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Dokumentenidentifikation DE69608689T2 08.02.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0845085
Titel MAGNETISCHES AUFHÄNGSYSTEM
Anmelder Magnetic Patent Holdings Ltd., Ramsey, Isle, GB
Erfinder SHIRAZEE, Nabeel, Cathays, Cardiff CF2 4LH, GB
Vertreter Glawe, Delfs, Moll & Partner, Patentanwälte, 20148 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69608689
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, IT, LI, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 02.09.1996
EP-Aktenzeichen 969286269
WO-Anmeldetag 02.09.1996
PCT-Aktenzeichen GB9602150
WO-Veröffentlichungsnummer 9709540
WO-Veröffentlichungsdatum 13.03.1997
EP-Offenlegungsdatum 03.06.1998
EP date of grant 31.05.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.02.2001
IPC-Hauptklasse F16C 39/06

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein System zum magnetischen Aufhängen von Gegenständen, welches System von dem Typ ist, der einen Elektromagneten und einen ersten Permanentmagneten, der an einer festen oder bewegbaren Tragkonstruktion angebracht ist, einen Gegenstand, der mit einem zweiten Permanentmagneten versehen ist und für Aufhängung an einer vorbestimmten Stelle unterhalb des Elektromagneten angeordnet ist, Detektormittel, die an einer festen Stelle zum Detektieren des Magnetfeldes des zweiten Permanentmagneten angebracht sind, und Steuermittel zum Zuführen eines elektrischen Stroms zum Elektromagneten aufweist, wenn das durch die Detektormittel detektierte Magnetfeld sich gegenüber dem Feld ändert, das detektiert wird, wenn sich der Gegenstand an der vorbestimmten Stelle befindet, wobei der elektrische Strom entsprechend einem Ausgangssignal der Detektormittel verändert wird, um den Gegenstand an der vorbestimmten Stelle relativ zum Elektromagneten zu halten.

DE 42 10 741 offenbart ein magnetisches Aufhängungssystem des oben erwähnten Typs, wobei der Gegenstand an der gewünschten Stelle durch eine Anziehungskraft des Elektromagneten aufgehängt und gehalten wird. Die beiden Permanentmagneten ziehen sich gegenseitig an und dienen dazu, den aufgehängten Gegenstand zu zentrieren. Ein Nachteil dieses Typs von System besteht jedoch darin, daß eine beträchtliche Strommenge verwendet wird, um den Gegenstand an der vorbestimmten Stelle aufzuhängen. Außerdem wird der aufgehängte Gegenstand unwiderruflich mit der Tragkonstruktion durch die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten gezogen, wen der Gegenstand sich zu nahe zur Tragstruktur bewegt.

Wir haben daher nun ein System des erwähnten Typs geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Gegenstand im wesentlichen an der vorbestimmten Stelle durch eine Anziehungskraft aufgehängt wird, die zwischen den beiden Permanentmagneten sich entwickelt, wobei die Steuermittel so ausgebildet sind, daß sie Strom zum Elektromagneten in einer Richtung zuführen, die ein Magnetfeld entwickelt, das die Anziehungskraft zwischen dem Gegenstand und der Tragstruktur verringert, um so den Gegenstand weg von der Tragstruktur zu bewegen, wenn das durch die Detektormittel detektierte Magnetfeld oberhalb einer vorbestimmten Grenze ist.

Wir haben herausgefunden, daß dieses System einen Gegenstand an einer kontrollierten Stellung relativ zu der festen oder bewegbaren Konstruktion aufhängen wird, wobei ein großer Luftzwischenraum zwischen dem Gegenstand und dem Elektromagneten besteht.

Das System verwendet so sehr wenig Strom, da der Elektromagnet nur wesentlich erregt wird, wenn die Stellung des Gegenstandes von der Stelle abweicht, an der er im wesentlichen durch das Permanentmagnetfeld aufgehängt wird, das zwischen dem Gegenstand und der Tragkonstruktion vorhanden ist.

Die Tragkonstruktion ist vorzugsweise weiter mit einem Körper aus magnetisch permeablem Material versehen, so daß der Gegenstand auch teilweise durch ein anziehendes Magnetfeld aufgehängt wird, das zwischen dem Permanentmagneten und dem Körper aus magnetisch permeablem Material an der Tragkonstruktion vorhanden ist.

