磁性引导装置的制作方法

1.本发明涉及根据权利要求1的前序部分的磁性引导装置，其具有定子和沿引导方向相对于定子能够移动的滑动件，定子和滑动件被磁化或能够磁化，使得延伸通过定子和滑动件的磁场沿引导方向在滑动件上产生磁性支撑力。


背景技术：

2.从us2004/0004405a1中已知一种产生磁性支撑力的装置。其可以与线性驱动器结合以完全地或大幅度地补偿由所述线性驱动器移动的负载，例如当所述线性驱动器垂直布置时，使得线性驱动器被减轻并且基本上仅必须考虑由于移动负载而引起的动态负载来设计。us2004/0004405a1的图19和相应描述部分公开了线性驱动器，其使得磁性支撑力装置联接到其上，其中移动部在定子中被引导。适于引导的引导装置能够例如经由轮廓导轨实现。
3.然而，在没有任何附加措施的情况下，在轮廓导轨或类似设计的引导装置中发生差速滑动、跳动和可变摩擦，这使移动部相对于定子的运行特性变差。所述引导件的跳动可以尤其引起这些移动部的挤塞，并且最终由于再作业而导致增加的努力，所述再作业是由于位置的不良可控制性而引起的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种磁性引导装置，其沿着引导方向提供磁性支撑力，同时通过避免差速滑动、跳动和可变摩擦来提供滑动件相对于定子的改善的运行特性。
5.为了实现该目的，本发明提供了根据权利要求1所述的磁性引导装置。
6.通过延伸通过定子和滑动件的磁场附加地产生促使滑动件和定子彼此抵靠的磁性预张紧力，同样地实现所述目的。由此，在滑动件和定子之间施加相应压力，使得能够避免差速滑动、跳动和可变摩擦，并且滑动件能够以改善的运行特性在定子处被引导。通过本发明的磁性引导装置，与具有滑动件的机械预张紧的引导装置(例如，抗弯弹簧布置)相比，没有额外的高阶共振或动力学引入该系统(引导件、驱动器)中，导致位置控制的优势。此外，对于较长的冲程，相对于具有滑动件的机械预张紧的引导装置，存在安装空间的优势。根据本发明的磁性引导装置因此形成一种磁性布置，用于同时产生在运行方向上的优选恒定的支撑力以及横向预张紧力，尤其用于单轨引导系统，以改善滑动件的运行特性。然而，所述横向预张紧力不仅为单轨引导系统提供了优势，而且例如也为实施为空气轴承的引导器件提供了优势，因为由此可以不用麻烦地提供真空来产生所述预张紧力。
7.本发明的有利进一步发展是从属权利要求的主题。
8.能够有益的是，延伸通过定子的磁场由一个或多个永磁体形成，并且磁性支撑力仅由一个或多个永磁体形成的磁场产生。
9.能够有利的是，定子和/或滑动件实施为至少部分地是磁性的，另外可选地为导磁性的。在该实施例中，仅需要很少或不需要用于产生磁场的外部器件。
10.然而，也能够有益的是，支撑力和/或预张紧力跨越限定滑动件的行进范围的区域沿着引导方向是恒定的。因此，沿着行进范围能够实现特别均匀的且无跳动的移动。这同时导致与引导装置联接的驱动器的更简单的可控性和增加的定位精度。所述滑动件的行进范围的两个极限是由沿着引导方向的位置引起的，在这些位置中定子和滑动件之间的重叠分别是最小或最大的(参考图1a)。
11.然而，可以证明有帮助的是，支撑力在滑动件相对于定子的移动中沿着引导方向变化，优选地恒定地变化，优选地线性地变化。因此可以想到的是，支撑力在滑动件相对于定子在引导方向上的移动中减小，以及在滑动件相对于定子背离引导方向的移动中增加。优选地，支撑力随着定子和滑动件逐渐重叠而增加(参考图4)。
12.在此有利的是，定子的截面形状在相对于所述引导方向垂直定向的切割平面中变化，尤其跨越所述行进范围，和/或在所述滑动件与所述定子之间的距离中变化。
13.然而，还能够证明有用的是，滑动件能够沿着引导方向在相反方向上移动。在这种实施例中，滑动件可以在引导距离的两个端部之间双向地定位，以及能够沿着引导距离反复地移动。支撑力优选地以加速方式在引导方向(例如，+z方向上)上作用在滑动件上，以及以延迟方式背离引导方向(例如，-z方向)作用在滑动件上。
