DE102019211986A1

DE102019211986A1 - Magnetische Führungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019211986A1
Application number: DE102019211986.7A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Guddei; Michael Hohmann; Daniel Göll
Original assignee: Physik Instrumente PI Se and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI Se and Co KG
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2021-02-11
Anticipated expiration: 2039-08-10
Also published as: JP7398546B2; KR102731402B1; US20220294326A1; WO2021028367A1; CN114303308A; US11949312B2; EP4010971A1; KR20220045002A; JP2022543878A; IL290431B1; CN114303308B; IL290431A; DE102019211986B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Führungsvorrichtung (1), mit einem Stator (2) und einem relativ zu dem Stator (2) entlang einer Führungsrichtung (Z) bewegbaren Läufer (3), wobei der Stator (2) und der Läufer (3) so magnetisiert oder magnetisierbar sind, dass ein durch den Stator (2) und den Läufer (3) verlaufendes Magnetfeld (M) eine entlang der Führungsrichtung (Z) wirkende magnetische Unterstützungskraft (U) auf den Läufer (3) erzeugt. Um die Ablaufeigenschaften des Läufers (3) durch Vermeidung von Differentialschlupf, Ruckeln und variierender Reibung zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das durch den Stator (2) und den Läufer (3) verlaufende Magnetfeld (M) gleichzeitig eine magnetische Vorspannkraft (F) erzeugt, die den Läufer (3) und den Stator (2) gegeneinander drängt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Führungsvorrichtung, mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator entlang einer Führungsrichtung bewegbaren Läufer, wobei der Stator und der Läufer so magnetisiert oder magnetisierbar sind, dass ein durch den Stator und den Läufer verlaufendes Magnetfeld eine entlang der Führungsrichtung wirkende magnetische Unterstützungskraft auf den Läufer erzeugt, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine magnetische Unterstützungskraft erzeugende Vorrichtung ist aus der US 2004/0004405 A1 bekannt. Diese lässt sich kombinieren mit einem Linearantrieb, um etwa bei vertikaler Anordnung des Linearantriebs die durch den Linearantrieb zu bewegende Last vollständig bzw. größtenteils zu kompensieren, damit der Linearantrieb entlastet ist und im Wesentlichen nur hinsichtlich der dynamischen Belastung aufgrund der bewegten Last auszulegen ist. 19 der US 2004/0004405 A1 bzw. der dazugehörige Beschreibungsteil offenbaren einen Linearantrieb mit einer daran gekoppelten magnetischen Unterstützungskraftvorrichtung, wobei die beweglichen Teile in einem Stator geführt sind. Eine für die Führung geeignete Führungseinrichtung kann beispielsweise über eine Profilschiene realisiert sein.
Ohne zusätzliche Maßnahmen treten bei einer Profilschiene oder einer ähnlich ausgeführten Führungseinrichtung allerdings Differentialschlupf, Ruckeln und eine variierende Reibung auf, die die Ablaufeigenschaften der beweglichen Teile gegenüber dem Stator verschlechtern. Das Ruckeln der Führung kann u.a. ein Klemmen der beweglichen Teile verursachen und wegen schlechter Regelbarkeit der Position letztlich zu erhöhtem Aufwand durch Nacharbeitung führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Führungsvorrichtung bereitzustellen, welche eine magnetische Unterstützungskraft entlang der Führungsrichtung liefert und gleichzeitig für verbesserte Ablaufeigenschaften des Läufers gegenüber dem Stator durch Vermeidung von Differentialschlupf, Ruckeln und variierender Reibung sorgt.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung die magnetische Führungsvorrichtung nach Anspruch 1 bereit.
Die Aufgabe wird sinngemäß dadurch gelöst, dass das durch den Stator und den Läufer verlaufende Magnetfeld zusätzlich eine magnetische Vorspannkraft erzeugt, die den Läufer und den Stator gegeneinander drängt. Dadurch wird eine entsprechende Druckkraft zwischen dem Läufer und dem Stator ausgeübt, sodass sich Differentialschlupf, Ruckeln und variierende Reibung vermeiden lassen, und der Läufer mit verbesserten Ablaufeigenschaften am Stator geführt werden kann. Durch die erfindungsgemäße magnetische Führungsvorrichtung werden im Gegensatz zu Führungsvorrichtungen mit mechanischer Vorspannung des Läufers, z.B. Knickfederanordnungen, keine zusätzlichen Resonanzen oder Dynamiken höherer Ordnung in das System (Führung, Antrieb) eingebracht, wodurch sich Vorteile in der Positionsregelung ergeben. Außerdem ergeben sich bei längeren Hüben Vorteile im Bauraum gegenüber den Führungsvorrichtungen mit mechanischer Vorspannung des Läufers. Die erfindungsgemäße magnetische Führungsvorrichtung bildet somit eine magnetische Anordnung zur gleichzeitigen Erzeugung einer vorzugsweise konstanten Unterstützungskraft in Laufrichtung und einer transversalen Vorspannkraft, insbesondere für Profilschienenführungen, zur Verbesserung der Laufeigenschaften des Läufers. Die transversale Vorspannkraft bringt aber nicht nur bei Profilschienenführungen Vorteile, sondern beispielsweise auch bei als Luftlager ausgeführten Führungseinrichtungen, da hierdurch auf das aufwändige Vorsehen eines Vakuums zur Erzeugung der Vorspannkraft verzichtet werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.
