalb des Positioniersystems 1 kann jeder Positionierschlitten 2 prinzipiell über sämtliche vorhandenen Trägermodule 7 hinweg verfahren werden.
Jeder Positionierschlitten 2 ist mit einer Unterseite 18 voraus von oben her an den Schlittenträger 3 angesetzt.
Mithin sind die Unterseite 18 des Positionierschlittens 2 und die Trägeroberseite 6 des Schlittenträgers 3 in einer zur x- y-Ebene rechtwinkeligen Höhenrichtung, die auch als z- Richtung bezeichnet wird, einander zugewandt.
Der Positionierschlitten 2 weist eine Koppelanordnung auf, die mit den magnetischen Wanderfeldern in magnetischer
Wechselwirkung steht. Vorzugsweise ist die Koppelanordnung als Magnetanordnung 23 ausgebildet. Alternativ dazu kann die Koppelanordnung auch als Supraleiteranordnung 25 ausgebildet sein. Die Magnetanordnung 23 bzw. die Supraleiteranordnung 25
ist vorzugsweise an der Unterseite 18 des
Positionierschlittens 2 angeordnet.
Die spezielle Ausgestaltung der Magnetanordnung 23 bzw. der Supraleiteranordnung 25 wird im Folgenden anhand der Figur 7 beschrieben. Dabei wird zunächst auf die Ausgestaltung der Magnetanordnung 23 eingegangen. Daran anschließend wird die Ausgestaltung der Supraleiteranordnung 25 erläutert.
Die Figur 7 zeigt die spezielle Ausgestaltung der
Magnetanordnung 23. Wie in der Figur 7 gezeigt, verfügt die Magnetanordnung 23 über eine Vielzahl von magnetischen Polen 24, die in der x-y-Ebene mit regelmäßiger zweidimensionaler Verteilung angeordnet sind. Dabei sind die magnetischen Pole 24 auf Kreuzungspunkten zueinander rechtwinkeliger x- Gitterlinien 30a und y-Gitterlinien 30b eines imaginären Kreuzgitters derart platziert, dass auf denselben x- Gitterlinien 30a platzierte magnetische Pole 24 untereinander dieselbe Polausrichtung N, S aufweisen. Das heißt, auf jeder x-Gitterlinie 30a finden sich jeweils nur magnetische Pole 24 derselben Polausrichtung. In Entsprechung dazu weisen auf denselben y-Gitterlinien 30b platzierte magnetische Pole 24 untereinander dieselbe Polausrichtung N, S auf. In
Diagonalrichtung 30c des x-y-Koordinatensystems alterniert die Polausrichtung N, S der magnetischen Pole 24.
Bei den x-Gitterlinien 30a handelt es sich dabei um in der x- Achsrichtung verlaufende Gitterlinien und bei den y- Gitterlinien 30b um in der y-Achsrichtung verlaufende
Gitterlinien. Die x-Gitterlinien 30a kreuzen die y- Gitterlinien 30b im rechten Winkel und liegen alle in ein und derselben x-y-Ebene. Der gegenseitige Abstand zwischen den jeweils benachbarten x-Gitterlinien 30a ist bevorzugt gleich groß, ebenso der gegenseitige Abstand zwischen den jeweils
benachbarten y-Gitterlinien 30b. Bevorzugt ist der Abstand zwischen den jeweils benachbarten x-Gitterlinien 30a auch gleich groß wie der gegenseitige Abstand zwischen den jeweils benachbarten y-Gitterlinien 30b. Jeder magnetische Pol 24 ist vorzugsweise bezüglich der ihm in der x-Achsrichtung und in der y-Achsrichtung benachbarten magnetischen Pole 24
identisch beabstandet.
Die Magnetanordnung 23 hat in der x-y-Ebene zweckmäßigerweise eine rechteckige Außenkontur. Vorzugsweise hat der
Positionierschlitten 2 in Draufsicht gesehen einen
rechteckigen Umriss, wobei sich die Magnetanordnung 23 bis zu allen vier seitlichen Randbereichen des Positionierschlittens 2 erstreckt .
In dem in der Figur 2 gezeigten Beispiel sind auf jeder x- Gitterlinie 30a und y-Gitterlinie 30b jeweils 7 magnetische Pole angeordnet. Zweckmäßigerweise kann die Zahl an auf den Gitterlinien angeordneten magnetischen Polen auch größer oder kleiner sein.
Alternativ zu der oben beschriebenen Magnetanordnung 23 kann der Positionierschlitten 2 auch eine Supraleiteranordnung 25 umfassen. Vorzugsweise handelt es sich bei der
Supraleiteranordnung 25 dabei um einen Supraleiter zweiter Art, bei dem unter Ausnutzung der sogenannten Flußverankerung bzw. des " flux pinnings" bestimmte Geometrien von
Magnetfelder gewissermaßen eingeprägt werden können. Durch diese Einprägung kann erzielt werden, dass der Supraleiter eine bestimmte Positionsbeziehung zu den von dem
Schlittenträger erzeugten magnetischen Wanderfeldern einhält.