14.能够有益的是，定子具有用于沿着引导方向引导滑动件的引导轮廓，其中除了沿着引导方向的移动之外，引导轮廓优选地阻挡滑动件的移动的所有自由度。优选地，滑动件在垂直于引导方向定向的切割平面中以正向方式(positive manner)夹持在定子上，就像例如磁浮列车轨道系统以正向方式夹持在轨道上。
15.还能够可行的是，引导方向沿着直线或沿着圆形路径延伸。在第一种情况下，引导装置例如用作线性引导件，在第二种情况下，用作旋转引导件或转动引导件。通过这些实施例，根据本发明的引导装置具有广泛的应用领域。在施加扭矩的滚珠轴承领域中，可以特别有利地采用旋转引导件或转动引导件。
16.能够证明有用的是，磁性预张紧力至少部分地、或完全地作用在滑动件的重力的方向上。在本实施例中，所述磁场与磁浮列车轨道系统相比具有相反的效果，因为它不像磁浮列车轨道系统中那样减小或消除滑动件在定子上的重力，而是除了滑动件的重力之外还增加了滑动件与定子之间的力效果。在该实施例中，实现了特别好的改善滑动件的运行特性。虽然基本上还可以通过滑动件的更大质量来增加滑动件和定子之间的预张紧力，但是这种措施被认为是不利的，因为滑动件的更大质量导致引导装置的更高总重量、劣化的动力学以及最终更高的成本。此外，通过质量实现增加预张紧力仅适用于水平移动，然而不适用于垂直移动，因为在这种情况下，重力平行于引导方向并且不垂直于引导方向起作用；因此，较高的总重量不会在垂直移动中导致滑动件和定子之间的较高接触压力。通过根据本发明的解决方案，不存在补偿力的摩擦支承(例如，像在螺旋张紧弹簧的抗弯弹簧布置中)，使得与摩擦系统相比，在定位控制方面产生了优势。
17.在此，能够有益的是，定子和滑动件在它们相互重叠时即在行进范围内一起形成大致闭合环轮廓，磁场在所述大致闭合环轮廓内被引导，其中所述大致闭合环轮廓优选地存在于垂直于引导方向的平面中，其中所述大致闭合环轮廓的轮廓轴线优选地沿着或平行于引导方向延伸。通过这种设计，能够特别容易地产生在引导方向上和垂直于引导方向上的高磁力。
18.能够证明可行的是，定子或滑动件具有带有间隙的开口环轮廓，其中定子和滑动件中的相应另一元件桥接所述间隙以一起形成所述大致闭合环轮廓。通过这种设计，滑动件和定子能够以特别有效且节省空间的方式磁性联接。沿着闭合线延伸的轮廓被称为环轮廓。该闭合线例如可以是多边形的、矩形的、圆形的、椭圆形的或环形的。如果定子和滑动件中的相应另一元件显著地减小了由定子或滑动件形成的间隙，则环轮廓可以被称为近似闭合的，并且两个元件沿着闭合线布置，特别地，如果两个元件在所述布置中通过间隙的桥接(更强地)磁性联接。在这种情况下，即使滑动件和定子之间没有接触，在本发明的意义上也存在间隙的桥接，因为滑动件和定子相对于彼此是可移动的并且必须保持相对于彼此是可移动的。
19.然而，还有利的是，定子或滑动件具有作为开口环轮廓的c形轮廓或u形轮廓，其中定子和滑动件中的相应另一元件将c形轮廓或u形轮廓补充成作为大致闭合环轮廓的o形轮廓。在此，垂直于引导方向的截面轮廓被称为轮廓。这种基本轮廓可以以低成本获得并且能够以简单的方式联接至环轮廓。
20.能够证明有用的是，定子和/或滑动件的磁极沿着延伸通过定子和滑动件的磁场的磁通线在相同方向上或在相反方向上定向。在该设计中，作用在定子和滑动件之间的磁力以简单的方式增强。如果定子和/或滑动件的磁极沿着延伸通过定子和滑动件的磁场的磁通线指向相反的方向，则预张紧力和支撑力的方向是相反的。
21.还合适的是，定子和/或滑动件由至少一个永磁体和/或至少一个导磁元件组成，其中永磁体和/或导磁元件优选地沿着引导方向具有恒定的截面形状，其中永磁体和/或导磁元件优选地具有多边形、矩形、尤其立方形的截面形状。在此，垂直于引导方向的截面轮廓被称为轮廓。外角或内角为90
°
或270
°
的截面形状被称为多边形矩形。
22.还能够有利的是，滑动件能够在垂直于所述引导方向的平面中，优选地沿着和/或垂直于延伸通过所述定子和所述滑动件的磁场的磁通线，相对于所述定子是可调节的，优选地使得补偿力和/或预张紧力能够通过调节所述定子与所述滑动件之间的距离来调节。在该设计中，根据本发明的引导装置可有目的地配置成用于某些应用。此外，通过调节滑动件和定子的相对位置，能够特别容易地补偿作业公差。
23.然而，还能够有益的是，引导装置实施为线性引导件或旋转引导件或转动引导件。通过这些设计，本发明提供了广泛的应用领域。
24.术语和定义
25.支撑力
26.在本发明的范围内，术语支撑力表示作用在滑动件上的力，所述力特别地增强、减小、补偿或甚至过度补偿沿引导方向作用在滑动件上的其他力。然而，支撑力还可以作用在滑动件上同时相对于引导方向没有力，例如在水平定向的磁性引导装置中，例如以便在一个方向上实现更高的动力学，或在干线故障的情况下强制移动到某个末端位置。
附图说明
27.在附图中：
28.图1示意性地示出了根据本发明的实施为线性引导件的磁性引导装置的构造，一方面以侧视图a)示出了行进范围的两端的不同位置，另一方面以截面图b)示出了垂直于引
导方向的构造。
29.图2以示意性截面图a)至h)示出了根据本发明的具有滑动件和定子的各种构造的引导装置的其他实施例。
30.图3以视图a)示出了引导装置的截面图，以视图b)示出了其立体图，引导装置实施为根据本发明的旋转引导件或转动引导件，其例如可用于预张紧以及产生滚珠轴承的恒定扭矩。
31.图4在a)、b)和c)中示意性地示出了根据本发明的引导装置的不同实施例，其中，支撑力u在行进范围内变化，其中在实施例a)和b)中，垂直于引导方向的平面中的截面图在图像的左半部中表示，侧视图在图像的右半部中表示，其中在实施例c)中，垂直于引导方向的平面中的截面图在图像的左半部中表示，俯视图在图像的右半部中表示。
具体实施方式
32.以下将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
33.图1以视图a)从观察y-z平面的一侧示出了磁性引导装置1的根据本发明的实施例，其实施为线性引导件，以视图b)中示出了在绘制坐标系中的x-y平面中该引导装置1的截面。
34.图1所示的引导装置1包括定子2和滑动件3，滑动件3能够相对于定子2沿着(即，顺着以及背离)引导方向z移动。引导装置1的引导方向在绘制坐标系中在+z方向上延伸。图1b)中的截面在x-y平面中垂直于引导方向延伸。定子2和滑动件3被磁化或能够磁化，使得延伸通过定子2和滑动件3的磁场m在滑动件3上产生沿引导方向作用的磁性支撑力u。在本实施例中，例如仅定子2包括永磁体。滑动件能够实施为铁磁性的，例如作为铁部件，以增加磁力，但其也能够实施为永磁体。根据本发明，延伸通过定子2和滑动件3的磁场m产生促使滑动件3和定子2彼此抵靠的磁性预张紧力f。支撑力u抵抗作用在滑动件3上的力(诸如弹簧力或垂直布置中的重力)而作用。在某些应用情况下，还可以有利的是，支撑力u完全补偿作用在滑动件3上的力，这指的是例如弹簧力或重力，因此将滑动件3维持在力平衡中。在本例中，支撑力u作用在+z方向上，即在引导方向上。在本示范性实施例中，预张紧力f作用在-y方向上。
35.定子2在x-y平面中的截面中对称地并且部分磁性地实施，定子2具有轮廓导轨2c，滑动件3的对应引导托架3c沿着引导方向z可移动地安装在轮廓导轨2c上。利用引导托架3c，滑动件3沿着引导方向被引导，同时滑动件3的移动的所有其他可能的自由度被阻挡。如在根据图1b)的截面图中示意性地表示的，在轮廓导轨2c的每侧，具有矩形截面的永磁体2a布置在具有c形截面轮廓的铁的导磁元件2b中。c形轮廓的两个支腿背离轮廓导轨2c。永磁体2a各自布置在c形轮廓的下腿上。导磁元件2b与支撑轮廓导轨2c的底座2d接触。永磁体2a的磁北极n定向在+y方向上，而磁南极面向-y方向。截面为c形的导磁元件2b因此在内侧下腿处支撑永磁体2a，以与永磁体2a一起形成开口环轮廓，该开口环轮廓具有在磁北极n与导磁元件2b的内侧上腿之间保留的间隙。
