Vorrichtung zur magnetischen Lagerung und Zentrierung eines drehbeweglichen Systems
Bei vielen Messgeräten ist es wichtig, die durch Reibung bedingten Messfehler auf ein Kleinstmass zu beschränken. Dies ist insbesondere bei Elektrizitätszählern der Fall, bei denen das verhältnismässig schwere, drehbewegliche System unerwünschte Rei bungsfehler bedingt. Solche Reibungsfehler machen sich hier besonders dann bemerkbar, wenn das drehbewegliche System bei geringen Lasten relativ lang- sam läuft, weil dann das Reibungsmoment, im Verhältnis zu dem relativ geringen Antriebsmoment, ziemlich gross wird. Es ist nun bekannt, solche Reibungsfehler dadurch herabzusetzen, dass das drehbewegliche System auf magnetischem oder elektromagnetischem Wege entlastet wird.
So sind magnetische Lagerungen vorgeschlagen worden, bei denen das drehbewegliche System durch Dauermagnete in Schwebelage gehalten werden sollte, um dadurch der Reibung völlig vorzubeugen. Diese Lagerungen sind aber nicht zur praktischen Verwendung gekommen, weil es nicht möglich ist, einen ferromagnetischen oder paramagnetischen Körper im statischen Magnetfeld in Schwebelage zu halten, da er nicht in allen sechs Freiheitsgraden in stabilem Gleichgewicht gehalten werden kann. Es muss dabei immer zumindest ein Freiheitsgrad, d. h. entweder eine Verschiebung in Richtung einer oder eine Rotation um eine der Achsen, bezüglich deren man das Gleichgewicht untersucht, gefesselt werden.
Die bekannten Ausführungen von magnetischen Lagerungen, die wohl zur Anwendung gekommen sind, unterscheiden sich in solche, bei denen die Kompensation des Gewichtes des drehbeweglichen Systems durch eine magnetische Lagerung vorgenommen wird, während die Zentrierung derselben mechanisch erfolgt, und in solche, bei denen sowohl die Gewichtskompensation als auch die Zentrierung auf magnetischem Wege durchgeführt wird.
Bei der ersten Ausführung wird man mechanische Führungen anbringen müssen, um das drehbewegliche System in radialer Richtung, also quer zur Achse desselben, zu stabilisieren. Die Reibung wird dadurch mehr oder weniger von den üblichen Unter- und Oberlagern zu den mechanischen Führungen verlegt und somit nur teilweise behoben.
Bei der zweiten Ausführung müssen zumindest zwei magnetische Lager vorgesehen werden, und zwar das eine zur Kompensation des Gewichtes des drehbeweglichen Systems und das andere zum Zentrieren desselben. Es ist bei den bekannten magnetischen Lagern nämlich nicht möglich, sowohl für die Kompensation des Gewichtes als auch für die Zentrierung des drehbeweglichen Systems mit einem einzigen magnetischen Lager auszukommen, denn, wenn dieses eine genügende, entlastende Wirkung herbeiführt, ist seine zentrierende Wirkung unbefriedigend und umgekehrt. Bei der Magnetanordnung, die zum Kompensieren des Gewichtes des drehbeweglichen Systems dient, muss dann auch noch eine mechanische Führung vorgesehen werden, die dieses System in radialer Richtung stabilisiert, so dass auch bei dieser Ausführung die Reibung nur teilweise behoben wird.
Ausserdem beanspruchen die bekannten magnetischen Lagerungen in axialer Richtung relativ viel Raum, während sie ferner den Nachteil aufweisen, dass eine horizontale Lagerung des drehbeweglichen Systems bei ihnen nicht möglich ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung, bei welcher die oben erwähnten Nachteile dadurch behoben werden, dass die neutralen Zonen der Magnete 4, 10 eines jeden Magnetpaares mindestens annähernd zusammenfallen und Anschläge vorgesehen sind, durch welche die Bewegungen des drehbeweglichen Systems in axialer Richtung begrenzt sind.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfüh rungsform des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Darin bedeutet 1 die Welle eines drehbeweglichen Systems, beispielsweise dasjenige eines Elektrizitätszählers. An ihrem oberen Ende trägt die
Welle 1 eine Hülse 2, die mit einem Bund 3 ver sehen ist. Auf der Welle 1 ist ein ringförmiger Innenmagnet 4 fest angebracht, der sich gegen den Bund
3 der Hülse 2 abstützt. In der Hülse 2 befindet sich ein zylindrischer Zapfen 5, der mittels einer Feder 6 mit seinem Ende 7 eine Kugel 8 in eine kegelige Bohrung 9 der Hülse 2 drückt. Konzentrisch zum Innenmagneten (4) ist ein zweiter, ringförmiger Aussenmagnet 10 vorgesehen, welcher in einem Gehäuse 11 fest gelagert ist. Letzteres ist an einem nicht dargestellten Rahmenteil des das drehbewegliche System enthaltenden Gerätes befestigt.