Vorzugsweise ist der Strom des Elektromagneten pulsbreitenmoduliert.

Vorzugsweise sind die Steuermittel so ausgebildet, daß sie Strom dem Elektromagneten in einer Richtung zuführen, der ein Magnetfeld entwickelt, das die Anziehungskraft zwischen dem Gegenstand und der Tragkonstruktion erhöht, um so den Gegenstand zur Tragkonstruktion zu bewegen, wenn das durch die Detektormittel detektierte Magnetfeld unterhalb einer vorbestimmten Grenze ist.

Vorzugsweise sind die Steuermittel so angeordnet, daß sie den Gegenstand an einer Stelle halten, an der Strom dem Elektromagneten in einer Richtung zugeführt wird, die die Anziehungskraft zwischen den beiden Permanentmagneten verringert, so daß im Falle eines Versagens der Stromversorgung der Gegenstand durch das Permanentmagnetfeld zur Tragkonstruktion angezogen wird.

Vorzugsweise weisen die Steuermittel erste und zweite Schalter und dritte und vierte Schalter auf, wobei die beiden entsprechenden Paare von Schaltern in Reihe über eine Gleichstromversorgung geschaltet sind, wobei entgegengesetzte Enden der Spule mit Verbindungspunkten zwischen den ersten und zweiten Schaltern und dritten und vierten Schaltern verbunden sind und die Steuermittel so angeordnet sind, daß die ersten und dritten Schalter oder die zweiten und vierten Schalter in Abhängigkeit von der gewünschten Stromrichtung betätigen.

Es ist besonders wünschenswert, daß die Magnetfelddetektormittel sehr empfindlich sind. Vorzugsweise weisen die Detektormittel einen oder mehrere Halleffektsensoren auf. Z. B. können zwei Halleffektsensoren an gegenüberliegenden Stellen auf jeder Seite der Achse des Elektromagnets angebracht sein, wobei die Ausgangssignale der beiden Halleffektsensoren kombiniert werden (z. B. zueinander addiert oder gemittelt werden), um das Ausgangssignal zu liefern, das an die Steuermittel für den Elektromagneten angelegt wird. Alternativ können die Detektormittel einen amorphen Bandsensor aufweisen.

Vorzugsweise sind die Detektormittel magnetisch von den Magnetfeldern abgeschirmt, die durch den Elektromagneten und den Permanentmagneten in der Tragkonstruktion erzeugt werden. Vorzugsweise sind die Detektormittel durch ein nichtmagnetisches Material wie z. B. Aluminium abgeschirmt, das sich ändernde Magnetfelder abschirmt, jedoch statische Magnetfelder nicht abschirmt. Vorzugsweise sind die Detektormittel durch ein magnetisch permeables Material wie z. B. Mymetall abgeschirmt, das statische Magnetfelder abschirmt, jedoch sich ändernde Magnetfelder nicht so leicht abschirmt.

Vorzugsweise weist der aufgehängte Gegenstand einen Körper von magnetisch permeablem Material auf, an dem sein Permanentmagnet angebracht ist, um als ein Flußkonzentrierer zu wirken und das durch seinen Permanentmagnet erzeugte Feld sich weiter zur Tragkonstruktion erstrecken zu lassen.

Vorzugsweise schließt die Tragkonstruktion einen Körper aus magnetisch permeablem Material ein, an dem der Permanentmagnet angebracht ist, um als ein Flußkonzentrierer zu wirken und das durch diesen Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld weiter zum aufgehängten Gegenstand sich ausbreiten zu lassen.

Vorzugsweise schließt der Elektromagnet einen Kern aus magnetisch permeablem Material ein.

Vorzugsweise weist das magnetisch permeable Material Weicheisen, Siliciumeisen (SiFe), Ferrokobalt (FeCo), Permendur oder eine Zusammensetzung aus Nickeleisen auf.

Vorzugsweise sind die Permanentmagneten aus einem seltenen Erdmaterial wie z. B. Neodymeisenbor (NdFeB) oder einem anderen Hochenergiematerial gebildet.