36.滑动件3实施为至少部分地导磁，并且在本例中包括与引导托架3c一起在轮廓导轨2c上引导的平台3b以及在x-y平面中的截面中侧向布置的两个l形的导磁支腿3a。支腿3a横向于引导方向夹持在定子2上，并且以端部面向彼此的方式各自贯穿定子2的永磁体2a和
导磁元件2b的内侧上腿之间的相应间隙中。面向彼此的支腿3a的端部磁性地桥接该间隙，并且将定子2的开口环轮廓完成为大致闭合环轮廓，磁场m在该大致闭合环轮廓内延伸，在图1b中以点划线示意性地示出。
37.预张紧力f在该实施例中在滑动件3的整个行进范围s上沿着引导方向z不是恒定的，而是响应于滑动件3相对于定子2的位置而变化，其中预张紧力f随着滑动件3与定子2的重叠增加而增加，并且随着滑动件3与定子2的重叠减小而减小。然而，在行进范围s的每个位置，即在定子和滑动件的相互重叠的每个位置，确保预拉伸力f超过某个最小值。然而，支撑力u在滑动件3的整个行进范围s上沿着引导方向z是恒定的。
38.滑动件3的支腿3a在本例中在y方向和/或x方向上可调节地固定到滑动件3的平台3b上。由此，滑动件3能够在垂直于引导方向的x-y平面中相对于定子2调节到两个垂直方向，两者都在+/-y方向上以及在垂直于其的+/-x方向(插入方向)上沿着延伸通过定子2和滑动件3的磁场m的磁通线，使得支撑力u和预张紧力f都可通过调节定子2和滑动件3之间的距离来调节。可以想到的是，代替滑动件3的支腿3a，导磁元件2b固定至底座2d以在y方向上和/或在x方向上可调节，从而实现支撑力u和预张紧力f的可调节性。最后可想到的是，滑动件3的支腿3a和导磁元件2b两者被布置成在y方向上和/或在x方向上是可调节的。当然，滑动件3和定子2的磁性特性可被交换，这意味着磁路可被固定到滑动件3上，而不固定到定子2上，或额外地固定到定子2上。
39.操作原理
40.滑动件3的支腿3a通过穿过滑动件3和定子2的磁力被拉向定子2的相应永磁体2a。该吸引力产生预张紧力f，滑动件3的平台3b和引导托架3c通过预张紧力f被压靠在定子2的轮廓导轨2c上。
41.在行进范围s内，在行进方向上存在恒定的支撑力u，因为滑动件3被磁力拉入该布置中，类似于us2004/0004405a1中所公开的。
42.通过滑动件3相对于定子2或其磁性有效部分(诸如永磁体2a和导磁c形轮廓2b)的相对定位，作用在定子2的方向上的预张紧力f和作用在引导方向z上的支撑力u都是可调节的。预张紧力f主要是通过将滑动件3在+/-y方向上接近定子2的永磁体2a来设定。支撑力u主要经由滑动件3在+/-x方向上进入由定子2的永磁体2a和导磁元件2b形成的间隙中的贯穿深度来设定。
43.图2以示意性截面图a)至h)示出了根据本发明的引导装置1的其他实施例，其基于根据图1的实施例，然而具有不同构造的定子2和滑动件3。为了表示的目的，在图2中仅以简化的方式表示定子2和滑动件3的磁性有效部分。不言而喻的是，定子2和/或滑动件3可以具有除了在视图a)至h)中表示的部分之外的另外部分。在图2的以下视图a)至h)中，参考标号fe表示导磁的铁磁或顺磁元件，例如铁，而符号n和s分别表示永磁体的磁极(n表示北极，s表示南极)。视图a)至h)中表示的截面均在定子2和滑动件3的重叠区域内(即，在行进范围s内)垂直于引导方向延伸或在x-y平面中延伸。优选地，所有轮廓沿着引导方向具有恒定的截面形状。
44.在根据图2a的实施例中，定子2包括两个导磁的铁磁或顺磁元件fe，截面优选相同且为矩形，在它们之间布置有永磁体n/s以形成带有间隙的c形开口环轮廓。c形轮廓的支腿之间的开口位于视图a)中的左侧。永磁体n/s具有比定子2的任何导磁元件高的高度，并且
优选地具有小于一半的宽度。铁磁或顺磁滑动件3(其也具有矩形截面)位于c形定子2的支腿之间的间隙中以桥接该间隙并将定子2的开口c形环轮廓完成为大致闭合环轮廓。所产生的磁场m在此由虚线象征性地表示。可选地，滑动件3在x-y平面中能够相对于定子2调节，优选地沿着以及垂直于延伸通过定子2和滑动件3的磁场m的磁通线，使得支撑力u以及预张紧力f能够通过调节定子2和滑动件3之间的距离来调节。