Es kann von Vorteil sein, wenn der Stator und/oder der Läufer zumindest abschnittsweise magnetisch und ggf. ansonsten magnetisch leitend ausgebildet ist/sind. Bei dieser Ausführung sind nur wenige oder keine externen Einrichtungen zur Erzeugung des Magnetfeldes notwendig.
Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn die Unterstützungskraft und/oder die Vorspannkraft entlang der Führungsrichtung über einen Stellweg des Läufers definierenden Bereich konstant ist/sind. Dadurch können entlang des Stellwegs besonders gleichmäßige und ruckfreie Bewegungen erzielt werden. Gleichzeitig führt dies zu einer einfacheren Regelbarkeit und einer erhöhten Positioniergenauigkeit eines mit der Führungsvorrichtung gekoppelten Antriebs. Die beiden Grenzen des Stellwegs des Läufers ergeben sich durch die Positionen entlang der Führungsrichtung, bei denen die Überdeckung zwischen Stator und Läufer minimal bzw. maximal ist (vgl. 1a).
Es kann sich jedoch auch als hilfreich erweisen, wenn die Unterstützungskraft bei einer Bewegung des Läufers gegenüber dem Stator entlang der Führungsrichtung variiert, vorzugsweise stetig, bevorzugt linear. So ist es vorstellbar, dass die Unterstützungskraft bei einer Bewegung des Läufers gegenüber dem Stator in der Führungsrichtung abnimmt, und bei einer Bewegung des Läufers gegenüber dem Stator entgegen der Führungsrichtung zunimmt. Vorzugsweise nimmt die Unterstützungskraft umso mehr zu, je weiter Stator und Läufer überlappen (vgl. 4).
Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass sich die Querschnittsform des Stators in einer senkrecht zur Führungsrichtung ausgerichteten Schnittebene entlang der Führungsrichtung, insbesondere über den Stellweg, und/oder der Abstand zwischen Läufer und Stator verändert.
Es kann sich aber auch als nützlich erweisen, wenn der Läufer entlang der Führungsrichtung in entgegengesetzten Richtungen bewegbar ist. Bei einer solchen Ausführung ist der Läufer reversibel zwischen den beiden Enden der Führungsstrecke positionierbar und kann wiederholt entlang der Führungsstrecke bewegt werden. Die Unterstützungskraft wirkt vorzugsweise in Führungsrichtung (z.B. +Z-Richtung) beschleunigend auf den Läufer und entgegen der Führungsrichtung (z.B. -Z-Richtung) verzögernd auf den Läufer.
Es kann sinnvoll sein, wenn der Stator ein Führungsprofil zur Führung des Läufers entlang der Führungsrichtung aufweist, wobei das Führungsprofil vorzugsweise alle Bewegungsfreiheitsgrade des Läufers mit Ausnahme der Bewegung entlang der Führungsrichtung sperrt. Vorzugsweise übergreift der Läufer den Stator formschlüssig in einer senkrecht zur Führungsrichtung ausgerichteten Schnittebene, wie z.B. eine Magnetschwebebahn die Schiene formschlüssig übergreift.
Es kann auch praktisch sein, wenn die Führungsrichtung entlang einer Geraden oder entlang einer Kreisbahn verläuft. Im erstgenannten Fall dient die Führungseinrichtung z.B. als Linearführung und im zweitgenannten Fall als Dreh- bzw. Rotationsführung. Mit diesen Ausführungen erschließt sich der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung ein breites Anwendungsfeld. Dreh- oder Rotationsführungen sind besonders vorteilhaft im Bereich von mit Drehmoment beaufschlagten Kugellagern einsetzbar.
Es kann sich als nützlich erweisen, wenn die magnetische Vorspannkraft zumindest teilweise oder aber vollständig in Richtung der Gewichtskraft des Läufers wirkt. Bei dieser Ausführung bewirkt das Magnetfeld den gegenteiligen Effekt wie bei einer Magnetschwebebahn, da es die Gewichtskraft des Läufers auf den Stator nicht etwa verringert oder aufhebt, wie es bei der Magnetschwebebahn der Fall ist, sondern die Krafteinwirkung zwischen Läufer und Stator zusätzlich zur Gewichtskraft des Läufers erhöht. Bei dieser Ausführung gelingt eine besonders gute Verbesserung der Laufeigenschaften des Läufers. Es ist zwar grundsätzlich möglich, die Vorspannkraft zwischen Läufer und Stator auch durch eine größere Masse des Läufers zu erhöhen. Diese Maßnahme wird allerdings als nachteilig angesehen, weil die größere Masse des Läufers zu einem höheren Gesamtgewicht, schlechterer Dynamik und letztendlich höheren Kosten der Führungsvorrichtung führt. Im Übrigen ist die Erhöhung der Vorspannkraft durch Masse auch nur bei horizontaler Bewegung anwendbar, nicht aber bei vertikaler Bewegung, weil in diesem Fall die Gewichtkraft parallel zur Führungsrichtung wirkt und nicht senkrecht dazu; folglich führt ein höheres Gesamtgewicht bei vertikaler Bewegung nicht zu einem höheren Kontaktdruck zwischen Läufer und Stator. Durch die erfindungsgemäße Lösung gibt es keine reibungsbehaftete Lagerung der Kompensationskraft (z.B. wie in Knickfederanordnungen von Schraubenzugfedern), sodass sich Vorteile in der Positionsregelung gegenüber reibungsgehafteten Systemen ergeben.
Dabei kann es sinnvoll sein, wenn der Stator und der Läufer bei gegenseitiger Überlappung, d.h. innerhalb des Stellwegs, gemeinsam ein näherungsweise geschlossenes Ringprofil bilden, innerhalb dessen das Magnetfeld geführt ist, wobei das näherungsweise geschlossene Ringprofil vorzugsweise in einer senkrecht zur Führungsrichtung liegenden Ebene vorliegt, wobei die Profilachse des näherungsweise geschlossenen Ringprofils bevorzugt entlang oder parallel zur Führungsrichtung verläuft. Mit dieser Ausführung lassen sich hohe Magnetkräfte in und senkrecht zur Führungsrichtung besonders einfach erzeugen.
Es kann sich als praktisch erweisen, wenn der Stator oder der Läufer ein offenes Ringprofil mit einem Spalt aufweist, wobei das jeweils andere Element aus dem Stator und dem Läufer diesen Spalt überbrückt, um gemeinsam das näherungsweise geschlossene Ringprofil zu bilden. Mit dieser Ausführung können Läufer und Stator besonders effektiv und platzsparend magnetisch gekoppelt werden. Als Ringprofil wird ein Profil bezeichnet, das sich entlang einer in sich geschlossenen Linie erstreckt. Diese in sich geschlossene Linie kann z.B. polygonal, rechteckig, rund, oval oder kreisförmig sein. Als näherungsweise geschlossen kann ein Ringprofil bezeichnet werden, wenn das jeweils andere Element aus dem Stator und dem Läufer den vom Stator oder Läufer gebildeten Spalt erkennbar verkleinert und beide Elemente entlang einer in sich geschlossenen Linie angeordnet sind, insbesondere, wenn beide Elemente in dieser Anordnung durch die Überbrückung des Spalts (stärker) magnetisch gekoppelt sind. In diesem Fall liegt eine Überbrückung des Spalts im Sinne der Erfindung vor, auch wenn kein Kontakt zwischen Läufer und Stator besteht, weil Läufer und Stator relativ zueinander bewegbar sind und relativ zueinander bewegbar bleiben müssen.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn der Stator oder der Läufer ein C-Profil oder ein U-Profil als offenes Ringprofil aufweist, wobei das jeweils andere Element aus dem Stator und dem Läufer das C-Profil oder das U-Profil zu einem O-Profil als das näherungsweise geschlossene Ringprofil ergänzt. Als Profil wird hierbei das Querschnittsprofil senkrecht zur Führungsrichtung bezeichnet. Derartige Grundprofile sind kostengünstig verfügbar und können auf einfache Weise zu einem Ringprofil gekoppelt werden.
Es kann sich als nützlich erweisen, wenn magnetische Pole des Stators und/oder des Läufers entlang der magnetischen Feldlinien des durch Stator und Läufer verlaufenden Magnetfeldes gleichgerichtet oder gegenläufig gerichtet sind. Bei dieser Ausführung wird die zwischen Stator und Läufer wirkende Magnetkraft auf einfache Weise verstärkt. Wenn die magnetischen Pole des Stators und/oder des Läufers entlang der magnetischen Feldlinien des durch Stator und Läufer verlaufenden Magnetfeldes gegenläufig gerichtet sind, werden die Richtungen der Vorspannkraft sowie der Unterstützungskraft umgekehrt.
Es kann auch zweckdienlich sein, wenn der Stator und/oder der Läufer aus wenigstens einem Permanentmagneten und/oder wenigstens einem magnetisch leitenden Element aufgebaut ist/sind, wobei vorzugsweise der Permanentmagnet und/oder das magnetisch leitende Element entlang der Führungsrichtung vorzugsweise eine konstante Querschnittsform aufweist/aufweisen, wobei bevorzugt der Permanentmagnet und/oder das magnetisch leitende Element eine polygonal rechtwinklige, insbesondere quaderförmige Querschnittsform aufweist/aufweisen. Als Profil wird hierbei wiederum das Querschnittsprofil senkrecht zur Führungsrichtung bezeichnet. Als polygonal rechtwinklig wird eine Querschnittsform bezeichnet, deren Außen- oder Innenwinkel 90° oder 270° betragen.
Es kann auch von Vorteil sein, wenn der Läufer relativ zu dem Stator in einer senkrecht zur Führungsrichtung liegenden Ebene verstellbar ist, vorzugsweise entlang und/oder senkrecht zu den magnetischen Feldlinien des durch Stator und Läufer verlaufenden Magnetfeldes, bevorzugt derart, dass die Kompensationskraft und/oder die Vorspannkraft durch Verstellen des Abstands zwischen Stator und Läufer einstellbar ist/sind. Mit dieser Ausführung kann die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung für bestimmte Anwendungen gezielt konfiguriert werden. Überdies können Fertigungstoleranzen durch Verstellung der Relativpositionen von Läufer und Stator besonders einfach kompensiert werden.
Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn die Führungsvorrichtung als Linearführung oder Dreh- bzw. Rotationsführung ausgebildet ist. Mit diesen Ausführungen erschließt die vorliegende Erfindung ein breites Anwendungsfeld.
Begriffe und Definitionen
Unterstützungskraft
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff Unterstützungskraft eine auf den Läufer einwirkende Kraft, die insbesondere andere in Führungsrichtung auf den Läufer einwirkende Kräfte verstärkt, abschwächt, kompensiert oder sogar überkompensiert. Die Unterstützungskraft kann aber auch auf einen in Bezug auf die Führungsrichtung kraftfreien Läufer einwirken, beispielsweise bei einer horizontal ausgerichteten magnetischen Führungsvorrichtung, um etwa in eine Richtung eine höhere Dynamik zu erzielen oder aber um im Falle eines Stromausfalls ein Verfahren in eine bestimmte Endposition zu erzwingen.
Figurenliste
Es zeigen:

1 schematisch den Aufbau einer als Linearführung ausgebildeten magnetischen Führungsvorrichtung gemäß der Erfindung, einerseits in Seitenansicht a) in unterschiedlichen Stellungen an beiden Enden des Stellwegs und andererseits in einer Schnittansicht b) senkrecht zur Führungsrichtung.
2 in den schematischen Schnittansichten a) bis h) weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung mit unterschiedlichen Konfigurationen von Läufer und Stator.
3 in Ansicht a) eine Schnittansicht und in Ansicht b) eine perspektivische Darstellung einer als Dreh- bzw. Rotationsführung ausgebildeten Führungsvorrichtung gemäß der Erfindung, die beispielsweise zur Vorspannung und Erzeugung eines konstanten Drehmoments für ein Kugellager eingesetzt werden kann.
4 zeigt in a), b) und c) schematisch verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Führungsvorrichtungen, in welchen die Unterstützungskraft U über den Stellweg variiert, wobei bei den Ausführungsformen a) und b) jeweils in der linken Bildhälfte eine Schnittansicht in einer Ebene senkrecht zur Führungsrichtung und jeweils in der rechten Bildhälfte eine Seitenansicht dargestellt sind, und wobei bei der Ausführungsform c) in der linken Bildhälfte eine Schnittansicht in einer Ebene senkrecht zur Führungsrichtung und in der rechten Bildhälfte eine Draufsicht dargestellt sind.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die angehängten Figuren im Detail beschrieben.
1 zeigt in Ansicht a) ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer als Linearführung ausgebildeten magnetischen Führungsvorrichtung 1 von der Seite mit Blick auf eine Y-Z-Ebene und in Ansicht b) einen Schnitt durch diese Führungsvorrichtung 1 in einer X-Y-Ebene im eingezeichneten Koordinatensystem.
Die in 1 dargestellte Führungsvorrichtung 1 umfasst einen Stator 2 und einen relativ zu dem Stator 2 entlang (d.h. in und entgegen) einer Führungsrichtung Z bewegbaren Läufer 3. Die Führungsrichtung der Führungsvorrichtung 1 verläuft im eingezeichneten Koordinatensystem in +Z-Richtung. Der Schnitt in 1b) verläuft senkrecht zu der Führungsrichtung in der X-Y-Ebene. Der Stator 2 und der Läufer 3 sind so magnetisiert oder magnetisierbar, dass ein durch den Stator 2 und den Läufer 3 verlaufendes Magnetfeld M eine entlang der Führungsrichtung wirkende magnetische Unterstützungskraft U auf den Läufer 3 erzeugt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst beispielsweise nur der Stator 2 einen Permanentmagneten. Der Läufer kann ferromagnetisch z.B. als Eisenteil ausgebildet sein, zur Erhöhung der Magnetkräfte aber auch als Permanentmagnet. Erfindungsgemäß erzeugt das durch den Stator 2 und den Läufer 3 verlaufende Magnetfeld M eine magnetische Vorspannkraft F, die den Läufer 3 und den Stator 2 gegeneinander drängt. Die Unterstützungskraft U wirkt einer auf den Läufer 3 einwirkenden Kraft, wie beispielsweise eine Federkraft oder - bei vertikaler Anordnung - der Gravitationskraft, entgegen. In bestimmten Anwendungsfällen kann es auch günstig sein, dass die Unterstützungskraft U eine auf den Läufer 3 einwirkende Kraft, also etwa eine Federkraft oder die Gravitationskraft, vollständig kompensiert und somit den Läufer 3 im Kraftgleichgewicht hält. Die Unterstützungskraft U wirkt im vorliegenden Fall in der +Z-Richtung, d. h. in Führungsrichtung. Die Vorspannkraft F wirkt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der -Y-Richtung.