Für die Elektromagnetspule ist es wünschenswert, sehr feinen (kleiner Durchmesser) Draht zu verwenden, um die Anzahl von Windungen zu erhöhen, die auf eine Spule vorbestimmter Größe gewickelt werden können (und um so die Magnetfeldstärke zu erhöhen, die mit demselben Treiberstrom erzeugt werden kann), oder alternativ die Größe der Spule zu verringern. Die Verringerung des Durchmessers des Drahtes erhöht jedoch dessen Widerstand und daher die Treiberspannung beträchtlich, die erforderlich ist, denselben Strom durch die Spule hindurchzuleiten.

Vorzugsweise weist daher der in dem Aufhängungssystem der vorliegenden Erfindung verwendete Elektromagnet drei oder mehr Drähte auf, die um eine gemeinsame Achse gewickelt sind und parallel miteinander verbunden sind. Die Drähte können so gewickelt sein, daß sie entsprechende Spulen bilden, die Ende an Ende angeordnet sind, und sie können zusammengewickelt sein, um eine zusammengesetzte Spule zu bilden, die sich über die Länge des Elektromagneten erstreckt.

Mit diesen Spulenanordnungen ist jeder Draht kürzer in seiner Länge (und hat daher einen niedrigeren Widerstandswert) als eine Spule vergleichbarer Größe, die aus einem einzigen Draht gewickelt ist. Daher kann ein feinerer Draht verwendet werden, ohne daß es erforderlich ist, die Treiberspannung zu erhöhen, um einen vergleichbaren Strom aufrechtzuerhalten.

Ausführungsformen der Erfindung sollen nun nur beispielsweise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetischen Aufhängungssystems;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Steuerschaltung des magnetischen Aufhängungssystems von Fig. 1;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Spulenstroms gegen den Hallsensorausgang für die Schaltung in Fig. 2;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetischen Aufhängungssystems;

Fig. 5 ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetischen Aufhängungssystems

Fig. 6 ein schematisches Diagramm einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetischen Aufhängungssystems.

Bezugnehmend auf Fig. 1 der Zeichnungen ist dort ein magnetisches Aufhängungssystem zum Aufhängen eines Gegenstandes O an einer kontrollierten Stelle relativ zu einer festen Konstruktion gezeigt. Der Gegenstand O ist mit einem Seltenenerd-Permanentmagneten 10 versehen, der an einem Stück von Weicheisen 11 angebracht ist, das als ein Flußkonzentrierer wirkt. Ein Elektromagnet 12 ist in der festen Struktur angebracht. Bei der Benutzung wird der Gegenstand O magnetisch unterhalb des Elektromagneten 12 aufgehängt, der eine Spule L aufweist, die auf einen Spulenkörper gewickelt ist; im gezeigten Beispiel ist die Achse der Spule L vertikal, sie kann jedoch zur Horizontalen geneigt oder sogar fast horizontal sein. Der Elektromagnet 12 hat einen Kern 13 aus Weicheisen oder anderem magnetisch permeablem Material und kann auf einer Platte ruhen, die eine mittige Öffnung aufweist, die mit dem Kern des Elektromagneten ausgerichtet ist. Weiter ist ein zweiter Seltenerd-Permanentmagnet 14 am unteren Ende des Kerns 13 angebracht, um den Permanentmagneten 10 des Gegenstandes O anzuziehen. Der Kern 13 kann in zwei Teilen hergestellt sein, wobei der Magnet 14 zwischen ihnen angeordnet ist, so daß der Magnet 14 an einer ausgewählten Stelle entlang der Achse des Kerns angeordnet ist. Anstelle dessen kann der Kern einen hohlen Kanale in sich aufweisen, so daß die Axialstellung des Magneten 14 ausgewählt oder eingestellt werden kann. Zwei Halleffektsensoren 15, 16 sind unterhalb des Elektromagneten 12 angebracht, so daß sie im wesentlichen von dessen Magnetfeld abgeschirmt sind.

Drähte 17 verbinden die Halleffektsensoren 15, 16 mit entsprechenden Eingängen einer Steuerschaltung 18, wobei die Spule L über die Ausgänge der Steuerschaltung 18 verbunden ist.