45.与根据图2a的设计相比，在根据图2b的实施例中，滑动件3实施为具有矩形截面的永磁体。定子2和滑动件3的磁极n/s沿延伸通过定子2和滑动件3的磁场m的磁通线被调整。该设计的其他特征对应根据图2a的设计。
46.与根据图2b的设计相比，在根据图2c的设计中，定子2实施为铁磁或顺磁材料的导磁的一体形成的c形轮廓。仅滑动件3包括永磁体。该设计的其他特征对应于根据图2b的设计。
47.在根据图2d的设计中，定子2由具有矩形截面的两个永磁体和具有c形或矩形截面的一个铁磁或顺磁材料(例如，铁)的导磁元件组成。这些磁化或导磁部件一起形成在上侧具有开口的c形轮廓。具有矩形截面且实施为导磁元件的滑动件3在前侧桥接在定子2的支腿之间形成的间隙，以形成大致闭合环轮廓。
48.在根据图2e的设计中，定子2由具有矩形截面的两个导磁元件和具有矩形或正方形截面的一个永磁体组成。永磁体的北极n和南极s面向不同侧或导磁元件。这些磁化或导磁元件一起形成在上侧具有开口的c形轮廓。实施为导磁的且具有矩形截面的滑动件3位于形成在定子2的支腿之间的间隙中，以将定子2的开口环轮廓完成为大致闭合环轮廓。
49.在根据图2f的设计中，定子2包括铁磁或顺磁材料的导磁c形轮廓，在右侧具有开口。具有矩形截面的永磁体定位成其磁北极n邻接c形轮廓的上支腿的内侧，而具有矩形截面的另一永磁体的磁南极s接触c形轮廓的下支腿的内侧。实施为导磁的铁磁或顺磁元件且具有矩形截面的滑动件3定位于形成在定子2的永磁体之间的间隙中，以将定子2的开口环轮廓完成为大致闭合的环轮廓。
50.与根据图2f的设计相比，在根据图2g的设计中，滑动件3本身实施为永磁体，其中，定子2和滑动件3的磁极n/s沿着延伸通过定子2和滑动件3的磁场m的磁通线被调整。该设计的其他特征对应根据图2f的设计。
51.与根据图2e的设计相比，根据图2h的设计中的滑动件3不位于c形轮廓的支腿之间，而是在前侧桥接在定子2的支腿之间形成的间隙，与根据图2d的设计类似，以形成大致闭合环轮廓。该设计的其他特征对应根据图2e的设计或根据2d的设计。
52.图2中表示的设计仅通过实例的方式给出，而不应理解为限制。不言而喻的是，在本发明的范围内可以实现其他实施例。
53.在根据图3的实施方式中，根据本发明的引导装置是旋转致动器的一部分，其中引导方向沿着圆形路径延伸。该设计例如有利于对滚珠轴承进行预拉伸而同时产生恒定的扭矩。
54.将理解的是，引导装置的倒置(其中上述定子充当转子而上述转子充当定子)是在针对根据本发明的教导背景的专业活动的范围内。
55.图4示出了三个不同的实施例a)、b)以及c)，其中支撑力u在行进范围内变化。在这三个实施例中，定子2在切割平面中的截面形状沿着引导方向z尤其在行进范围内不是恒定
的，切割平面垂直于引导方向z定向，和/或滑动件3与定子2之间的距离不是恒定的。由此，取决于滑动件3相对于定子2沿行进范围的位置，具有不同量的支撑力u被施加在滑动件3上。当然，这也对预张紧力f具有影响。然而，预张紧力f还尤其取决于滑动件3和定子2的重叠，因此无论如何都不是恒定的。
56.在图4示出的实施例a)和c)中，支撑力u随着滑动件3插入定子2中的程度而改变，例如因为定子2的导磁截面面积和/或滑动件3与定子2之间的距离至少在一些区域中沿着引导方向z改变。
57.在图4示出的实施例b)中，支撑力u首先在行进范围内减小，然后再次增加。
58.通过这种设计，施加在滑动件3上的支撑力u可选择性地适应相应的应用情况。
59.当然，图4所示的原理可以转移到图2所示的所有定子轮廓上。
60.参考标记列表
61.1引导装置
62.2定子
63.2a永磁体
64.2b导磁元件
65.2c轮廓导轨
66.2d底座
67.3滑动件
68.3a支腿
69.3b平台
70.3c引导托架
71.x-y垂直于引导方向的平面
72.z引导方向
73.u支撑力
74.m磁场
75.s行进范围
76.f预张紧力。