DE102004050330B4

DE102004050330B4 - Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem mit mindestens einer Magnetreihe

Info

Publication number: DE102004050330B4
Application number: DE200410050330
Authority: DE
Inventors: Sven Busch
Original assignee: Dorma Deutschland GmbH
Current assignee: Dorma Deutschland GmbH
Priority date: 2004-10-17
Filing date: 2004-10-17
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: DE102004050330A1

Abstract

Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem für mindestens einen Türflügel, mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung, die mindestens eine in Antriebsrichtung in bestimmten Abständen abwechselnd polarisiert magnetisierte Magnetreihe (1, 1e, 1f), mindestens ein in anziehender Kraftwirkung mit mindestens einer der mindestens einen Magnetreihe stehendes weichmagnetisches Tragelement und ein Führungselement (3) aufweist, das einen bestimmten spaltförmigen Abstand zwischen der mindestens einen Magnetreihe (1, 1e, 1f) und dem Tragelement gewährleistet, und einer Linear-Antriebseinheit, die mindestens eine aus mehreren Einzelspulen (7) bestehende Spulenanordnung (7, 7a–c) aufweist, die bei entsprechender Ansteuerung der Einzelspulen (7, 7a–c) eine Wechselwirkung mit der mindestens einen Magnetreihe (1, 1e, 1f) bewirkt, die Vorschubkräfte hervorruft, wobei das Tragelement aus Spulenkernen (12a–c) oder Polschuhen (18, 19) der Einzelspulen (7, 7a–c) der mindestens einen Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Linear-Antriebseinheit zwischen der mindestens einen Magnetreihe (1, 1e, 1f) und dem mindestens einen weichmagnetischen Tragelement (12, 18,...

Description

Die Erfindung betrifft eine Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem für wenigstens einen Türflügel, mit einer magnetischen Trageinrichtung und einer Linear-Antriebseinheit mit mindestens einer Magnetreihe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 40 16 948 A1 ist eine Schiebetürführung bekannt, bei der miteinander zusammenwirkende Magnete bei normaler Belastung eine berührungsfreie schwebende Führung eines in einer Schiebeführung gehaltenen Türflügels oder dergleichen bewirken, wobei neben den stationär angeordneten Magneten der Schiebeführung ein Ständer eines Linearmotors angeordnet ist, dessen Läufer an der Schiebetür angeordnet ist. Durch die gewählte V-förmige Anordnung der Permanentmagnete der offenbarten permanent erregten magnetischen Trageinrichtung kann keine seitlich stabile Führungsbahn realisiert werden, weswegen eine relativ komplizierte Anordnung und Ausgestaltung von Ständer und Läufer erforderlich ist. Diese Anordnung verteuert eine solche Schiebetürführung enorm.

Aus der WO 00/50719 A1 ist ein kombiniertes Lager- und Antriebssystem für eine automatisch betriebene Tür bekannt, bei der ein permanent erregtes magnetisches Tragsystem symmetrisch aufgebaut ist und ortsfeste und ortsveränderbare Magnetreihen aufweist, die jeweils in einer Ebene angeordnet sind, wobei sich das Tragsystem in einem labilen Gleichge wicht befindet, und bei dem das Tragsystem symmetrisch angeordnete seitliche Führungselemente aufweist, die rollenförmig gelagert sein können. Aufgrund der hierdurch erreichten seitlich stabilen Führungsbahn ergibt sich eine einfache Ausgestaltung und Anordnung von Ständer und Läufer eines in einem gemeinsamen Gehäuse untergebrachten Linearmotors, nämlich die Möglichkeit, Ständer und Läufer des Linearmotors in Bezug auf das Tragsystem beliebig anordnen zu können und hinsichtlich der Formgebung von Ständer und Läufer nicht durch das Tragsystem beschränkt zu sein.

Diesen beiden Lagersystemen gemeinsam ist, dass sie nach dem Prinzip der abstoßenden Kraftwirkung arbeiten, welches Wirkprinzip einen stabilen Schwebezustand ohne aufwendige elektrische Regeleinrichtung ermöglicht. Nachteilig hieran ist jedoch, dass sowohl mindestens eine ortsfeste als auch mindestens eine ortsveränderbare Magnetreihe vorhanden sein müssen, d.h., über den gesamten Weg der Schiebeführung bzw. des Lagers der automatisch betriebenen Tür und an dem entlang dieser Führung beweglichen Tragschlitten für die Tür Magnete angeordnet sein müssen, wodurch sich ein solches System, das sich aufgrund des Wegfalls der mechanischen Reibung zum Tragen der Tür durch extreme Leichtgängigkeit und geräuschlose Arbeitsweise auszeichnet und nahezu verschleiß- und wartungsfrei ist, in der Herstellung sehr teuer wird.

Aus der DE 196 18 518 C1 ist weiter ein elektromagnetisches Antriebssystem für magnetische Schwebe- und Tragsysteme bekannt, bei dem durch eine geeignete Anordnung von Dauermagnet und ferromagnetischem Material ein stabiler Schwebe- und Tragzustand erreicht wird. Hierzu versetzt der Dauermagnet das ferromagnetische Material in den Zustand einer magnetischen Teilsättigung. Elektromagnete sind so angeordnet, dass die Dauermagneten allein durch eine Änderung der Sättigung in der Trag schiene bewegt werden, und die Spulenkerne sind in die dauermagnetische Teilsättigung, die zum Schwebe- und Tragezustand führt, mit einbezogen.