Im Gehäuse 11 ist eine Schraube 12 vorgesehen, welche an ihrem unteren Ende einen als Saphirstein ausgebildeten Anschlag 13 trägt. Das obere Schraubenende ist zu einem Griff 14 ausgebildet. Gegen Drehung ist die Schraube 12 durch einen federnden Ring 15 gesichert. Dieser Ring drückt die Schraube 12 zugleich nach oben und hebt dadurch das Gewindespiel auf.
Gegen eine zu starke Auslenkung der Welle 1 quer zu ihrer Achse ist der Bund 3 der Hülse 2 mit einer Vertiefung 16 versehen, in welche das untere Ende der Schraube 12 hineinragt.
Das untere Ende der Welle 1 ist ebenfalls magnetisch gelagert. Diese Lagerung stimmt mit der bereits beschriebenen vollständig überein, so dass sie keiner weiteren Erläuterung bedarf.
Die Innen- und Aussenmagnete sind bei der beschriebenen magnetischen Lagerung gleichsinnig magnetisiert, d. h., sie weisen beispielsweise oben je einen Nordpol und unten je einen Südpol auf. Ferner sind sie so zueinander gelagert, dass ihre neutralen Zonen, d. h. die Ebenen der Magnete, in denen die Polarität beim Übergang von einem Ende zum anderen sich umkehrt, praktisch zusammenfallen.
Das Magnetsystem darf in Drehrichtung keinerlei Richtmoment erfahren; solche Richtmomente können durch die Verwendung von magnetisch homogenem Material vermieden werden. In hohem Masse magnetisch homogen sind durch Sinterung hergestellte Dauermagnete, wie z. B. der unter dem Markenwort Ferroxdure bekannte, magnetisch harte Oxyd Werkstoff, dessen hohe Koerzitivkraft von etwa 1500 Oersted und geringe reversible Permeabilität von etwa 1 eine sehr grosse Unempfindlichkeit gegen entmagnetisierende Felder gewährleistet. Ein solcher nichtmetall-keramischer Werkstoff weist zudem einen sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf, so dass Bremsmomente infolge von Wirbelstromwirkungen weitgehend vermieden werden. Die Innenmagnete werden daher vorzugsweise aus einem nichtmetallkeramischen Magnetwerkstoff herzustellen sein.
Mit dieser Lagerung wird eine ausserordentlich grosse, selbstzentrierende Wirkung erzielt, die sich dadurch erklären lässt, dass in dem ringförmigen Luftspalt zwischen den Innen- und Aussenmagneten eine starke Konzentration von gleichgerichteten Kraftlinien hervorgerufen wird. Infolgedessen haben die Magnete das Bestreben, sich mit relativ grossen Kräften konzentrisch zueinander einzustellen, weil dabei die magnetische Feldenergie im Luftspalt am kleinsten wird.
Fallen die neutralen Zonen der Innenmagnete mit denjenigen der entsprechenden Aussenmagnete zusammen, dann wirken diese, von den Magneten aufeinander ausgeübten Kräfte nur in radialer Richtung, so dass nur eine starke, zentrierende Wirkung auftritt.
Verschiebt man nun die Innenmagnete gegenüber den Aussenmagneten über eine sehr geringe, axiale Distanz, dann werden die von diesen Magneten aufeinander ausgeübten Kräfte bereits überraschend grosse, stark mit dieser Verschiebung ansteigende, axial gerichtete Komponente aufweisen, welche die zueinander gehörenden Magnete in axialer Richtung voneinander zu entfernen versuchen. Somit genügt dabei schon eine sehr geringe, der Richtung der Schwerkraft entgegengesetzte Verschiebung der Innenmagnete, um das Gewicht des drehbeweglichen Systems vollständig zu kompensieren, ohne dass dabei die radial gerichtete Komponente für die Zentrierung dieses Systems ungenügend gross wird.