Bezugnehmend auf Fig. 2 der Zeichnungen sind innerhalb der Steuerschaltung 18 die Ausgänge der Hallsensoren 15, 16 mit einer addierenden oder mittelwertbildenden Schaltung 20 verbunden. Der Ausgang der addierenden oder mittelwertbildenden Schaltung 20 ist mit einem Komparator 21 oder Fehlerverstärker verbunden, der das addierte oder gemittelte Signal von den Hallsensoren 15, 16 mit einem Bezugspegel vergleicht, der dadurch eingestellt ist, daß ein einstellbarer Widerstand VR1 in Reihe mit einem Widerstand R2 über eine Gleichstromversorgung verbunden ist. Der Komparator 21 weist zwei Ausgänge auf, die mit entsprechenden Pulsbreitenmodulatoren 22, 23 verbunden sind. Zwei Paare von in Reihe verbundenen bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate (IG-BTs) TR1, TR2 und TR3, TR4 sind parallel über die Gleichstromversorgung verbunden. Ein Ende der Spule L ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Transistoren TR1 und TR2 verbunden, und das andere Ende der Spule ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Transistoren TR3 und TR4 verbunden. Das Gate des Transistors TR1 ist mit dem Gate des Transistors TR4 und auch dem Ausgang eines der beiden Pulsbreitenmodulatoren 22 verbunden. Auf ähnliche Weise ist das Gate des Transistors TR2 mit dem Gate des Transistors TR3 und dem Ausgang des anderen Pulsbreitenmodulators 23 verbunden.

Bezugnehmend wiederum auf Fig. 1 der Zeichnungen sind der Permanentmagnet 10 des Gegenstandes O und der Permanentmagnet 14 der Spule L so angeordnet, daß sie einander anziehen, wobei der Permanentmagnet am Gegenstand O auch durch den Stahlkern 13 des Elektromagneten angezogen wird. Wenn der Gegenstand O ein Gewicht hat, das kleiner ist als die maximale Anziehungskraft zwischen den Magneten 10, 14, dann wird man verstehen, daß der Abstand zwischen den Magneten eingestellt werden kann, so daß an einem Punkt die Schwerkraft auf den Gegenstand genau gleich der Anziehungskraft zwischen den Magneten 10, 14 ist; an diesem sogenannten Gleichgewichtspunkt wird der Gegenstand mitten in der Luft schweben. Der Gleichgewichtspunkt ist endlich, und es ist in der Praxis schwierig, den Gegenstand ohne irgendeine Form von Steuerung schweben zu halten.

Bezugnehmend auf Fig. 3 der Zeichnungen wird man verstehen, daß das Magnetfeld an den Sensoren 15, 16 je nach Nähe des Magneten 10 des Gegenstandes O sich verändern wird. Dieses Magnetfeld wird durch die Sensoren 15, 16 detektiert, die ein entsprechendes Signal VHALL an die Steuerschaltung 18 abgeben. Die Komparatorschaltung 21 in der Steuerschaltung vergleicht das kombinierte Ausgangssignal von den Hallsensoren 15, 16 mit einem Bezugswert, der durch den einstellbaren Widerstand VR1 eingestellt ist. Wenn der Hallsensorausgang oberhalb des Bezugswertes ist, dann wird ein Signal, das die Größe der Differenz darstellt, zur Pulsbreitenmodulatorschaltung 22 ausgegeben, während, wenn das Ausgangssignal unterhalb des Bezugswertes ist, dann ein Signal, das die Größe der Differenz darstellt, zum anderen Pulsbreitenmodulator 23 ausgegeben wird.

Jeder der Pulsbreitenmodulatoren 22, 23 ist so ausgebildet, daß er eine Rechteckwelle ausgibt, deren Impulstastverhältnis von der Größe des entsprechenden Signals von der Komparatorschaltung 21 abhängt. Wenn das Signal der Komparatorschaltung 21 klein ist, dann wird das Impulstastverhältnis so geringe Werte wie 1 : 49 (2% EIN) annehmen, während, wenn das Signal groß ist, dann das Impulstastverhältnis so hoch sein wird wie 49 : 1 (98% EIN). Wenn der Ausgang eines der Pulsbreitenmodulatoren z. B. 22 hoch ist, werden die Transistoren TR1 und TR4 eingeschaltet, so daß Strom IR durch die Spule L fließt. Ebenso werden, wenn der Ausgang des anderen Pulsbreitenmodulators 23 hoch ist, die Transistoren TR2 und TR3 eingeschaltet, und es wird ein Strom IA in der umgekehrten Richtung durch die Spule L fließen.