Weiter zeigt die WO 94/13055 A1 einen Ständerantrieb für einen elektrischen Linearantrieb und eine mit einem solchen Ständer versehene Tür, die mittels Magneten im Türsturz eines Rahmens aufgehängt ist. Hierfür sind an der Türfüllung mehrere Magnete oder Magnetgruppen angeordnet, deren magnetische Feldstärke so groß ist, dass eine Anziehungskraft zu einer Führungsplatte erreicht wird, die an der Unterseite des Türsturzes angeordnet ist, wobei die Anziehungskraft ausreicht, um das Gewicht der Türfüllung anzuheben.

Den beiden in diesen Druckschriften beschriebenen Systemen ist gemeinsam, dass eine Einstellung der Trageigenschaften die Antriebseigenschaften beeinflusst und umgekehrt, da integrierte Trag- und Antriebssysteme aufgebaut sind. Hierdurch ist eine Einstellung und Auslegung kompliziert und aufwendig, was zu hohen Herstellungskosten führt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem für mindestens einen Türflügel mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung und einer Linear-Antriebseinheit mit mindestens einer Magnetreihe so weiterzuentwickeln, dass die zuvor genannten Nachteile bei geringen Herstellungskosten vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Patentanspruches 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Schiebetür, mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem, für mindestens einen Türflügel, mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung, die mindestens eine in Antriebsrichtung in bestimmten Abständen abwechselnd polarisiert magnetisierte Magnetreihe, mindestens ein in anziehender Kraftwirkung mit mindestens einer der mindestens einen ersten Magnetreihe stehendes weichmagnetisches Tragelement und ein Führungselement aufweist, das einen bestimmten spaltförmigen Abstand zwischen der mindestens einen Magnetreihe und dem Tragelement gewährleistet, und einer Linear-Antriebseinheit, die mindestens eine aus mehreren Einzelspulen bestehende Spulenanordnung aufweist, die bei entsprechender Ansteuerung der Einzelspulen eine Wechselwirkung mit der mindestens einen Magnetreihe bewirkt, die Vorschubkräfte hervorruft, weist gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik den Vorteil auf, dass das Tragelement aufgrund der ausgenutzten anziehenden Kraftwirkung nicht notwendigerweise hartmagnetisch sein muss, d. h. eine hohe Koerzivität haben muss. Da weiter ein Führungselement vorgesehen ist, welches einen Abstand zwischen der mindestens einen ersten Magnetreihe und dem Tragelement gewährleistet, braucht trotz Ausnutzung eines instabilen Gleichgewichtszustandes keine elektrische oder elektronische Regeleinrichtung vorgesehen zu werden. Weiter werden durch die Nutzung der mindestens einen ersten Magnetreihe sowohl zum Tragen als auch zum Vortrieb die Herstellungskosten gesenkt und der benötigte Bauraum verringert.

Weiter besteht bei dem erfindungsgemäß verwendeten kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem das Tragelement aus Spulenkernen oder Polschuhen von Einzelspulen der mindestens einen Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit. Alternativ oder zusätzlich ist die Linear-Antriebseinheit bei dem erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem vorzugsweise zwischen der mindestens einen Magnetreihe und dem mindestens einen weichmagnetischen Tragelement, welches dann ggf. zusätzlich zu den Spulenkernen oder Polschuhen der Einzelspulen noch eine Tragschiene beinhaltet, angeordnet. Diese erfindungsgemäße Lösung kombiniert die Trag-, Führungs- und Vorschubeigenschaften derart, dass hierfür nur eine Magnetreihe, als auch nicht zwingend neben der mindestens einen Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit noch zusätzliche Tragschienen für das Tragelement vorgesehen sein müssen.

In dem erfindungsgemäß verwendeten kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem sind weiter Spulenkerne bzw. Polschuhe der Einzelspulen der mindestens einen Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit einzeln ausgebildet und nicht zusammengeschlossen. Hierdurch wird ein magnetischer "Kurzschluss", d. h., dass sich Magnetfelder ohne Austritt in den vortriebswirksamen Luftspalt schließen können, und die damit verbundenen Leistungsverluste vermieden, und es kann bei sehr geringem konstruktivem Aufwand ein kleiner bis mittlerer Bauraum erreicht werden. Auch können durch diese Maßnahme die Systemparameter der Hauptfunktionen "Vorschub erzeugen" und "magnetisch lagern" weitgehend unabhängig voneinander optimiert werden.

Bei der erfindungsgemäß verwendeten Linear-Antriebseinheit ist ein Raster der Einzelspulen der Spulenanordnung vorzugsweise unterschiedlich zu den bestimmten Abständen der abwechselnden Polarisierung der mindestens einen zweiten Magnetreihe. Hierdurch wird ein besonders einfaches Anfahren des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes aus dem Stillstand sowie die Möglichkeit einer besonders gleichförmigen Bewegung ermöglicht.

Bei dem erfindungsgemäß verwendeten kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem ist vorzugsweise die mindestens eine Magnetreihe quer zur Tragrichtung und zur Antriebsrichtung magnetisiert, in der ein von der Trageinrichtung getragenes Element, z. B. ein Schiebetürelement, verfahren werden kann. Bei dieser vorzugsweisen Anordnung der Magnetisierung der mindestens einen Magnetreihe quer zur Tragrichtung ergibt sich eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung des Führungselementes, da dieses in diesem Fall unabhängig von einer Kraft geplant und ausgeführt werden kann, die von der Trageinrichtung erzeugt werden muss, um das getragene Element in einem Schwebezustand zu halten. Weiter ist eine einfache Ausführung der Linear-Antriebseinheit möglich, da diese ebenfalls unabhängig von der von der Trageinrichtung zu erzeugenden Kraft geplant und ausgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß besteht die mindestens eine erste Magnetreihe vorzugsweise aus einzelnen Dauermagneten, da so durch die Aneinanderreihung einzelner kleinerer Magnete bei der Materialbeschaffung und damit im Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Trageinrichtung Kosten gespart werden können. Weiter können aufgrund dieser Ausgestaltung leichter Toleranzen ausgeglichen und magnetische Eigenschaften besser ausgenutzt werden. Anstelle einer Reihe von Magneten kann auch ein Einzelmagnet eingesetzt werden, wodurch das relativ schwierige Montieren der Vielzahl von Einzelmagneten entfällt.

Weiter vorzugsweise ist zwischen zwei benachbarten einzelnen Dauermagneten eine Lücke vorhanden, um obige Vorteile bezüglich des magnetischen "Kurzschlusses" zu verstärken.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trag- und Antriebssystemes weist jeder Spulenkern vorzugsweise zwei Polschuhe auf, von denen der eine mit dem bestimmten Abstand zu einer ersten Seite einer Magnetreihe der mindestens einen Magnetreihe angeordnet ist und der andere mit dem gleichen oder einem anderen bestimmten spaltförmigen Abstand zu einer der ersten Seite der Magnetreihe gegenüberliegenden zweiten Seite der Magnetreihe oder einer weiteren Magnetreihe der mindestens einen Magnetreihe angeordnet ist.

Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetischen Trag- und Antriebssystemes weist die Linear-Antriebseinheit wenigstens zwei Spulenanordnungen auf, wobei Spulenkerne einer Spulenanordnung mit dem bestimmten Abstand zu einer ersten Seite der Magnetreihe angeordnet sind und Spulenkerne einer anderen Spulenanordnung mit dem gleichen oder einem anderen bestimmten spaltförmigen Abstand zu einer der ersten Seite der Magnetreihe gegenüberliegenden zweiten Seite der Magnetreihe oder einer weiteren Magnetreihe der mindestens einen Magnetreihe angeordnet sind.

Gemäß diesen beiden bevorzugten Ausführungsformen wirken die zwischen den Polflächen der mindestens einen Magnetreihe und den diesen gegenüberliegenden Seiten des Linear-Antriebssystemes entstehenden Querkräfte einander entgegen und heben sich bei günstiger Auslegung nahezu auf. Das führt dazu, dass nach diesen bevorzugten Ausführungsformen eine besonders einfache und unkomplizierte Auslegung des Führungselementes ermöglicht wird, da dieses zum Gewährleisten des Abstandes zwischen der mindestens einen Magnetreihe und dem korrespondierenden Tragelement nahezu keine Querkräfte aufnehmen muss.

Vorzugsweise wird der Abstand zwischen Magnetreihe und Tragelement so klein wie möglich gehalten.

Nach der Erfindung sind das in der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung verwendete mindestens eine Tragelement vorzugsweise ortsfest und die mindestens eine Magnetreihe ortsveränderlich angeordnet, d. h. im Fall einer Schiebetür ist diese an der mindestens einen Magnetreihe aufgehängt, wohingegen das mindestens eine Tragelement eine Führung für das Türelement oder die Türelemente einer mehrflügeligen Schiebetür bildet. Natürlich ist auch die Ausgestaltung des mindestens einen Tragelementes ortsveränderlich und der mindestens einen ersten Magnetreihe ortsfest, wie auch eine Kombination dieser beiden Varianten möglich. Die Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit ist natürlich immer zusammen mit dem Tragelement der Trageinrichtung ortsfest bzw. ortsveränderlich angeordnet.

Da das mindestens eine Tragelement nach der Erfindung weichmagnetisch ist, d.h. es hat eine geringe Koerzivität, werden besonders niedrige Kosten hinsichtlich dieses Elementes erreicht.

Das Führungselement umfasst nach der Erfindung vorzugsweise Rollen, Wälz- und/oder Gleitkörper.

Nach der Erfindung besteht die mindestens eine Magnetreihe vorzugsweise aus einem oder mehreren Hochleistungsmagneten, vorzugsweise Seltenenerden-Hochleistungsmagneten, weiter vorzugsweise aus Neodym-Eisen-Bor (NeFeB) bzw. Samarium-Cobalt (Sm₂Co) oder kunststoffgebundenen Magnetwerkstoffen. Durch die Verwendung von solchen Hochleistungsmagneten lassen sich wegen der höheren Remanenzinduktion wesentlich höhere Kraftdichten erzeugen als mit Ferrit-Magneten. Demzufolge lässt sich das Magnetsystem bei gegebener Tragkraft mit Hochleistungsmagneten geometrisch klein und damit platzsparend aufbauen. Die gegenüber Ferrit-Magneten höheren Materialkosten der Hochleistungsmagnete werden durch das vergleichsweise geringe Magnetvolumen zumindest kompensiert.

Das erfindungsgemäße kombinierte magnetische Trag- und Antriebssystem wird zum Tragen mindestens eines Türflügels einer Schiebetür eingesetzt, die vorzugsweise als Bogenschiebetür oder Horizontal-Schiebewand ausgebildet ist. Es kann neben diesem Einsatz auch zum Tragen von Torflügeln oder in Zuführeinrichtungen, Handlingseinrichtungen oder Transportsystemen eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nun anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Dabei zeigen:
1: einen Querschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung in verschiedenen Belastungszuständen,
2: den Querkraftverlauf der magnetischen Trageinrichtung nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform,
3: eine Schnittdarstellung einer Draufsicht der magnetischen Trageinrichtung nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform,
4: eine Schnittdarstellung einer Draufsicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
5: eine Schnittdarstellung einer ersten Ausgestaltung einer Draufsicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform,
6: einen Querschnitt einer zweiten Ausgestaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform,
7: einen Querschnitt einer dritten Ausgestaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform,
8: einen Querschnitt der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren zweiter bevorzugter Ausführungsform und
9: eine vierte Ausgestaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magneti schen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung im Querschnitt. Zur Erläuterung ist ein Koordinatensystem eingezeichnet, bei dem eine x-Richtung eine Fahrtrichtung eines an der erfindungsgemäßen Trageinrichtung aufgehängten Türflügels 5 darstellt. Die Richtung der auf die magnetische Trageinrichtung wirkenden Querkräfte ist die y-Richtung, und die durch das Gewicht der aufgehängten Türflügel 5 bedingte vertikale Magnetauslenkung nach unten ist in z-Richtung eingezeichnet.
Eine an einem Tragschlitten 4 befestigte Magnetreihe 1 wird durch eine an dem Tragschlitten 4 vorgesehene mechanische Führung 3, die mit einem Gehäuse 6 der Trageinrichtung zusammenwirkt, in horizontaler Richtung zentriert zwischen den weichmagnetischen Spulenkernen 12, die das Tragelement bilden, von gegenüberliegenden Spulenanordnungen der Linear-Antriebseinheit zwangsgeführt, während sie in vertikaler Richtung und in Fahrtrichtung des Türflügels 5 frei verschiebbar ist. Durch die so erzwungene Symmetrie heben sich die in y-Richtung an den Magneten 1a, 1b, 1c, 1d angreifenden Querkräfte weitgehend auf. In vertikaler Richtung (z-Richtung) nehmen die Magnete 1a, 1b, 1c, 1d nur im lastfreien Zustand, also ohne an dem Tragschlitten 4 befestigte Last, wie in der 1a) gezeigt, eine symmetrische Lage ein.
Bei Belastung der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d mit einer Gewichtskraft F_g, z. B. durch den an dem Tragschlitten 4 befestigten Türflügel 5, werden diese in vertikaler Richtung aus der in 1a) gezeigten symmetrischen Lage über einen in 1b) gezeigten Zwischenzustand in eine in 1c) gezeigte Gleichgewichtslage bewegt, die durch die zu tragende Gewichtskraft F_g und eine magnetische Rückstellkraft zwischen den Magneten 1a, 1b, 1c, 1d der Magnetreihe 1 und den Spulenkernen 12, im Folgenden auch als Tragkraft F(z) bezeichnet, bestimmt ist. Die Ursache dieser Rückstellkraft sind die zwischen den Magneten 1a, 1b, 1c, 1d der Magnetreihe 1 und den Spulenkernen 12 wirkenden magnetischen Anziehungskräfte, wobei nur der Teil der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d, der zwischen den Spulenkernen 12 nach unten heraustritt, zu dieser magnetischen Tragkraft beiträgt. Da dieser Teil mit größer werdender vertikaler Auslenkung zunimmt, steigt die magnetische Tragkraft dem Betrag nach kontinuierlich mit der Auslenkung an.
Bei strenger Symmetrie der beschriebenen magnetischen Trageinrichtung um die vertikale Mittelachse, d. h. die z-Achse, die sowohl von der Anordnung der Trageinrichtung als auch dem mechanischen Führungselement 3 abhängt, heben sich die horizontalen Magnetkraft-Komponenten in Querrichtung, d. h. in y-Richtung, vollständig auf. Verlässt die Magnetreihe 1 toleranzbedingt diese exakte Mittellage, so stellt sich aufgrund unterschiedlich starker Anziehungskräfte zu den gegenüberliegenden Spulenkernen 12 eine auf die Magnetreihe wirkende Querkraft F(y) ein.
Die 2 zeigt für eine Spaltbreite von –1 mm bis +1 mm einen Querkraftverlauf F(y) in Abhängigkeit von einer seitlichen Verschiebung y der Magnete, der über den ganzen Verlauf eine positive Steigung hat. Das bedeutet, dass über die gesamte Querkraftkennlinie, d. h. auch im Null-Punkt des Koordinatensystemes, der zur Mittellage der Magnetreihe 1 zwischen den gegenüberliegenden Spulenkernen 12 korrespondiert, ein instabiles Kräftegleichgewicht vorliegt. In allen anderen Punkten des Koordinatensystemes herrscht eine resultierende Querkraft F(y).
Da in der Mittellage nur ein instabiles Kräftegleichgewicht vorliegt, muss das Führungselement 3 eine präzise mechanische Lagerung bieten, die die Magnetreihe 1 während der Fahrbewegung der Magnetreihe 1 in Bewegungsrichtung, d. h. in x-Richtung, exakt mittig zwischen den gegenüberliegenden Spulenkernen 12 führt. Je genauer diese Zentrierung realisiert werden kann, umso geringer ist die resultierende Querkraft F(y) und hiermit verbundene Reibungskräfte der mechanischen Lagerung.
Um die Trageigenschaften zu optimieren sollte die Magnetbreite, d. h. die Abmessungen der Magnetreihe 1 bzw. von deren Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d in y-Richtung, möglichst groß sein, denn eine große Magnetbreite bewirkt eine große Feldstärke, die zu großen Tragkräften führt. Die Magnethöhe, also die Abmessungen der Magnetreihe bzw. von deren Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d in z-Richtung sollte möglichst klein sein, denn kleine Magnethöhen erhöhen die Steifigkeit des Tragkraftfeldes durch Bündelung des Feldes.
Die Höhe der Spulenkerne 12 sollte möglichst klein sein, günstig ist eine Höhe kleiner 1/2 der Magnethöhe, denn die Feldlinien der Dauermagnete werden gebündelt und hierdurch die Steifigkeit des magnetischen Tragsystemes erhöht.
Die Anordnung sollte so gewählt werden, dass die weichmagnetischen Spulenkerne 12 im Gleichgewichtszustand, in dem die magnetische Rückstellkraft F(z) betragsgleich der durch Belastung der Magnetreihe 1 mit dem Türflügel 5 hervorgerufenen Gewichtskraft F_g ist, vertikal unsymmetrisch um die Magnetreihe 1 liegen, und die Magnetreihe 1 sollte möglichst kontinuierlich sein, um Rastkräfte in Bewegungsrichtung, d. h. in x-Richtung, zu vermeiden.
In 3 ist eine Schnittdarstellung einer Aufsicht der in 1 gezeigten Trageinrichtung nach der ersten bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die Magnetreihe 1 aus Einzelmagneten besteht, die mit abwechselnder Magnetisierungsrichtung zwischen den jeweils seitlich angeordneten Spulenkernen 12 angeordnet sind, die aus einem weichmagnetischen Material bestehen, z. B. aus Eisenwerkstoff. In dieser Ausführungsform, in der die Spulenkerne 12 den feststehenden Teil der erfindungsgemäß verwendeten Trageinrichtung bilden, sind die Einzelmagnete zur Bildung der Magnetreihe 1 an dem beweglichen Tragschlitten 4 befestigt und können zwischen den Spulenkernen 12 in x- und z-Richtung verschoben werden. Bei einer vertikalen Verschiebung, d. h. einer Verschiebung in z-Richtung, um einen kleinen Weg, ca. 3–5 mm, aus der Null-Lage, d. h. der geometrischen Symmetrielage, ergibt sich, bedingt durch die Verwendung äußerst starker Dauermagnete, z. B. aus NeFeB, eine erhebliche Rückstellkraft, die zum Tragen eines Schiebetürflügels 5 mit einem Gewicht von ca. 80 kg/m geeignet ist. In der in 3 gezeigten Anordnung, bei der die Dauermagnete mit abwechselnder Magnetisierungsrichtung zwischen den gegenüberliegenden Spulenkernen 12 angeordnet sind, wirkt sich der Feldschluss durch die Spulenkerne 12 bei wechselseitiger Magnetisierungsrichtung der nebeneinander angeordneten Magnete positiv verstärkend aus.
Die 4 zeigt zwei Antriebssegmente einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes in einer geschnittenen Aufsicht, bei der der erfindungsgemäß verwendete magnetische Linearantrieb auf zwei Magnetreihen 1e, 1f wirkt, die an einem Tragschlitten 4 befestigt sind. Die beiden Magnetreihen 1e, 1f weisen jeweils abwechselnd polarisierte Einzelmagnete auf, wobei die Polarität der Einzelmagnete der ersten Magnetreihe 1e und die Polarität eines in Querrichtung, d. h. y-Richtung, versetzten Einzelmagneten der zweiten Magnetreihe 1f gleichgerichtet sind. Zwischen den beiden Magnetreihen 1e, 1f sind Spulen 7 des Linearantriebes so angeordnet, dass sich der jeweilige Spulenkern 12 in Querrichtung, d. h. y-Richtung, erstreckt. Auf der den Spulen 7 mit den Spulenkernen 12 jeweils abgewandten Seite der beiden Magnetreihen 1e, 1f befindet sich ein Teil des Tragschlittens 4, an dem die beiden Magnetreihen 1e, 1f befestigt sind.
Um einen kontinuierlichen Vorschub der Magnetreihen 1e, 1f mittels des Linearantriebes zu gewährleisten, sind die Statorspulen 7 mit ihren jeweiligen Spulenkernen 12 in unterschiedlichen relativen Positionen zum Raster der Dauermagnete angeordnet. Je mehr unterschiedliche Relativpositionen ausgebildet werden, umso gleichmäßiger lässt sich die Schubkraft über den Verfahrweg realisieren. Da andererseits jede Relativposition einer elektrischen Phase eines für den Linearantrieb benötigten Ansteuersystemes zuzuordnen ist, sollten möglichst wenig elektrische Phasen zum Einsatz kommen. Aufgrund des zur Verfügung stehenden dreiphasigen Drehstromnetzes ist ein dreiphasiges System, wie es beispielhaft in 4 gezeigt ist, sehr kostengünstig aufzubauen.
Hierbei besteht ein jeweiliges Antriebssegment der Linear-Antriebseinheit aus drei Spulen 7, die eine Ausdehnung von drei Längeneinheiten in Antriebsrichtung, d. h. x-Richtung, aufweisen, wobei also zwischen den Mittelpunkten benachbarter Spulenkerne 12 ein Raster R_S = 1 Längeneinheit liegt. Die Länge eines Magneten der Magnetreihen 1e, 1f in Antriebsrichtung und die Länge der zwischen den Einzelmagneten der jeweiligen Magnetreihe 1e, 1 fliegenden Lücke ist hier so gewählt, dass die Länge eines Magneten L_Magnet + Länge einer Lücke L_Lücke = Magnetraster R_M = 3/4 Längeneinheit (= 3/4 R_S) ergibt.
Weiter zeigt 5 zwei Antriebssegmente einer ersten Ausgestaltung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes in einer geschnittenen Aufsicht, bei der der erfindungsgemäß verwendete magnetische Linearantrieb eine dreiphasige Spulenanordnung aufweist, wobei eine Magnetreihe 1 zwischen Polschuhleisten 18a, 18b liegt, die jeweils alle auf einer Seite der Magnetreihe 1 liegenden Polschuhe 19 von Spulen der Linear-Antriebseinheit verbinden. Die Polschuhe 19 verlaufen hier von den Endflächen der sich in Antriebsrichtung, d. h. x-Richtung erstreckenden Spulenkerne 12 der Spulen 7 zu den Polschuhleisten 18a, 18b, um einen besseren Magnetfeldschluss zu gewährleisten. In dieser Ausführungsform ist das Magnetraster R_M = 3/2 des Spulenrasters R_S gewählt. Durch diese Merkmale sind die charakteristischen Eigenschaften, dass jede Spule einen Phasenwinkel von 120° überbrückt und dass nach 360° (eine Umdrehung = 2 R_M) alle drei Spulen eines Antriebssegmentes der Linear-Antriebseinheit durchlaufen sind, wobei ein Antriebssegment aus einer der elektrischen Phasen entsprechenden Anzahl von zusammen angesteuerten Spulen bzw. Spulenpaaren besteht.
Um die Vorschubeigenschaften zu optimieren, sollte die Magnetbreite, d. h. die Abmessungen der Magnetreihe 1 bzw. der Magnetreihen 1e, 1f bzw. von deren Einzelmagneten in y-Richtung, möglichst klein sein, denn die Dauermagnete wirken wie Luft dämpfend auf den Magnetkreis der Spulen. Die Magnethöhe, also die Abmessungen der Magnetreihe(n) bzw. von deren Einzelmagneten in z-Richtung, sollte möglichst groß sein, denn eine große Magnethöhe führt zu einer großen Luftspaltfläche, die den magnetischen Widerstand des Spulenkreises reduzieren hilft. Gleichzeitig wird hierbei viel Magnetmaterial in den magnetischen Spulenkreis eingebracht, ohne zu große, den Magnetkreis sättigende Feldstärken zu erzeu gen. Die Höhe der Polschuhe und/oder Spulenkerne 12 sollte möglichst groß sein, damit die Polschuhe bzw. Spulenkerne 12 mit den Magneten eine möglichst große Überdeckung erreichen, sodass sich eine große Luftspaltfläche mit hoher Wirkkraft und kleinem magnetischen Widerstand ergibt. Die Anordnung dieser weichmagnetischen Bauelemente sollte eine möglichst große vertikale Überdeckung zwischen Spulenkernen bzw. Polschuhen erreichen.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung und einer Linear-Antriebseinheit gezeigt, wobei beispielhaft ein Schiebetürantrieb beschrieben wird.
Hier besteht der Schiebetürantrieb aus mindestens einer magnetischen Trag-, Führungs- oder Entlastungseinrichtung, die das Türflügelgewicht ganz oder teilweise trägt. Die magnetische Trageinrichtung besteht aus mindestens einem, jedoch vorzugsweise einer oder mehrerer Reihen von Dauermagneten, die entweder mit dem feststehenden Teil, dem Statorgehäuse, oder dem beweglichen Teil, dem Antriebstragschlitten, verbunden sind und in horizontaler Richtung quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet sind. Die magnetische Trageinrichtung besteht aus mindestens einer elektromagnetisch wirkenden Linear-Antriebseinheit, die aus elektromagnetischen Spulen besteht und deren Achse bzw. Feldwirkung vorzugsweise horizontal ausgerichtet ist, die gegenüber den Magneten am anderen Teil des Antriebes angebracht sind und deren Spulenkerne oder Polschuhe zu einer oder beiden seitlichen Polflächen der Dauermagnete ein oder mehrere vertikal ausgerichtete schmale Luftspalte bilden, sodass mit steigender gewichtskraftbedingter Auslenkung ein Ansteigen der magnetischen Tragkraft hervorgerufen wird, wie zuvor beschrieben. Die Spulenkerne bestehen vorzugsweise aus weichmagnetischen Werkstoffen.
Weiterhin wird die Anordnung so gestaltet, dass die von den Spulen erzeugten magnetischen Felder, die durch weichmagnetische Bauteile wie Spulenkerne, Polschuhe oder Profile geleitet werden, zum Schließen des Magnetkreises an mindestens einer Stelle aus den weichmagnetischen Bauelementen austreten müssen. In diesem spaltförmigen Austrittsbereich befindet sich wenigstens ein Teil der mehrfach polarisierten oder mehreren Dauermagneten in einer Reihe. Diese sind so angeordnet, dass durch die von den Spulen erzeugten Magnetfelder auf die Dauermagnete eine nutzbare Vortrieb-Kraftwirkung erzielt wird.
Die Luftspalte zwischen Dauermagneten und Spulenkernen, Polschuhen oder Tragelementen werden durch folgende Eigenschaften charakterisiert:

– die Luftspalte befinden sich seitlich der Dauermagnete, zwischen den Magnet-Polflächen und weichmagnetischen Elementen wie Spulkernen, Polschuhen, Flussleitstücken, und Tragschienen;
– es existiert zu jeder der beiden Magnetseiten bzw. Polflächen mindestens ein Luftspalt;
– die an beiden Polflächen eines Magneten angreifenden Querkräfte wirken einander entgegen und heben sich bei günstiger Auslegung nahezu auf.

Die Trageinrichtung kann über mindestens ein mechanisches Führungselement 3 verfügen, das den seitlichen Abstand zwischen den Magneten und den weichmagnetischen Tragkörpern über die Fahrstrecke gewährleistet. Dieses Führungselement kann aus Rollen, Wälz- oder Gleitkörpern bestehen.
Es gibt mindestens eine Reihe von Magneten, die dem Vortrieb und der magnetischen Trag- und Entlastungsfunktion dienen.
Die 6 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausgestaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, welche eine symmetrische Anordnung aufweist, bei der an den Seitenwänden des prinzipiell U-förmigen Gehäuses 6 jeweils an jeder Seite Spulenanordnungen der Linear-Antriebseinheit so angeordnet sind, dass sich deren Spulenkerne 12 in Querrichtung, d. h. in y-Richtung, erstrecken. Zwischen den Spulenkernen 12 ist mit dem bestimmten Abstand zu jedem der Spulenkerne 12 die Magnetreihe 1 angeordnet. An den der Magnetreihe 1 abgewandeten Seiten der Spulenkerne 12 sind zum besseren Magnetfeldschluss weichmagnetische Schienen 20 angeordnet. Dabei sind die Schienen 20 an oder in Seitenbereichen 8 des Gehäuses 6 festgelegt. Unterhalb der an dem Tragschlitten 4 befestigten Magnetreihe 1 ist das als Rollenanordnungen 3 ausgebildete Führungselement an dem Tragschlitten 4 angeordnet, wobei die einzelnen Rollen 3 gegen die nach innen abgeknickten Seitenbereiche 8 des Gehäuses 6 laufen, die also in Richtung des Tragschlittens 4 abgeknickt sind.
Die 7 zeigt eine dritte Ausgestaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, welches gegenüber der in 6 gezeigten ersten Ausgestaltung dieser Ausführungsform dahingehend abgewandelt ist, dass die beiden weichmagnetischen Schienen 20 zum Magnetfeldschluss nunmehr als ein weichmagnetisches U-Profil 21 ausgebildet sind, welches entlang der inneren Seitenbereiche 8 und des inneren Bodenbereiches 9 des prinzipiell U-förmigen Gehäuses 6 so verläuft, dass die Spulenker ne 12 der Spulenanordnungen der Linear-Antriebseinheit abgedeckt sind. Hierdurch wird ein noch besserer Magnetfeldschluss erreicht.
Die 8 zeigt einen Querschnitt der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, bei dem zwei parallel zueinander verlaufende an dem Tragschlitten 4 befestigte und voneinander beabstandete Magnetreihen 1e, 1f vorgesehen sind, zwischen denen eine Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit angeordnet ist, die an dem inneren Bodenbereich 9 des Gehäuses 6 befestigt ist. Die Magnetkerne 12 der Einzelspulen 7 der Spulenanordnung erstrecken sich wiederum in Querrichtung, d. h. y-Richtung. Zum besseren Magnetfeldschluss sind an den den Spulenkernen 12 jeweils abgewandten Seiten der Magnetreihen 1e, 1f jeweils weichmagnetische Schienen 22 angeordnet, die mit dem Tragschlitten 4 verbunden sind.
Die 9 zeigt einen Längsschnitt und einen Querschnitt einer vierten Ausgestaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, bei der eine Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit in Tragrichtung gesehen ortsfest oberhalb der an dem Tragschlitten 4 befestigten Magnetreihe 1 angeordnet ist, wobei sich Polschuhe 19 von den Spulenkernen 12 der Einzelspulen 7 der Spulenanordnung bis in einen Bereich neben den Seiten der Magnetreihe 1 erstrecken. Zwischen den jeweiligen Polschuhen 19 und den beiden Seiten der Magnetreihe 1 wird der bestimmte spaltförmige Abstand durch ein als Rollenanordnungen 3 ausgebildetes und an dem Tragschlitten 4 befestigtes Führungselement eingehalten, dessen Rollen 3 gegen die beiden inneren Seitenflächen des prinzipiell U-förmigen Gehäuses 6 laufen. In dem in 9a) gezeigten Längsschnitt ist zu erkennen, dass die einzelnen Magnete 1a, 1b, 1c, 1d der Magnetreihe 1 voneinander beabstandet sind, also ein Magnetraster R_M = einer Magnetlänge L_Magnet + einer Lückenlänge L_Lücke aufweisen. Weiter sind auch die Polschuhe der Einzelspulen 7 der Spulenanordnung einzeln ausgebildet und nicht zusammengeschlossen. Für hier gezeigte Einzelspulen 7a, 7b, 7c mit jeweiligen Spulenkernen 12a, 12b, 12c ist also jeweils ein Paar Polschuhe 19a, 19b, 19c vorhanden, die sich von den einzelnen Spulenkernen 12a, 12b, 12c zu den Seitenbereichen der einzelnen Magnete der Magnetreihe 1 hin erstrecken.