Der im Querschnitt in der X-Y-Ebene symmetrisch und abschnittsweise magnetisch ausgebildete Stator 2 weist eine Profilführungsschiene 2c auf, über die ein entsprechender Führungswagen 3c des Läufers 3 beweglich entlang der Führungsrichtung Z gelagert ist. Mit dem Führungswagen 3c ist der Läufer 3 entlang der Führungsrichtung geführt während alle anderen möglichen Bewegungsfreiheitsgrade des Läufers 3 gesperrt sind. Wie in der Schnittansicht gemäß 1b) schematisch dargestellt ist, ist auf jeder Seite der Profilführungsschiene 2c ein im Querschnitt rechteckiger Permanentmagnet 2a in einem magnetisch leitenden Element 2b aus Eisen mit einem C-förmigen Querschnittsprofil angeordnet. Beide Schenkel der C-Profile weisen von der Profiführungsschiene 2c weg. Der Permanentmagnet 2a ist jeweils auf dem unteren Schenkel des C-Profils angeordnet. Die magnetisch leitenden Elemente 2b stehen in Kontakt mit einer die Profilführungsschiene 2c tragenden Basis 2d. Der magnetische Nordpol N des Permanentmagneten 2a ist in +Y-Richtung ausgerichtet, während der magnetische Südpol in -Y-Richtung weist. Das im Querschnitt C-förmige, magnetisch leitende Element 2b trägt somit den Permanentmagneten 2a am inneren Unterschenkel, um gemeinsam mit diesem ein offenes Ringprofil mit einem Spalt zu bilden, der zwischen dem magnetischen Nordpol N und dem inneren Oberschenkel des magnetisch leitenden Elements 2b verbleibt.
Der Läufer 3 ist zumindest abschnittsweise magnetisch leitend ausgebildet und umfasst im vorliegenden Fall eine mit dem Führungswagen 3c auf der Profilführungsschiene 2c geführte Plattform 3b und im Querschnitt in der X-Y-Ebene zwei seitlich davon angeordnete, L-förmige und magnetisch leitende Schenkel 3a. Die Schenkel 3a übergreifen den Stator 2 quer zur Führungsrichtung und dringen mit den Enden zueinander weisend jeweils in den jeweiligen Spalt zwischen dem Permanentmagneten 2a und dem inneren Oberschenkel des magnetisch leitenden Elements 2b des Stators 2 ein. Die zueinander weisenden Enden der Schenkel 3a überbrücken diesen Spalt magnetisch und komplettieren das offene Ringprofil des Stators 2 zu einem näherungsweise geschlossenen Ringprofil, innerhalb dessen das in 1b mit einer Strichpunktlinie schematisch angezeigte Magnetfeld M verläuft.
Die Vorspannkraft F ist bei dieser Ausführung entlang der Führungsrichtung Z nicht über den gesamten Stellweg S des Läufers 3 konstant, sondern variiert in Abhängigkeit von der Position des Laufers 3 gegenüber dem Stator 2, wobei die Vorspannkraft F mit zunehmender Überlappung von Laufer 3 und Stator 2 zunimmt und mit abnehmender Überlappung von Laufer 3 und Stator 2 abnimmt. An jeder Position des Stellwegs S, d.h. an jeder Position der gegenseitigen Überlappung von Stator und Läufer, ist jedoch gewährleistet, dass die Vorspannkraft F einen bestimmten minimalen Wert übersteigt. Die Unterstützungskraft U ist entlang der Führungsrichtung Z über den gesamten Stellweg S des Läufers 3 hingegen konstant.
Die Schenkel 3a des Läufers 3 sind im vorliegenden Fall in Y-Richtung und/oder in X-Richtung verstellbar an der Plattform 3b des Läufers 3 befestigt. Dadurch ist der Läufer 3 in zwei senkrecht stehenden Richtungen relativ zu dem Stator 2 in einer senkrecht zur Führungsrichtung liegenden X-Y-Ebene verstellbar, sowohl entlang der magnetischen Feldlinien des durch Stator 2 und Läufer 3 verlaufenden Magnetfeldes M in +/-Y-Richtung, als auch senkrecht dazu in +/-X-Richtung (Einsteckrichtung), sodass sowohl die Unterstützungskraft U als auch die Vorspannkraft F durch Verstellen des Abstands zwischen Stator 2 und Läufer 3 einstellbar sind. Es ist denkbar, dass anstelle der Schenkel 3a des Läufers 3 die magnetisch leitenden Elemente 2b in Y-Richtung und/oder in X-Richtung verstellbar an der Basis 2d befestigt sind, um eine Einstellbarkeit der Unterstützungskraft U und der Vorspannkraft F zu erzielen. Schließlich ist denkbar, dass sowohl die Schenkel 3a des Läufers 3, als auch die magnetisch leitenden Elemente 2b in Y-Richtung und/oder in X-Richtung verstellbar angeordnet sind. Natürlich kann man die magnetischen Eigenschaften von Läufer 3 und Stator 2 miteinander vertauschen, also den Magnetkreis am Läufer 3 befestigen und nicht oder zusätzlich auch am Stator 2.
Funktionsweise
Die Schenkel 3a des Läufers 3 werden durch die den Läufer 3 und den Stator 2 durchlaufende Magnetkraft in Richtung des jeweiligen Permanentmagneten 2a des Stators 2 gezogen. Diese Anziehungskraft erzeugt die Vorspannkraft F, mit der die Plattform 3b und der Führungswagen 3c des Läufers 3 an die Profilführungsschiene 2c des Stators 2 angepresst werden.
Innerhalb des Stellwegs S herrscht eine konstante Unterstützungskraft U in Laufrichtung, da der Läufer 3 durch magnetische Kräfte in die Anordnung gezogen wird, ähnlich wie in US 2004/0004405 A1 offenbart ist.
Durch relative Positionierung des Läufers 3 zum Stator 2 - bzw. deren magnetisch wirksamer Teile wie dem Permanentmagnet 2a und dem magnetisch leitenden C-Profil 2b - sind sowohl die in Richtung des Stators 2 wirkende Vorspannkraft F, als auch die in Führungsrichtung Z wirkende Unterstützungskraft U einstellbar. Die Vorspannkraft F wird primär eingestellt durch Annäherung des Läufers 3 an den Permanentmagneten 2a des Stators 2 in +/-Y-Richtung. Die Unterstützungskraft U wird primär eingestellt über die Eindringtiefe des Läufers 3 in den vom Permanentmagneten 2a und dem magnetisch leitenden Element 2b des Stators 2 gebildeten Spalt in +/-X-Richtung.
2 zeigt in den schematische Schnittansichten a) bis h) weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung 1 auf Basis der Ausführungsform gemäß 1, allerdings mit unterschiedlichen Konfigurationen von Stator 2 und Läufer 3. Zu Darstellungszwecken sind in 2 vereinfachend nur die magnetisch wirksamen Teile von Stator 2 und Läufer 3 dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass Stator 2 und/oder Läufer 3 neben den in Ansichten a) bis h) dargestellten Teilen über weitere Teile verfügen können. In den nachstehenden Ansichten a) bis h) der 2 bezeichnet das Bezugszeichen Fe ein magnetisch leitendes ferromagnetisches oder paramagnetisches Element. z.B. aus Eisen, während die Symbole N bzw. S die magnetischen Pole eines Permanentmagneten anzeigen (N für Nordpol, S für Südpol). Die in den Ansichten a) bis h) dargestellten Schnitte verlaufen jeweils senkrecht zur Führungsrichtung bzw. in der X-Y-Ebene innerhalb des Überlappungsbereichs von Stator 2 und Läufer 3, d.h. innerhalb des Stellwegs S. Vorzugsweise weisen alle Profile entlang der Führungsrichtung eine konstante Querschnittsform auf.
In der Ausführung gemäß 2a umfasst der Stator 2 zwei im Querschnitt vorzugsweise identische, rechteckige und magnetisch leitende ferromagnetische oder paramagnetische Elemente Fe, zwischen denen ein Permanentmagnet N/S angeordnet ist, um ein C-förmiges, offenes Ringprofil mit einem Spalt zu bilden. Die Öffnung zwischen den Schenkeln des C-Profils befindet sich in der Ansicht a) links. Der Permanentmagnet N/S weist eine größere Höhe als jedes magnetisch leitende Element des Stators 2 auf, und vorzugsweise weniger als die halbe Breite. Der im Querschnitt ebenfalls rechteckige ferromagnetische oder paramagnetische Läufer 3 befindet sich im Spalt zwischen den Schenkeln des C-förmigen Stators 2, um den Spalt zu überbrücken und das offene C-förmige Ringprofil des Stator 2 zu einem näherungsweise geschlossenen Ringprofil zu komplettieren. Das resultierende Magnetfeld M ist hierbei durch die gestrichelte Linie symbolisch dargestellt ist. Optional ist der Läufer 3 relativ zu dem Stator 2 in der X-Y-Ebene verstellbar, vorzugsweise entlang und senkrecht zu den magnetischen Feldlinien des durch Stator 2 und Läufer 3 verlaufenden Magnetfeldes M, sodass die Unterstützungskraft U wie auch die Vorspannkraft F durch Verstellen des Abstands zwischen Stator 2 und Läufer 3 einstellbar sind.
Abweichend von der Ausführung gemäß 2a ist der Läufer 3 in der Ausführung gemäß 2b als im Querschnitt rechteckiger Permanentmagnet ausgebildet. Die magnetischen Pole N/S des Stators 2 und des Läufers 3 sind entlang der magnetischen Feldlinien des durch Stator 2 und Läufer 3 verlaufenden Magnetfeldes M gleichgerichtet. Die übrigen Merkmale dieser Ausführung entsprechen der Ausführung gemäß 2a.
Abweichend von der Ausführung gemäß 2b ist der Stator 2 in der Ausführung gemäß 2c als magnetisch leitendes, einstückiges C-Profil aus ferromagnetischem oder paramagnetischem Material ausgebildet. Lediglich der Läufer 3 umfasst einen Permanentmagneten. Die übrigen Merkmale dieser Ausführung entsprechen der Ausführung gemäß 2b.
In der Ausführung gemäß 2d ist der Stator 2 aus zwei im Querschnitt rechteckigen Permanentmagneten und einem im Querschnitt C-förmigen oder rechteckigen magnetisch leitenden Element aus ferromagnetischem oder paramagnetischem Material wie z.B. Eisen aufgebaut. Diese magnetisierten oder magnetisch leitenden Teile bilden gemeinsam ein C-Profil mit oberseitiger Öffnung. Der im Querschnitt rechteckige und als magnetisch leitendes Element ausgebildete Läufer 3 überbrückt den zwischen den Schenkeln des Stators 2 gebildeten Spalt stirnseitig, um ein näherungsweise geschlossenes Ringprofil zu bilden.
In der Ausführung gemäß 2e ist der Stator 2 aus zwei im Querschnitt rechteckigen und magnetisch leitenden Elementen sowie einem im Querschnitt rechteckigen oder quadratischen Permanentmagneten aufgebaut. Der Nordpol N und der Südpol S des Permanentmagneten weisen zu unterschiedlichen Seiten bzw. magnetisch leitenden Elementen. Diese magnetisierten oder magnetisch leitenden Teile bilden gemeinsam ein C-Profil mit oberseitiger Öffnung. Der im Querschnitt rechteckige und magnetisch leitend ausgebildete Läufer 3 befindet sich in dem zwischen den Schenkeln des Stators 2 gebildeten Spalt, um das offene Ringprofil des Stators 2 zu einem näherungsweise geschlossenen Ringprofil zu vervollständigen.
In der Ausführung gemäß 2f umfasst der Stator 2 ein magnetisch leitendes C-Profil aus ferromagnetischem oder paramagnetischem Material mit rechtsseitiger Öffnung. Ein im Querschnitt rechteckiger Permanentmagnet befindet sich mit seinem magnetischen Nordpol N in Anlage an der Innenseite des oberen Schenkels des C-Profils, während sich der magnetische Südpol S eines weiteren im Querschnitt rechteckigen Permanentmagneten in Kontakt mit der Innenseite des unteren Schenkels des C-Profils befindet. Der im Querschnitt rechteckige und als magnetisch leitendes, ferromagnetisches oder paramagnetisches Element ausgebildete Läufer 3 befindet sich in dem zwischen den Permanentmagneten des Stators 2 gebildeten Spalt, um das offene Ringprofil des Stators 2 zu einem näherungsweise geschlossenen Ringprofil zu vervollständigen.
Abweichend von der Ausführung gemäß 2f ist der Läufer 3 in der Ausführung gemäß 2g selbst als Permanentmagnet ausgebildet, wobei die magnetischen Pole N/S des Stators 2 und des Läufers 3 entlang der magnetischen Feldlinien des durch Stator 2 und Läufer 3 verlaufenden Magnetfeldes M gleichgerichtet sind. Die übrigen Merkmale dieser Ausführung entsprechen der Ausführung gemäß 2f.
Abweichend von der Ausführung gemäß 2e befindet sich der Läufer 3 in der Ausführung gemäß 2h nicht zwischen den Schenkeln des C-Profils, sondern überbrückt den zwischen den Schenkeln des Stators 2 gebildeten Spalt stirnseitig, ähnlich zur Ausführung gemäß 2d, um ein näherungsweise geschlossenes Ringprofil zu bilden. Die übrigen Merkmale dieser Ausführung entsprechen der Ausführung gemäß 2e bzw. der Ausführung gemäß 2d.
Die in 2 dargestellten Ausführungen sind lediglich beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen. Es versteht sich von selbst, dass im Schutzbereich der Erfindung weitere Ausführungsformen realisierbar sind.
In der Ausführung gemäß 3 ist die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung Teil eines Rotationsaktors, wobei die Führungsrichtung entlang einer Kreisbahn verläuft. Diese Ausführung ist vorteilhaft, beispielsweise um Kugellager vorzuspannen unter gleichzeitiger Erzeugung eines konstanten Drehmoments.
Es versteht sich, dass eine Invertierung der Führungsvorrichtung, bei welcher der vorstehend beschriebene Stator als Rotor und der vorstehend beschriebene Rotor als Stator fungiert, vor dem Hintergrund der erfindungsgemäßen Lehre im Rahmen des fachmännischen Handelns liegt.
4 zeigt drei verschiedene Ausführungsformen a), b) und c), bei welchen die Unterstützungskraft U über den Stellweg variiert. In diesen drei Ausführungsformen ist die Querschnittsform des Stators 2 in einer senkrecht zur Führungsrichtung Z ausgerichteten Schnittebene entlang der Führungsrichtung Z, insbesondere über den Stellweg, und/oder der Abstand zwischen Läufer 3 und Stator 2 nicht konstant. Dadurch wird, je nach Position des Läufers 3 entlang des Stellwegs gegenüber dem Stator 2, eine dem Betrag nach unterschiedliche Unterstützungskraft U auf den Läufer 3 ausgeübt. Natürlich wirkt sich das auch auf die Vorspannkraft F aus. Die Vorspannkraft F ist aber auch abhängig von u.a. der Überlappung von Läufer 3 und Stator 2 und daher ohnehin nicht konstant.
In den in 4 gezeigten Ausführungsformen a) und c) verändert sich die Unterstützungskraft U, je weiter der Läufer 3 in den Stator 2 eingeschoben ist, z.B. weil sich die magnetisch leitende Querschnittsfläche des Stator 2 und/oder der Abstand zwischen Läufer 3 und Stator 2 entlang der Führungsrichtung Z zumindest bereichsweise verändert/verändern.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform b) nimmt die Unterstützungskraft U über den Stellweg erst ab, dann wieder zu.
Durch derartige Gestaltungen lässt sich die auf den Läufer 3 ausgeübte Unterstützungskraft U gezielt an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
Natürlich lässt sich das in 4 gezeigte Prinzip auf alle in 2 gezeigten Statorprofile übertragen.
Bezugszeichenliste

1: Führungsvorrichtung
2: Stator
2a: Permanentmagnet
2b: Magnetisch leitendes Element
2c: Profilschienenführung
2d: Basis
3: Läufer
3a: Schenkel
3b: Plattform
3c: Führungswagen
X-Y: Ebene senkrecht zur Führungsrichtung
Z: Führungsrichtung
U: Unterstützungskraft
M: Magnetfeld
S: Stellweg
F: Vorspannkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2004/0004405 A1 [0002, 0033]

Claims

Magnetische Führungsvorrichtung (1), mit einem Stator (2) und einem relativ zu dem Stator (2) entlang einer Führungsrichtung (Z) bewegbaren Läufer (3), wobei der Stator (2) und der Läufer (3) so magnetisiert oder magnetisierbar sind, dass ein durch den Stator (2) und den Läufer (3) verlaufendes Magnetfeld (M) eine entlang der Führungsrichtung (Z) wirkende magnetische Unterstützungskraft (U) auf den Läufer (3) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Stator (2) und den Läufer (3) verlaufende Magnetfeld (M) gleichzeitig eine magnetische Vorspannkraft (F) erzeugt, die den Läufer (3) und den Stator (2) gegeneinander drängt.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) und/oder der Läufer (3) zumindest abschnittsweise magnetisch und ggf. ansonsten magnetisch leitend ausgebildet ist/sind.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungskraft (U) entlang der Führungsrichtung (Z) konstant ist, vorzugsweise über den gesamten Stellweg (S) des Läufers (3).
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungskraft (U) bei einer Bewegung des Läufers (3) gegenüber dem Stator (2) entlang der Führungsrichtung (Z) variiert, vorzugsweise stetig, bevorzugt linear.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (3) entlang der Führungsrichtung (Z) in entgegengesetzten Richtungen bewegbar ist.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) ein Führungsprofil (2c) zur Führung des Läufers (3) entlang der Führungsrichtung (Z) aufweist, wobei das Führungsprofil vorzugsweise alle Bewegungsfreiheitsgrade des Läufers (3) mit Ausnahme der Bewegung entlang der Führungsrichtung (Z) sperrt.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrichtung (Z) entlang einer Geraden oder entlang einer Kreisbahn verläuft.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Vorspannkraft (F) zumindest teilweise oder aber vollständig in Richtung der Gewichtskraft des Läufers (3) wirkt.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) und der Läufer (3) bei gegenseitiger Überlappung gemeinsam ein näherungsweise geschlossenes Ringprofil bilden, innerhalb dessen das Magnetfeld (M) geführt ist, wobei das näherungsweise geschlossene Ringprofil vorzugsweise in einer senkrecht zur Führungsrichtung (Z) liegenden Ebene vorliegt, wobei die Profilachse des näherungsweise geschlossenen Ringprofils bevorzugt entlang oder parallel zur Führungsrichtung (Z) verläuft.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) oder der Läufer (3) ein offenes Ringprofil mit einem Spalt aufweist, wobei das jeweils andere Element aus dem Stator (2) und dem Läufer (3) diesen Spalt überbrückt, um gemeinsam das näherungsweise geschlossene Ringprofil zu bilden.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) oder der Läufer (3) ein C-Profil oder ein U-Profil als offenes Ringprofil aufweist, wobei das jeweils andere Element aus dem Stator (2) und dem Läufer (3) das C-Profil oder das U-Profil zu einem O-Profil als das näherungsweise geschlossene Ringprofil ergänzt.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass magnetische Pole (N/S) des Stators (2) und/oder des Läufers (3) entlang der magnetischen Feldlinien des durch Stator (2) und Läufer (3) verlaufenden Magnetfeldes (M) gleichgerichtet oder gegenläufig gerichtet sind.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) und/oder der Läufer (3) aus wenigstens einem Permanentmagneten und/oder wenigstens einem magnetisch leitenden Element (Fe) aufgebaut ist/sind, wobei vorzugsweise der Permanentmagnet und/oder das magnetisch leitende Element (Fe) entlang der Führungsrichtung (Z) vorzugsweise eine konstante Querschnittsform aufweist/aufweisen, wobei bevorzugt der Permanentmagnet und/oder das magnetisch leitende Element (Fe) eine polygonal rechtwinklige, insbesondere quaderförmige Querschnittsform aufweist/aufweisen.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (3) relativ zu dem Stator (2) in einer senkrecht zur Führungsrichtung (Z) liegenden Ebene verstellbar ist, vorzugsweise entlang und/oder senkrecht zu den magnetischen Feldlinien des durch Stator (2) und Läufer (3) verlaufenden Magnetfeldes (M), bevorzugt derart, dass die Unterstützungskraft (U) und/oder die Vorspannkraft (F) durch Verstellen des Abstands zwischen Stator (2) und Läufer (3) einstellbar ist/sind.
Magnetische Führungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvorrichtung (1) als Linearführung oder Dreh- bzw. Rotationsführung ausgebildet ist.