Angenommen, daß das Gewicht des Gegenstandes und die Stärke der Permanentmagneten 10, 14 so sind, daß der oben erwähnte Gleichgewichtspunkt bei einem Abstand von 4 cm auftritt, dann wird der einstellbare Widerstand VR1 so eingestellt, daß kein Strom IA, IR durch die Spule L an diesem Punkt fließt. In der Praxis stellt der einstellbare Widerstand VR1 einen kleinen Bereich von Bezugspunkten ein, zwischen denen kein Strom fließt, um ein zyklisches Auftreten von Strom durch die Spule L zu vermeiden. Wenn der Gegenstand O von der Spule wegbewegt, wird das Magnetfeld FMAG an den Hallsensoren 15, 16 abnehmen, und das Eingangssignal zum Komparator 21 wird unter den Bezugspegel absinken, wodurch bewirkt wird, daß der Pulsbreitenmodulator 23 arbeitet, so daß Strom IA durch die Spule L fließt. Wenn der Strom IA fließt, so ergänzt das durch die Spule L erzeugte elektromagnetische Feld das Magnetfeld zwischen den Permanentmagneten 10, 14 und zieht den Gegenstand O zurück zur Spule L. Die Größe des Spulenstroms TA und daher die Stärke des erzeugten Magnetfeldes werden davon abhängen, wie weit sich der Gegenstand O von der Spule L wegbewegt hat.

Wenn der Gegenstand O näher zur Spule als der Gleichgewichtspunkt gezogen wird, dann arbeitet die Steuerschaltung 18 so, daß der umgekehrte Strom IR durch die Spule L strömt. Dieser umgekehrte Strom bewirkt ein Magnetfeld, das den Magneten 10 abstößt, so daß sich der Gegenstand von der Spule L wegbewegt.

Man wird verstehen, daß sehr wenig Strom durch die Spule L fließt, da die Spule nur erregt wird, wenn der Ort des Gegenstandes O vom Gleichgewichtspunkt abweicht. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße System durch eine kleine Gleichstrombatterie mit niedriger Spannung versorgt werden, die eine beträchtliche Zeit ausdauern wird, bevor sie erschöpft wird. Alternativ könnte die Schaltung vom Netz über eine Niedrigspannung-Gleichspannungsversorgung versorgt werden.

Tritt eine Stromversorgungsunterbrechung auf oder wird die Batterie erschöpft, dann wird man verstehen, daß der Gegenstand O auf den Boden fallen kann, was unerwünscht sein könnte. Daher wird in einer alternativen Ausführungsform der einstellbare Widerstand VR1 so eingestellt, daß der Gegenstand an einer Stelle gehalten wird, in der der minimale Abstoßungsstrom IR MIN fließt, wodurch eine Abstoßungskraft erzeugt wird, die den Gegenstand von der Spule L weghält. Diese abstoßende Kraft wird aufhören, wenn es eine Stromunterbrechung zur Spule gibt, und der Gegenstand O wird zur Spule angezogen werden, wo er durch die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 10, 14 gehalten wird.

Wir haben herausgefunden, daß bei der Benutzung des hier beschriebenen Aufhängungssystems der Gegenstand O an einer stabilen Stelle mit einem großen Luftzwischenraum (bis zu 60 mm) aufgehängt werden kann. Der Gegenstand ist im wesentlichen durch die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 10, 14 aufgehängt, und es wird daher nur ein kleiner Strom (von 10 mA) für den Elektromagneten erfordert, was einen entsprechend niedrigen Stromverbrauch mit sich bringt, wenn sich der Gegenstand am Gleichgewichtspunkt befindet. Weicht der Gegenstand jedoch vom Gleichgewichtspunkt ab, so wächst der Strom mit der Entfernung exponentiell an, so daß der Gegenstand schnell an seinen Ort zurückgebracht wird. Der maximale Stromfluß durch die Spule kann Werte von 700 mA erreichen.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind die Halleffektsensoren 15, 16 am unteren Ende eines Vorsprungs 32 (z. B. einer röhrenförmigen Hülse) von einer mit Öffnung versehenen Platte angebracht, auf dem der Elektromagnet ruht. Diese Anordnung ermöglicht es dem Gegenstand O, daß er bei einem größeren Luftzwischenraum (bis zu 80 oder 90 mm) unterhalb des Elektromagneten aufgehängt werden kann, da es die Empfindlichkeit der Sensoren ist, die die Größe des Luftzwischenraumes begrenzt, und nicht immer die Stärke der Permanentmagneten 10, 14.