So ergab sich bei einer in einem Wechselstromzähler eingebauten magnetischen Lagerung, dass schon bei einer axialen Verschiebung der Innenmagnete aus ihrer Mittelstellung von nur 0,15 mm diese Axialkraft 25 g betrug.
An der gezeichneten magnetischen Lagerung erfolgt die Kompensation des Gewichtes des drehbeweglichen Systems nun dadurch, dass man die Schraube des nicht gezeigten, am unteren Ende der Welle 1 vorgesehenen magnetischen Lagers bei losgedrehter oberer Schraube 12 mittels ihres Griffes 14 derart einstellt, dass die auf dem drehbeweglichen System festsitzenden Innenmagnete eine Höhenlage einnehmen, bei der sie die erwünschte, axial gerichtete und dem Gewicht des drehbeweglichen Systems entgegengesetzte Kraft erfahren. Dabei genügt jedoch, wie bereits oben erwähnt worden ist, eine sehr kleine Verschiebung der Innenmagnete bezüglich der Aussenmagnete, so dass auch nach dieser Einstellung ihre neutralen Zonen immer noch praktisch zusammenfallen.
Die Anordnung ist gegen Schäden durch Erschütterungen, z. B. beim Transport des Zählers, gesichert, da die Feder 6 eine axiale Bewegung der Kugel 8 zulässt. Die Kraft der Feder 6 ist jedoch grösser als die grösstmögliche, aufwärtsgerichtete Kraft, die das drehbewegliche System erfährt, wenn der Innenmagnet 4 sich so weit aufwärts bewegt hat, dass der Boden der Vertiefung 16 der Hülse 2 an die Unterseite der Schraube 12 anzuliegen kommt. Es ist deswegen unmöglich, dass der Innenmagnet 4, unabhängig von der Einstellung der Schraube 12, eine Lage einnimmt, bei der Gleichgewicht zwischen der aufwärtsgerichteten magnetischen Axialkraft einerseits und der Kraft der Feder 6 mit dem Gewicht des drehbeweglichen Systems anderseits auftritt.
Obwohl man für eine in axialer Richtung kleine Bauweise vorzugsweise ringförmige Magnete verwendet, also Magnete, bei denen das Verhältnis zwischen Durchmesser und Höhe grösser als eins ist, könnte man auch Magnete verwenden, bei denen dieses Verhältnis eins oder kleiner als eins ist. Statt zwei magnetischen Lagern ist es auch möglich, nur an den oberen oder unteren Enden der Welle 1 ein solches anzubringen, während dann am anderen Ende dieser Welle ein axial einstellbares, mechanisches Lager angebracht wird, welches das drehbewegliche System an diesem Ende zentriert und auch die Lage der Welle in axialer Richtung festlegt.
Auch könnte man die beschriebene mechanische Lagerung der Welle 1 mittels der auf dem Saphirstein 13 ruhenden Kugel 8 an einem Ende diese Welle weglassen und dieses Ende frei schweben lassen, indem man die Innenmagnete 4 derart axial in bezug auf die Aussenmagnete einstellt, dass eine Überkompensation des Gewichtes vorliegt.
Am anderen Ende muss dann ein Anschlag angebracht werden, der dafür sorgt, dass sich die Welle mit den Innenmagneten nicht so weit in axialer Richtung, z. B. infolge Erschütterungen, bewegen kann, dass die axial gerichtete, entlastende Kraft kleiner wird als das Gewicht des drehbeweglichen Systems.
In diesem Fall würden die Innenmagnete nämlich nicht mehr selbsttätig in ihre ursprüngliche Lage gelangen.
Statt bei einem drehbeweglichen System mit vertikal angeordneter Welle, kann die magnetische Lagerung ebenfalls bei einem drehbeweglichen System mit waagrecht angeordneter Welle verwendet werden.
Die neutralen Zonen der Innen- und Aussenmagnete fallen dabei zusammen, während die Achse des drehbeweglichen Systems unterhalb der Achse der Aussenmagnete in eine solche Lage gelangt, dass die quer zur Achse des drehbeweglichen Systems gerichtete, zentrierende Kraft dem Gewicht dieses Systems gleich wird.
Es ist ein Vorteil der magnetischen Lagerung gemäss der Erfindung, dass sie im Gegensatz zu den bekannten magnetischen Lagerungen sowohl eine Entlastung als auch eine Zentrierung des drehbeweglichen Systems bewirkt. