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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten leistungslosen magnetischen Führung von Körpern für große translatorische Bewegungen auf Basis des elektromagnetischen Schwebens, welches mit Hybridmagneten realisiert wird. Anwendung findet die Erfindung vor allem für die präzise Positionierung von Körpern, beispielsweise in der Mikrolithographie und der Halbleiterfertigung sowie bei der Vermessung von Nanostrukturen.
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Die Präzision von Positioniervorgängen ist von einer Vielzahl von Einflussfaktoren abhängig, wobei die die Bewegung führenden Elemente (Führungen) in der Positioniervorrichtung einen wesentlichen Einfluss haben. Anwendungsspezifisch wird die Position eines bewegten Objekts (Läufer) durch eine geeignete Sensorik erfasst. Ausgehend von dem Starrkörperfreiheitsgrad 6 des verwendeten Läufers ist theoretisch eine Positionierunsicherheit entsprechend der Sensorauflösung möglich. Ein realer Läufer hat jedoch unendlich viele Freiheiten, die aus seiner Verformung resultieren. Diese Verformungen resultieren aus mechanischen Spannungen in der Struktur des Läufers, die z. B. durch Krafteinwirkung oder thermisch induziert werden. Teile des Läufers sind zwangsweise Teil der metrologischen Kette. Relative Verformungen des Läufers erhöhen folglich die Positionierunsicherheit von mitbewegten Proben. Aktuell bietet die (differentielle) Laserinterferometrie die höchstmöglichen Positionsauflösungen und lässt sich als inkrementelles Messprinzip über große Distanzen einsetzen. Da aber dieses Messsystem durch sich ändernde optische Dichten in der umgebenden Atmosphäre beeinflussbar ist, ist der Einsatz innerhalb von Vakuumumgebungen erstrebenswert.
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Eine ideale Führung bietet in den Richtungen, in denen die Bewegung eingeschränkt wird, eine unendlich hohe Steifigkeit, in der Bewegungsrichtung dagegen eine Null-Steifigkeit.
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Unter anderem unterscheiden sich die Funktionsprinzipien von Führungen durch die Richtung der erzeugbaren Führungskräfte. Die Kraftrichtung hat entscheidenden Einfluss auf die Topologie des Führungssystems, insbesondere wenn der Läufer einem Gravitationsfeld ausgesetzt ist, wovon in dieser Schrift ausgegangen wird. Rein auf Druckkräften basierende Prinzipien lassen sich einseitig unterhalb des Läufers anordnen, die Lagerkräfte sind größtenteils Reaktionskräfte auf die Gewichtskraft des Läufers. Im Gegensatz dazu erfordert der Einsatz rein auf Zugkräften basierender Prinzipien eine Anordnung oberhalb des Läufers. Eine Vorspannung (Kraftoffset) der Führung lässt sich bei unidirektionalen Kräften nur durch eine beidseitige (ober- und unterhalb des Läufers) Anordnung einstellen. Die Kombination zweier Prinzipien mit Zug- und Druckkräften bzw. Prinzipien mit bidirektionalen Kräften ermöglichen eine einseitige Anordnung, bei der gleichzeitig eine Vorspannung gewählt werden kann.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Funktionsprinzipien für Präzisionsführungen bekannt. Dazu gehören Kugelführungen, (aerostatische) Luftführungen, Festkörperführungen und aktive Magnetführungen.
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Aktive Magnetführungen bestehen aus zwei relativ zueinander bewegten Teilen, wobei das aktive Teil sowohl läufer- als auch gestellfest angeordnet sein kann. Sie arbeiten generell kontaktfrei und ohne Arbeitsmedium. Durch die intrinsische Instabilität bzw. Grenzstabilität von Magneten ist als Peripherie eine aktive Regelung erforderlich, die als Stellglied eine Leistungsendstufe in Kombination mit einer Führungsspule verwendet. Durch den in der Führungsspule fließenden Strom entstehen ohmsche Verluste in dem Spulendraht, die zu einer Wärmeentwicklung führen und somit thermische Spannungen im Läufer erzeugen können. Die aktive Regelung bietet die Möglichkeit, auf Laständerungen zu reagieren und somit eine theoretisch unendlich hohe Steifigkeit in einem begrenzten Kraftbereich zur Verfügung zu stellen.
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Innerhalb der aktiven Magnetführungen existieren zwei grundlegende Prinzipien: Das elektrodynamische Schweben und das elektromagnetische Schweben.
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Das elektromagnetische Schweben basiert auf der Reluktanzkraft zwischen zwei Polflächen eines Magnetkreises. Es lassen sich reine Zugkräfte erzeugen, die anstreben, den Spalt zwischen den Polflächen zu verringern (entsprechend einer negativen Steifigkeit, instabil). Der Kraftbereich ist durch die magnetische Sättigung in den ferromagnetischen Flussleitelementen und die thermische Überlastung des Materials begrenzt. Bei gegebenem Luftspalt ist die gestellte Kraft näherungsweise quadratisch abhängig vom Strom bzw. proportional zur ohmschen Verlustleistung. Durch den zusätzlichen Einsatz von Permanentmagneten (Hybrid-Magnetführung) lässt sich eine magnetische Vorspannung erreichen. Wird diese beidseitig in einer sogenannten differentiellen Anordnung angebracht, so ergibt sich eine physikalische Linearisierung des Elementes. Im Optimalfall entspricht die Vorspannung dem Lastkraftanteil des Läufers, der auf die betreffende Magnetführung wirkt. In diesem Fall wird die Führungsspule zur reinen Stabilisierung des Systems benötigt, wobei kein Gleichstromanteil nötig ist.
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Wie in 1 dargestellt, wird in einer Positioniervorrichtung ein Läufertisch (1) relativ zu einer gestellfesten x-y-Ebene (2) bewegt. Der Läufertisch (1) ist Bestandteil des Läufers (3), der noch weitere mitbewegte Elemente umfasst, die für Antrieb, Führung, Struktursteifigkeit und Metrologie funktionsrelevant sind. Der Läufertisch (1) kann als Aufnahme für Proben dienen, die von einem gestellfesten Werkzeug (4) bearbeitet werden. Die Werkzeuge (4) arbeiten mit oder ohne Kontakt zu der Probe. Die Translationen in x- und y-Richtung sowie die Rotation um die Hochachse (z-Richtung) werden von einem separaten Planarantrieb geregelt. Die beiden Translationen in x- und y-Richtung werden als der große Bewegungsbereich bezeichnet. Die Rotation um die z-Achse soll konstant gehalten, d. h. durch den Antrieb geführt werden. Werden beide großen Translationen in x- und y-Richtung im System genutzt spricht man von einer Planarführung, wird nur eine Richtung genutzt, wird diese als Linearführung bezeichnet, wobei Linearführungen in der Regel wesentlich einfacher aufgebaut werden können. Die Führung des Systems hat die Aufgabe, die Läufertischebene (x-y-Ebene) parallel zu der gestellfesten Ebene (2) zu halten. Dies entspricht einer Sperrung von drei Freiheiten: die Rotationen um die x- und y-Achse sowie die Translation in z-Richtung. Die Kontrolle dieser gesperrten Freiheiten kann durch drei an unterschiedlichen Orten am Läufer angreifende Kräfte mit zur z-Achse parallelen Kraftwirkungslinien erreicht werden. Diese Kräfte werden als die Führungskräfte bezeichnet. Es können auch mehr als drei Führungskräfte erzeugt werden. In diesem Fall ist der Läufer überbestimmt geführt. Ein wesentlicher Anteil der Lastkräfte in Führungen wird durch die Gewichtskraft des Läufers erzeugt. Wird der Schwerpunkt des Läufers verlagert, verändern sich entweder der Ort der angreifenden Führungskräfte (Kraftangriffspunkte), die Beträge der Führungskräfte, die Richtung der Führungskräfte oder eine Kombination der genannten Änderungen. Dies ist erforderlich, damit der Läufer weiterhin innerhalb seiner Führungsebene gehalten wird. Im Fall von Präzisionsanwendungen sind läuferfeste Kraftangriffspunkte die nur den Ort, nicht aber Betrag und Richtung ändern, vorteilhaft, da so auf den Läufer im wesentlichen derselbe Krafteintrag wirkt und sich dieser dadurch nicht wechselnd mechanisch verformt, wodurch eine weniger aufwändige mechanische Entkopplung des metrologisch relevanten Teils möglich ist.