1, 1e, 1f: Magnetreihe
1a–d: Magnet
3: Führungselement
4: Tragschlitten
5: Türflügel
6: Gehäuse
7, 7a–c: Spule
8: Seitenbereiche
9: Bodenbereich
12, 12a–c: Spulenkern
18: Polschuhleiste
19: Polschuhe
20: weichmagnetische Schiene
21: U-Profil
22: weichmagnetische Schiene
R_S: Raster
L_Lücke: Länge einer Lücke
R_M: Magnetraster
L_Magnet: Länge eines Magneten

Claims

Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem für mindestens einen Türflügel, mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung, die mindestens eine in Antriebsrichtung in bestimmten Abständen abwechselnd polarisiert magnetisierte Magnetreihe (1, 1e, 1f), mindestens ein in anziehender Kraftwirkung mit mindestens einer der mindestens einen Magnetreihe stehendes weichmagnetisches Tragelement und ein Führungselement (3) aufweist, das einen bestimmten spaltförmigen Abstand zwischen der mindestens einen Magnetreihe (1, 1e, 1f) und dem Tragelement gewährleistet, und einer Linear-Antriebseinheit, die mindestens eine aus mehreren Einzelspulen (7) bestehende Spulenanordnung (7, 7a–c) aufweist, die bei entsprechender Ansteuerung der Einzelspulen (7, 7a–c) eine Wechselwirkung mit der mindestens einen Magnetreihe (1, 1e, 1f) bewirkt, die Vorschubkräfte hervorruft, wobei das Tragelement aus Spulenkernen (12a–c) oder Polschuhen (18, 19) der Einzelspulen (7, 7a–c) der mindestens einen Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Linear-Antriebseinheit zwischen der mindestens einen Magnetreihe (1, 1e, 1f) und dem mindestens einen weichmagnetischen Tragelement (12, 18, 19) angeordnet ist und die Spulenkerne (12a–c) oder Polschuhe (18, 19) der Einzelspulen (7, 7a–c) einzeln ausgebildet und nicht zusammengeschlossen sind.
Schiebetür nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raster der Einzelspulen (7, 7a–c) der Spulenanordnung unterschiedlich zu den bestimmten Abständen der abwechselnden Polarisierung der mindestens einen Magnetreihe (1, 1e, 1f) ist.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Spulenkern (12, 12a–c) vorzugsweise zwei Polschuhe (19) aufweist.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linear-Antriebseinheit wenigstens zwei Spulanordnungen aufweist.
Schiebetür nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenkerne (12, 12a–c) einer ersten Spulenanordnung mit einem bestimmten Abstand zu einer ersten Seite der Magnetreihe (1, 1e, 1f) angeordnet sind und die Spulenkerne (12, 12a–c) der zweiten Spulenanordnung mit dem gleichen oder einem anderen bestimmten Abstand zu der anderen Seite der Magnetreihe (1, 1e, 1f) oder einer weiteren Magnetreihe angeordnet sind.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit so angeordnet sind, dass sich deren Spulenkerne (12, 12a–c) in Querrichtung, d. h. in y-Richtung erstrecken.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Magnetreihe (1, 1e, 1f) quer zur Tragrichtung (Z) und zur Antriebsrichtung (X) magnetisiert ist.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Magnetreihe (1, 1e, 1f) aus einzelnen Dauermagneten (1a, 1b, 1c, 1d) besteht.
Schiebetür nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten einzelnen Dauermagneten (1a, 1b, 1c, 1d) eine Lücke vorhanden ist.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten einzelnen Spulenkernen (12, 12a–c) eine Lücke vorhanden ist.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (12, 18, 19) und die Spulenanordnung (7) ortsfest und die mindestens eine erste Magnetreihe (1, 1e, 1f) ortsveränderlich angeordnet sind.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (3) Rollen, Wälz- und/oder Gleitkörper umfasst.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Magnetreihe (1, 1e, 1f) aus einem oder mehreren Hochleistungsmagneten, vorzugsweise Seltenenerden-Hochleistungsmagneten, weiter vorzugsweise vom Typ NeFeB oder Sm₂Co besteht.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebetür als Bogenschiebetür oder Horizontal-Schiebewand ausgebildet ist.