Bezugnehmend auf Fig. 5 der Zeichnungen ist eine weitere Ausführungsform des Aufhängungssystems gezeigt, und gleiche Teile tragen gleiche Bezugsziffern. Bei dieser Ausführungs form sind zwei Seltenerd-Permanentmagneten 14, 40 an gegenüberliegenden Enden der Spule L auf deren vertikaler Achse angebracht. Ein dritter Permanentmagnet 91 ist innerhalb des Kerns der Spule zwischen zwei Stahlkernabschnitten 13a, 13b angebracht. Der Ort des Magneten 91 auf dem Kern kann während der Herstellung eingestellt werden, um den Gleichgewichtspunkt einzustellen. Die Magneten 14, 40, 91 sind so angeordnet, daß ihre gleichen Pole in derselben Richtung entlang der Achse der Spule L gerichtet sind. Ein Stück Siliciumeisen 42 ist auf der Oberseite des oberen Seltenerd-Magneten 40 angebracht. Der untere Seltenerd-Magnet 14 erstreckt sich durch eine mittige Öffnung in eine Aluminiumscheibe 43, die unterhalb der Spule L angebracht ist. Die Halleffektsensoren 15, 16 sind an der Unterseite der Aluminiumscheibe 43 in nach unten gerichteten Schalen 90 aus Mymetall angebracht.

Der Permanentmagnet 10 des Gegenstandes O, der aufgehängt wird, wird zur Masse des magnetisch permeablen Materials und zu den Magneten 14, 40, 91 in der Tragkonstruktion S angezogen, wobei der Permanentmagnet 10 auf einem Stück von Siliciumeisen 11 angebracht ist.

Bei Benutzung wird der aufgehängte Gegenstand 10 zur Tragkonstruktion S von einer Entfernung von bis zu 60 mm angezogen, obwohl dies von der Stärke der Magneten und dem Gewicht des Gegenstandes O abhängt.

Die Mymetallschalen 90 helfen, Hallsensoren 15, 16 von dem statischen Magnetfeld abzuschirmen, das durch die Spule L erzeugt wird, und die Aluminiumscheibe 43 hilft, die Hallsensoren von sich ändernden Magnetfeldern abzuschirmen, die durch die Spule erzeugt werden. Man wird verstehen, daß das Magnetfeld, das durch die Spule L und die darauf angeordneten Permanentmagneten 14, 40, 91 erzeugt wird, sich nur durch die Öffnung in der Scheibe 43 erstreckt und so vertikal nach unten konzentriert ist. Das Siliciumeisenstück 42 auf der Oberseite des oberen Permanentmagneten 40 hilft, das Magnetfeld in Richtung nach unten einzugrenzen.

Wenn es gewünscht ist, einen schwereren Gegenstand zu tragen, oder den Luftzwischenraum zu vergrößern, so kann dann die Steuerschaltung so auf gebaut werden, daß die Spule L den Magneten 10 des Gegenstandes O anzieht, der aufgehängt ist, und dadurch das Feld der beiden Magneten 40, 41 in der Tragkonstruktion S ergänzt. Die Strommenge, die durch die Spule L gezogen wird, wird von der Größe des gewünschten Luftzwischenraumes abhängen, allgemein wird diese jedoch so eingestellt, daß der Gegenstand im wesentlichen durch die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 10, 14, 40, 91 aufgehängt wird.

Um ein stärkeres Magnetfeld ohne Erhöhung der erforderlichen Spannung zu schaffen oder um alternativ zu ermöglichen, daß der Elektromagnet eine kleinere Größe haben kann, dabei jedoch dieselbe Magnetfeldstärke liefert, weist der in Fig. 5 gezeigte Elektromagnet zwei Spulen L1 und L2 auf, die um entspreche Bereiche eines Spulenkörpers B gewickelt sind und durch eine Abstandsscheibe D getrennt sind; die Spulen L1, L2 sind parallel mit der treibenden Stromversorgungsquelle verbunden. Die Anordnung erlaubt die Verwendung von sehr feinem (kleiner Durchmesser) Draht für die Spulen, ohne daß jedoch der Widerstand jeder Spule übermäßig groß wird, da jede Spule verhältnismäßig kurz ist. Man wird verstehen, daß der Elektromagnet zwei oder mehr Spulen aufweisen kann, die auf unterschiedlichen Bereichen des Spulenkörpers gewickelt sind, und wobei alle abwechselnd parallel verbunden sind. Alternativ können zwei oder mehr Drähte, z. B. W1, W2 zusammen um die Spule gewickelt werden, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, um eine zusammengesetzte Spule zu bilden, die sich über die Länge des Spulenkörpers erstreckt, wobei jedoch die entsprechenden Drähte parallel verbunden sind. Bei einer weiteren Ausführungsform können zwei Spulen auf den Spulenkörper B zusammen gewickelt sein.

Der aufgehängte Gegenstand kann einen ringförmigen oder kugelförmigen Magneten aufweisen, der radial magnetisiert ist, so daß der Gegenstand im Magnetfeld frei rotieren kann.

Eine oder mehrere Bohrungen können sich axial durch den Kern der Spule erstrecken, wobei jeder Sensor axial unterhalb einer entsprechenden Bohrung angeordnet ist. Die Anordnung hat den Vorteil, daß wenig oder kein magnetischer Fluß in einer Linie mit der Achse der Bohrung vorhanden ist, so daß es weniger erforderlich ist, die Sensoren magnetisch abzuschirmen. Vorzugsweise erstreckt sich eine Bohrung entlang der Achse der Spule durch den Kern, so daß ein einziger zentral angeordneter Sensor verwendet werden kann.

Wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, kann der oberste Teil 93 der Spule B aus einem magnetisch permeablen Material gebildet sein, wie z. B. Stahl, um den Fluß am oberen Ende der Elektro/Permanentmagnetanordnung 95 radial nach auswärts zu richten, so daß er mehr in der Richtung nach unten konzentriert ist, um sich mit den Flußlinien zu vereinigen, die sich von der Unterseite des Permanentmagnets 10 im aufgehängten Gegenstand erstrecken. Vorzugsweise weist das axial obere Ende der Spule Verlängerungen 94 auf, die im wesentlichen axial zur Spule angeordnet sind, um den Fluß, der sich vom oberen Ende der Elektro/Permanentmagnetanordnung 35 erstreckt, zum Magneten 10 im Gegenstand zu richten.

Die magnetischen Aufhängungssysteme, die beschrieben worden sind, können in einer großen Anzahl von Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel kann das System bei der Werbung verwendet werden, um Zeichen oder andere Gegenstände für Zurschaustellung aufzuhängen. Man wird verstehen, daß der Gegenstand rotieren kann, wenn er frei in Luft aufgehängt ist. Weiter kann das System beim Bemalen und anschließenden Trocknen von Gegenständen verwendet werden, was ebenfalls freien Zugang zu allen Seiten des Gegenstands erlaubt. Das System kann auch für das Eintauchen von Gegenständen in Säure oder andere Lösungen für chemische Behandlung verwendet werden; vollständiges Eintauchen kann erreicht werden, ohne daß irgendeine Seite des Gegenstandes physisch gehalten werden muß. Weiter kann das System noch benutzt werden, um Modelle von Flugzeugen in Windtunneln aufzuhängen, was eine bessere Simulation des tatsächlichen Luftfahrzeuges im Flug ergibt.


Anspruch[de]