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In herkömmlichen aktiven Magnetführungen ist das aktive Element (Führungsspule) auf der Seite mit der kleineren Führungsfläche (Polfläche) untergebracht. Es bietet sich daher an, das aktive Element bewegt zu gestalten, wie es in linearen Magnetführungen auch in der Regel stattfindet. Eine Ausnahme bilden Präzisionssysteme, in denen aktive mitbewegte Teile zu einem zu großen Wärmeeintrag in den Läufer führen. Hier ist es erforderlich, das passive Element mitzuführen. Die Beschaffenheit aktiver magnetischer Führungen erlaubt es, den Kraftangriffspunkt auch relativ zur Führungsspule zu bewegen, in diesem Fall wird der magnetische Fluss von der Führungsspule zu den Polflächen über den großen Bewegungsbereich geleitet.
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Aus dem Stand der Technik sind zur Umsetzung von planaren Bewegungen bereits mehrere Topologien bekannt. Das wesentlichste Merkmal dabei ist die Anzahl der beweglichen Stufen, die den Läufertisch führen. Die Stufen sind aufeinander gestapelt, wobei eine Stufe die darauf gelagerte Stufe mitsamt den dazugehörigen Antriebs- und Führungselementen mitbewegt. Die Stufen haben über Führungselemente Kontakt zu mindestens einer weiteren Stufe bzw. zum Gestell. Die Kontrolle der Freiheiten des Läufertisches wird auf die einzelnen Stufen aufgeteilt.
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Die vorliegende Schrift bezieht sich auf einen Sonderfall zur Realisierung von planaren Bewegungen, den Direktantrieb, bei dem lediglich ein Objekt relativ zum Gestell bewegt wird. Sämtliche Antriebs- und Führungskräfte greifen parallel an derselben Stufe an. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zum elektromagnetischen Schweben bekannt. So wird z. B. in der Offenlegungsschrift
WO 98/37335 A ein Antrieb mit einer planaren Führung vorgestellt, bei dem ein magnetischer Parallelkreis zur Erzeugung von Hub- und Führungskräften dient. Die Permanentmagnete sind statorfest und der Antrieb wird nach dem „Moving Iron”-Prinzip realisiert. Der magnetische Fluss der Führungsspule wird hier ferromagnetisch über den großen x-/y-Bewegungsbereich geleitet. Die Länge des magnetischen Flusses ist abhängig von der Läuferlage, dies gilt sowohl für den permanent- als auch den elektromagnetischen Anteil. Im Arbeitsluftspalt, dem krafterzeugenden Bereich am Läufer/Stator, wird der magnetische Fluss ober- und unterhalb des Läufers geführt, d. h. er wird in z-Richtung ferromagnetisch durch den Läufer geleitet. Durch den in jeder Antriebs- und Führungseinheit läuferseitig linear verschieblichen Kraftangriffspunkt ist eine der Länge des großen Bewegungsbereiches entsprechende ferromagnetische Struktur erforderlich, die einen Großteil der gesamten Läufermasse beansprucht bzw. zu einem ungünstigen Schwingverhalten des Läufers führt. In jeder Führungseinheit gibt es eine Koordinatenrichtung, in der sich der Kraftangriffspunkt läuferfest mitbewegt. Bewegt sich der Läufer orthogonal zu dieser Koordinatenrichtung, bleibt der Kraftangriffspunkt gestellfest. Bei Nutzung eines planaren Bewegungsbereiches ergeben sich somit arbeitspunktabhängige Lastwechsel, da sich der Läuferschwerpunkt relativ zu den Kraftangriffspunkten verschiebt. In der Arbeit von
Kovalev, S., Magnetisch geführter Mehrkoordinaten-Präzisionsantrieb, TU Ilmenau, 2001 wird das elektromagnetische Schweben durch drei Magnetführungseinheiten und einem separaten Antrieb beschrieben. Die Führung ist durch gestellfeste Topfmagnete und eine läuferseitig mitbewegte planare Führungsfläche charakterisiert. Durch eine beliebige, bereits lineare Bewegung des Läufers verschiebt sich der Kraftangriffspunkt relativ zum Schwerpunkt des Läufers, wodurch sich arbeitspunktabhängige Lastwechsel ergeben. Durch die läuferseitig planar verschiebbaren Kraftangriffspunkte sind flächige ferromagnetische Strukturen (Platten) erforderlich, die