In Analogie zu den oben beschriebenen magentischen Polen 24 der Magnetanordnung 23 umfasst die Supraleiteranordnung dabei
Supraleiterabschnitte 26, in denen jeweils eine Geometrie eines Magnetfelds mit einer aus zwei entgegengesetzten
Polausrichtungen N, S eingeprägt ist. Dabei umfasst die
Supraleiteranordnung 25 eine erste Gruppe von
Supraleiterabschnitten 25, in denen jeweils
Magnetfeldgeometrien einer ersten Polausrichtung N eingeprägt sind, und eine zweite Gruppe von Supraleiterabschnitten 25, in denen jeweils Magnetfeldgeometrien einer zweiten, der ersten Polausrichtung N entgegengesetzten Polausrichtung S eingeprägt sind. Die Supraleiterabschnitte 25 sind dabei in einer zur Positionierebene 5 parallelen Ebene verteilt und auf Kreuzungspunkten zueinander rechtwinkeliger x- Gitterlinien 30a und y-Gitterlinien 30b eines imaginären Kreuzgitters derart platziert, dass auf denselben x- Gitterlinien 30a platzierte Supraleiterabschnitte 25
untereinander dieselbe Polausrichtung N, S aufweisen und dass auf denselben y-Gitterlinien 30b platzierte
Supraleiterabschnitte untereinander dieselbe Polausrichtung N, S aufweisen, wobei die Polausrichtung der
Supraleiterabschnitte 25 in Diagonalrichtung 30c des x-y- Koordinatensystems alterniert.
In Hinblick auf die oben beschriebene Magnetanordnung 23 bzw. die Supraleiteranordnung 25 sind die x- und y- Leitungsabschnitte 47a, 47b der Wicklungsabschnitte 43a, 43b insbesondere derart angeordnet und/oder werden von der
Ansteuerschaltung 28 derart bestromt, dass sich ein aus der Überlagerung resultierendes Magnetfeld 55 ergibt, dessen magnetische Nord- und Südpolabschnitte in inverser
Entsprechung zu den Nord- und Südpolen der vorstehend
beschriebenen Magnetanordnung 23 bzw. der
Supraleiteranordnung 25 angeordnet bzw. dementsprechend voneinander beabstandet sind. So kann jeder Südpol der
Magnetanordnung 23 von einem Nordpolabschnitt 53 des
resultierenden Magnetfelds 55 mitgeführt werden und jeder Nordpol der Magnetanordnung 23 von einem Südpol 54 des resultierenden Magnetfelds 55 mitgeführt werden. Durch diese Ausbildung des resultierenden Magnetfelds 55 kann die
Magnetanordnung 23 bzw. Supraleiteranordnung 25 des
Positionierschlittens von dem resultierenden Magnetfeld besonders gut mitgeführt werden.
Die Figur 8 zeigt eine Ausführungsform eines
Positioniersystems 1, bei welcher der Schlittenträger 3 eine Vielzahl von aneinandergereihten Trägermodulen 7 umfasst, die auf einer Trägergrundplatte 46 angeordnet sind. Auf jedem Trägermodul 7 sitzt eine Luftlagerplatte 41. Die
Luftlagerplatten 41 weisen im Wesentlichen denselben Umriss wie die Trägermodule auf, so dass sie zusammen eine nahezu kontinuierliche Lagerfläche bereitstellen. Jede
Luftlagerplatte 41 besitzt eine Vielzahl von
Luftaustrittsöffnungen 44. Im Betrieb des Positioniersystems 1 werden die Trägermodule 7 mit Druckluft versorgt, die aus den Luftaustrittsöffnungen 44 austritt und so ein Luftlager bereitstellt, mit dem der Positionierschlitten 2 abgestützt werden kann.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Luftaustrittsöffnungen 44 in den Figuren rein schematisch dargestellt sind. Der Durchmesser der Luftaustrittsöffnungen 44 wurde dabei zum Zwecke der besseren Sichtbarkeit relativ groß gewählt.
Tatsächlich kann der Durchmesser der Luftaustrittsöffnungen aber auch wesentlich kleiner als dargestellt dimensioniert sein .
Die Figuren 9, 10 und 11 zeigen jeweils ein einzelnes
Trägermodul 7 aus dem in der Figur 8 gezeigten
Positioniersystem 1. Die Figur 10 ist dabei eine isometrische Schnittdarstellung eines Trägermoduls 7 und zeigt
insbesondere die in dem Trägermodul 7 vorgesehene
Wicklungskammer 42 sowie die darin untergebrachte
Wicklungsanordnung 43. Im gezeigten Beispiel ist der
Grundkörper 8a des Trägermoduls 7 zu den Seiten und nach unten hin abgeschlossen und nach oben hin offen ausgestaltet. Oben auf dem Grundkörper 8a liegt die Luftlagerplatte 41 auf, die so gemeinsam mit den Seitenwänden und dem Boden des
Grundkörpers 8a die Wicklungskammer 42 definiert.
Vorzugsweise ist die Luftlagerplatte dabei luftdicht mit dem Grundkörper 8a verbunden, so dass in die Wicklungskammer 42 eingelassene Druckluft im Betrieb des Positioniersystems zweckmäßigerweise nur durch die Luftaustrittsöffnungen 44 entweichen kann. Wie in den Figuren 10 und 11 gezeigt, besitzt der Grundkörper 8a unten am Boden einen
Drucklufteinlass 45, über welchen zugeführte Druckluft in die Wicklungskammer 42 eingelassen werden kann. Da der
Drucklufteinlass 45 auf der der Luftlagerplatte 41
entgegengesetzten Seite der Wicklungsanordnung 43 angeordnet ist, durchströmt die zugeführte Druckluft zwangsläufig die Wicklungsanordnung 43, bevor sie aus den
Luftaustrittsöffnungen austritt. Die zur Bereitstellung des Luftlagers zugeführte Druckluft kann somit in vorteilhafter Weise zur Kühlung der Wicklungsanordnung 43 eingesetzt werden .
Die Figur 12 zeigt eine Schnittdarstellung zweier
aneinandergereihter Trägermodule 7. Wie in der Figur 7 zu sehen ist, sind die Trägermodule 7 und der
Positionierschlitten 2 derart ausgelegt, dass der
Positionierschlitten 2 von einem Trägermodul 7 auf ein benachbartes Trägermodul 7 befördert werden kann.
Insbesondere sind dazu die Trägermodule 7 in z-Richtung fluchtend zueinander ausgerichtet. Ferner sind die jeweiligen Wicklungsanordnungen 43 derart ausgelegt bzw. werden derart angesteuert, dass der Positionierschlitten 2 von magnetischen Wanderfeldern beider Trägermodule 7 gleichzeitig angetrieben werden kann. Zu diesem Zweck sind die jeweiligen
Wicklungsanordnungen 43 derart ausgelegt bzw. werden derart angesteuert, dass das magnetische Wanderfeld des einen
Trägermoduls 7 einer imaginären periodischen Fortsetzung des benachbarten Trägermoduls 7 gleicht bzw. dieser entspricht. Dies ist in der Figur 12 durch die Pfeile angedeutet, die zum einen die in Projektion auf die x-z-Ebene entlang der x-Achse alternierenden magnetischen Pole 24 der Magnetanordnung 23, und zum anderen die ebenfalls in Projektion auf die x-z-Ebene entlang der x-Achse alternierenden Polabschnitte des
resultierenden Magnetfelds 55 symbolisieren sollen.
Der Schlittenträger 3 kann an einer oder an mehreren Stellen mit Sensormitteln ausgestattet sein, die eine
Positionserfassung des mindestens einen Positionierschlittens 2 ermöglichen, und zwar zweckmäßigerweise getrennt für die aktuelle Position in der x-Achsrichtung und die aktuelle Position in der y-Achsrichtung . Entsprechende
Positionserfassungsmittel können beispielsweise auf optischer oder magnetischer Basis arbeiten.
Die Positionierschlitten 2 sind je nach Ausgestaltung
verwendbar, um unmittelbar einem bestimmten Zweck
zuzuführende Produkte zu tragen oder auch um separate
Produktträgermittel aufzunehmen, die mit Produkten beladen werden können. Ein möglicher Anwendungsfall ist die Nutzung des Positionierschlittens 2 zum Tragen sogenannter
Mikrotiterplatten, die in der Laborautomation eingesetzt werden, um Fluidproben aufzubewahren. Unabhängig davon, in
welcher Form ein Positionierschlitten 2 mit einem oder mehreren Produkten bestückbar oder bestückt ist, kann der Positionierschlitten 2 - insbesondere an seiner Unterseite - mit einer lesbaren Kodierung versehen sein, die eine Produktidentifikation ermöglicht und die von einem
beispielsweise am Schlittenträger 3 an einer bestimmten Stelle oder an mehreren Stellen angeordneten
Identifikationsgerät auslesbar ist. Eine solche Kodierung kann auch zur Positionskontrolle genutzt werden. Insbesondere bei großen Transportanlagen kann das
Positioniersystem 1 auch mit RFID- Identifikationsmitteln ausgestattet sein.