1. Magnetisches Aufhängungssystem, das einen Elektromagneten (12) und einen ersten Permanentmagneten (14, 40, 91), die an einer festen oder bewegbaren Aufhängungskonstruktion angebracht sind, einen Gegenstand (O), der mit einem zweiten Permanentmagneten (10) versehen ist und für Aufhängung bei einer vorbestimmten Position unterhalb des Elektromagneten angeordnet ist, Detektormittel (15, 16), die in einer festen Position zum Erfassen des Magnetfelds des zweiten Permanentmagneten (10) angebracht sind, und Steuermittel (18) aufweist, um einen elektrischen Strom (IA, IR) dem Elektromagneten (12) zuzuführen, wenn das durch die Detektormittel (15, 16) erfaßte Magnetfeld sich von dem Feld ändert, das erfaßt wird, wenn sich der Gegenstand (O) an seiner vorbestimmten Position befindet, wobei der elektrische Strom (IA, IR) entsprechend einem Ausgangssignal der Detektormittel (15, 16) verändert wird, um den Gegenstand (O) in der vorbestimmten Position relativ zum Elektromagneten (12) zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (O) im wesentlichen an der vorbestimmten Position durch eine Anziehungskraft aufgehängt ist, die zwischen den beiden Permanentmagneten (10, 14) ausgebildet ist, wobei die Steuermittel (18) so angeordnet sind, daß sie Strom (IR) dem Elektromagneten (12) in einer Richtung zuführen, die ein Magnetfeld entwickelt, die die Anziehungskraft zwischen dem Gegenstand (O) und der Aufhängungskonstruktion verringert, um so den Gegenstand (O) von der Aufhängungskonstruktion weg zu bewegen, wenn das durch die Detektormittel (15, 16) erfaßte Magnetfeld oberhalb einer vorbestimmten Grenze ist.

2. Magnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper (13, 13a, 13b, 42) von magnetisch permeablem Material auf der Aufhängungskonstruktion vorgesehen ist.

3. Magnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (18) so angeordnet sind, daß sie Strom (IA) dem Elektromagneten (12) in einer Richtung zuführen, die ein Magnetfeld entwickelt, die die Anziehungskraft zwischen dem Gegenstand (O) und der Aufhängungskonstruktion erhöht, um so den Gegenstand (O) zur Aufhängungskonstruktion zu bewegen, wenn das durch die Detektormittel (15, 16) erfaßte Magnetfeld unterhalb einer vorbestimmten Grenze ist.

4. Magnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (18) erste und zweite Schalter (TR1, TR2), die in Reihe über eine Gleichstromversorgung verbunden sind, und dritte und vierte Schalter (TR3, TR4) aufweisen, die in Reihe über die Gleichstromversorgung verbunden sind, wobei entgegengesetzte Enden einer Spule (L, L&sub1;, L&sub2;) des Elektromagneten (12) mit Punkten zwischen den ersten und zweiten Schaltern (TR1, TR2) und den dritten und vierten Schaltern (TR3, TR4) verbunden sind und die Steuermittel (18) so angeordnet sind, daß sie die ersten und vierten Schalter (TR1, TR4) oder die zweiten und dritten Schalter (TR2, TR3) in Abhängigkeit von der gewünschten Stromflußrichtung (IA, IR) durch die Spule (L, L&sub1;, L&sub2;) betätigen.

5. Magnetisches Aufhängungssystem nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom (IA, IR) pulsbreitenmoduliert ist.

6. Magnetisches Aufhängungssystem nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (18) so angeordnet sind, daß sie den Gegenstand (O) in einer Position halten, in der ein kleiner Strom (IR MIN) dem Elektromagneten (12) in einer Richtung zugeführt wird, die die anziehende Kraft zwischen den beiden Permanentmagneten verringert.

7. Magnetisches Aufhängungssystem nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (O), der aufgehängt ist, einen Körper (11) aus magnetisch permeablem Material einschließt, an dem dessen Permanentmagnet (10) angebracht ist.

8. Magnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus magnetisch permeablem Material einen Kern (13, 13a, 13b) aufweist, der sich axial von einer Spule (L, L&sub1;, L&sub2;) des Elektromagneten (12) erstreckt.

9. Magnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Permanentmagnet (14) axial von der Spule (L, L&sub1;, L&sub2;) angeordnet ist.

10. Magnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (13) aus magnetisch permeablem Material einen Flußkonzentrierer (93) aufweist, der am axial oberen Ende des Kerns angeordnet ist.

11. Magnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Flußkonzentrierer (93) über das axial obere Ende des Elektromagneten (12) erstreckt.

12. Magnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußkonzentrierer (93) eine Verlängerung (94) aufweist, die so angeordnet ist, daß die magnetischen Fluß am oberen Ende des Elektromagneten (12) nach unten zum aufgehängten Objekt (O) richtet.

13. Magnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (12) zwei oder mehr Drähte (L&sub1;, L&sub2;) aufweist, die um eine gemeinsame Achse herum gewickelt sind und parallel verbunden sind.







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