typischerweise mehr als ¾ der in einer x-/y-Ebene aufprojezierten Läuferfläche beanspruchen. Die verwendeten ferromagnetischen Platten haben jedoch eine begrenzte Dicke, da der magnetische Fluss nicht in z-Richtung durch den Läufer durchgeleitet wird. Es sind große läuferseitige Tragstrukturen erforderlich um die ferromagnetischen Platten zu versteifen. Die Länge des gesamten ferromagnetisch geleiteten magnetischen Flusses ist kurz und unabhängig von der x-/y-Läuferlage. Das gilt sowohl für den elektromagnetisch als auch für den permanentmagnetisch erzeugten magnetischen Fluss. Anmerkung: In der Quelle wird von reinen Elektromagneten ausgegangen, diese lassen sich jedoch einfach durch Hybridmagnete austauschen.
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Die vorgenannten wesentlichen Topologien, direktangetriebener planarer magnetischer Führungen weisen folgende Nachteile auf:
- – Im Läufer ist eine ferromagnetische Struktur erforderlich, deren Länge bzw. Fläche dem großen Bewegungsbereich entspricht, unter der Annahme, dass der Läufer passiv ausgeführt ist bzw. keine Regelspulen mitgeführt werden.
- – Mit Bewegung des Läufers im großen x-/y-Bewegungsbereich verlagert sich der Läuferschwerpunkt in mindestens einer Koordinatenrichtung relativ zum Läuferschwerpunkt, wodurch die Führungselemente einen großen Kraftbereich abdecken müssen und somit ohne weitere Maßnahmen nicht durchgehend im verlustleistungsärmsten Arbeitspunkt betrieben werden können.
- – In WO 98/37335 A verändert sich die Länge des permanentmagnetischen Flusses in Abhängigkeit der x/y Läuferlage und damit auch der magnetische Widerstand. Abhängig von der x/y Läuferlage ergibt sich somit ein unterschiedlicher leistungsloser Magnetfluss, bzw. eine unterschiedliche leistungslose Haltekraft.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung zur direkten leistungslosen magnetischen Führung von Körpern für große translatorische Bewegungen bereitzustellen, in der die erwähnten Vorteile von gestellfesten Führungsspulen sowie läuferfesten Kraftangriffspunkten vereint sind und das Funktionsprinzip des elektromagnetischen Schwebens für große lineare und insbesondere planare Bewegungen für Präzisionsanwendungen verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit der in Patentanspruch 1 beschriebenen Vorrichtung und den dazu aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 – prinzipieller Aufbau und Arbeitsweise einer Positioniervorrichtung
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2 – Mehrkoordinatendirektantrieb mit vier erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur magnetischen Führung von Körpern
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3 – prinzipieller Aufbau einer planaren aktiven Vorrichtung zur magnetischen Führung von Körpern
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4 – Schnittbild eines Ausführungsbeispiels einer passiven Ankereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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5 – magnetische Flussführung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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6 – prinzipieller Aufbau einer linearen aktiven Vorrichtung zur magnetischen Führung von Körpern
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In 2 ist beispielhaft ein Mehrkoordinatendirektantrieb dargestellt, der aus einem Läufer mit vier erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur planaren magnetischen Führung von Körpern (5) (im Folgenden auch als planare aktive Magnetführungseinheit – PAMFE – bezeichnet) besteht, wobei die passive mitbewegte Ankereinheit (6) nur in einer Magnetführungseinheit als Ausschnitt abgebildet ist. Die Erfindung ist eine aktive Magnetführung, mit denen je nach Ausführung lineare oder planare Bewegungen realisiert werden können. Um einen Körper vollständig zu führen sind mindestens drei Magnetführungseinheiten erforderlich.
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Der Läufer (3) setzt sich aus sämtlichen in einem Bezugssystem mit dem Läufertisch (1) mitbewegten Teilen zusammen. Dazu gehört eine metrologische Referenz (7), hier als Spiegelecke ausgeführt, eine mechanische Tragstruktur (8) und eine Ankereinheit (6), die erfindungsgemäß gleichzeitig Bestandteil der PAMFE (5) ist. Der Läufer (3) kann große Translationen (typisch 100–1000 mm) in x- und y-Richtung und geringe Translation (typisch 1 bis 10 mm) in z-Richtung ausführen. Als Messsystem für die Translationen in x-/y-Richtung sind beispielhaft Interferometerköpfe (9) in Verbindung mit der Spiegelecke (7) dargestellt. Für die Funktionsfähigkeit aller im System befindlichen PAMFE (5) ist die Bestimmung der z-Lage der jeweiligen Ankereinheit (6) erforderlich. Diese kann beispielsweise auch interferometrisch mit drei Strahlen und einem Planspiegel unterhalb des Läufertisches (1) erfolgen. In der dargestellten Ausführung wird durch die PAMFE (5) die Führung des Läufers in der Ebene ermöglicht. Unter bestimmten Voraussetzungen, nämlich wenn mindestens drei der PAMFE mehr als eine Führungsspule aufweisen und sehr kleine Kräfte wirken, kann die PAMFE (5) auch die Funktion eines Antriebs für große Translationen des Läufers (3) realisieren.
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Die Verformung des Läufers (3), aufgrund seiner eigenen Gewichtskraft, hat in Präzisionssystemen eine besondere Bedeutung. Die Reaktionskräfte auf die Gewichtskraft werden läuferfest mitbewegt. Die Verformung des Läufers (3) ist daher unabhängig von seiner x-y-Lage. Die Teile (7) und (9) des Läufers (3), die Bestandteile des metrologischen Rahmens sind, erfahren somit keine alternierende quasistatische Belastung. Es treten lediglich Führungskräfte zur Kompensation von Antriebskräften und zur Stabilisierung der Magnetführung auf.
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In 3 sind die Hauptbestandteile der PAMFE (5) dargestellt. Die PAMFE besteht aus einer gestellfesten Statoreinheit (10) und einer mitbewegten Ankereinheit (6), die als Bestandteil des Läufers (3) mit diesem fest verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich ein topfförmiger passiver Anker zwischen zwei Stator-Teilstücken (Statorplatten) (11a) und (11b), die über eine Führungsspule (12) mit dem Spulenkern (13) ferromagnetisch verbunden sind. Die passive Ankereinheit (6) erzeugt durch eine permanentmagnetische Vorspannung an der oberen und unteren Statorplatte (11a) und (11b) Reluktanzkräfte, die im Wesentlichen in z-Richtung wirken. Die Magnetstruktur ist so gewählt (Parallelkreis), dass durch die Bestromung der Führungsspule (12) die resultierende Gesamtkraft in z-Richtung auf die Ankereinheit (6) variiert werden kann. In x- und y-Richtung, sowie sämtlichen Rotationen ist die Ankereinheit frei, und kann durch externe Kräfte angetrieben, bzw. geführt werden.
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Ein- oder mehrere Führungsspulen (12) können um die Statorplatten (11) herum angeordnet sein. Sie müssen im Wesentlichen die obere und die untere Statorplatte (11a) und (11b) miteinander ferromagnetisch mit oder ohne Luftspalt verbinden. Bei mehreren Führungsspulen (12) können diese elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet und an einer gemeinsamen Leistungsendstufe betrieben werden. Durch eine separate Ansteuerung der Führungsspulen (12) lassen sich laterale Störkräfte in x- und/oder y-Richtung teilweise kompensieren, bzw. eine Antriebsfunktion in x- und/oder y-Richtung umsetzen.
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In den Führungsspulen entsteht eine ohmsche Verlustleistung, die eine störende Wärmestromquelle darstellt. Gemäß der Erfindung befindet sich die Führungsspule (12) in ausreichender Distanz zum Läufer (3), so dass dieser nicht durch einen Wärmeeintrag kontaminiert wird. In diesem Außenbereich lässt sich die Führungsspule (12) kapseln und mit einer Vorrichtung zum gezielten Abtransport des Wärmestromes versehen, beispielsweise mit einer Heatpipe. Durch die Einbringung von weiteren gestellfesten Unterbrechungen mit geringer Wärmeleitfähigkeit im Magnetkreis zwischen den Statorplatten (11a) und (11b) und der Führungsspule (12), lässt sich eine weitere thermische Barriere aufbauen, die die Wärmeausbreitung im Bereich der Statorplatten (11) verhindert. Thermisch induzierte mechanische Spannungen am Läufer (3) lassen sich durch diese Maßnahmen nahezu vollständig vermeiden.
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Wie in 4 dargestellt, besteht die passive Ankereinheit (6) der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem ferromagnetischen Zwischenteil (14), auf dessen Ober- und Unterseite sich jeweils mindestens ein Permanentmagnet (15a) und (15b) befindet. An der Ober- und Unterseite der beiden Enden des ferromagnetischen Zwischenteils (14) sind ferromagnetische Polflächen (16) ausgebildet, an denen genauso wie an den permanentmagnetischen Polflächen (17), Reluktanzkräfte in z-Richtung entstehen. Der permanentmagnetische Fluss wird ober- und unterhalb des ferromagnetischen Zwischenteils (14) überwiegend über jeweils mindestens eine ferromagnetische Polfläche (16) und die stationäre Statorplatte (11a) oder (11b) geschlossen. Abhängig von der Lage der mitbewegten Ankereinheit (6) kann ein Teil des permanentmagnetischen Flusses von der oberen Statorplatte (11a) über den Spulenkreis auf die untere Statorplatte (11b) oder anders herum fließen. In dieser Anordnung bildet die Führungsspule (12) mit den Permanentmagneten (15a) und (15b) zusammen eine Parallelkreisstruktur. Der Großteil des elektromagnetisch erzeugten Flusses schließt sich über den Spulenabschnitt, beide Statorplatten (11a) und (11b) und die ferromagnetischen Polflächen (16). An den ferromagnetischen Polflächen (16) überlagert sich der permanentmagnetisch und elektromagnetisch erregte Magnetfluss, so dass sich beispielsweise auf der Oberseite der passiven Ankereinheit (6) eine Verstärkung des magnetischen Flusses bei gleichzeitiger Abschwächung auf deren Unterseite ergibt. Dadurch verstärken sich die anziehenden Reluktanzkräfte auf der Oberseite, während diese auf der Unterseite abgeschwächt werden, so dass eine resultierende Kraft nach oben entsteht. Dies setzt voraus, dass die Permanentmagnete (15a) und (15b) auf der Ober- und Unterseite des ferromagnetischen Zwischenteils (14) entgegengesetzt polarisiert sind, sich also bei beiden Permanentmagneten (15a) und (15b) der gleiche Magnetpol (Nord oder Süd) auf der Außenseite als permanentmagnetische Polfläche (17) befindet.
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5 zeigt die magnetische Flussführung in einer Seitenansicht der PAMFE (5). Hierbei sind nur die hauptsächlich vorherrschenden Flussanteile, nicht aber die auftretenden Streuflüsse berücksichtigt. In durchgezogenen Pfeilen sind die permanentmagnetisch erzeugten Flussanteile (19) dargestellt. Der überwiegende Anteil des permanentmagnetischen Flusses (19) wird im Bereich der oberen und unteren Statorplatte (11a) und (11b) geschlossen. Er bewegt sich mit der Ankereinheit (6) mit. Bei Auslenkung der Ankereinheit (6) in z-Richtung aus der Mittellage zwischen den beiden Statorplatten (11a) und (11b) wird ein geringer Anteil des permanentmagnetischen Flusses (19) über den Spulenkern (13) und die auf der andern Seite befindlichen ferromagnetischen Polflächen (16) geschlossen. Die durch die Führungsspule (12) in Betrag und Richtung veränderlichen elektromagnetisch erzeugten Flussanteile (20) überlagern den permanentmagnetischen Anteil (19), vor allem im Bereich des ferromagnetischen Zwischenteils (14). Im dargestellten Arbeitspunkt wird durch den elektromagnetischen Flussanteil (20) die Reluktanzkraft an den oberen ferromagnetischen Polflächen (16) verstärkt und an den unteren abgeschwächt.
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Die passive Ankereinheit (6) kann sowohl Topf-, E- oder U-förmig ausgeführt sein. Dies ist unabhängig von der vorgesehenen Bewegungsform des Antriebssystems (linear oder planar). Es ist erforderlich, dass die Ankerpolflächen (16) und (17) sich in der x-/y-Ebene vollständig innerhalb der Statorplatten (11a) und (11b) befinden. Bei seitlicher (x, y) Überschreitung einer Statorplattenkannte entstehen signifikante Rückstellkräfte, die die Ankereinheit (6) zurück zwischen die Statorplatten (11a) und (11b) drängt. Weisen die Statorplatten (11) in einer Koordinate (x oder y) dieselben Hauptabmessungen wie die Ankereinheit auf, führt eine Auslenkung der Ankereinheit (6) in dieser Achse durch Überschreiten einer Statorplattenkannte zu einer Rückstellkraft, die somit passiv eine Seitenführung realisiert. In einer derartigen Konfiguration ist die PAMFE (5) eine Linearführung mit einer aktiv beschränkten Freiheit in z-Richtung und einer passiv beschränkten Freiheit in x- oder y-Richtung. 6 zeigt ein solches Beispiel mit einem Doppel-E-förmigen Anker (18) und passiven Führungskräften in der x- Richtung.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass es aufgrund ihres Aufbaus gelingt, den Wärmeeintrag in den Läufer zu minimieren. Durch die Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung zur magnetischen Führung ist es möglich, den Läufer einer Positioniervorrichtung komplett passiv auszubilden, da er ohne die Zufuhr von Energie oder Medien auskommt und somit keine Verbindung zum Gestell benötigt. Die aus der erfindungsgemäßen Magnetführung resultierenden Kraftangriffspunkte sind näherungsweise läuferfest.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Läufertisch
- 2
- gestellfeste Ebene
- 3
- Läufer
- 4
- Werkzeug
- 5
- erfindungsgemäße Vorrichtung: planare aktive Magnetführungseinheit
- 6
- Anker
- 7
- Spiegelecke
- 8
- mechanische Tragstruktur
- 9
- Interferometerkopf
- 10
- Statoreinheit
- 11
- Statorplatten
- 11a
- erste (obere) Statorplatte
- 11b
- zweite (untere) Statorplatte
- 12
- Führungsspule
- 13
- Spulenkern
- 14
- ferromagnetisches Zwischenteil
- 15a
- erster Permanentmagnet oberhalb des ferromagnetischen Zwischenteils
- 15b
- zweiter Permanentmagnet unterhalb des ferromagnetischen Zwischenteils
- 16
- ferromagnetische Polflächen
- 17
- permanentmagnetische Polflächen
- 18
- Doppel-E-Anker
- 19
- permanentmagnetischer Fluss
- 20
- elektromagnetischer Fluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 98/37335 A [0012, 0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Kovalev, S., Magnetisch geführter Mehrkoordinaten-Präzisionsantrieb, TU Ilmenau, 2001 [0012]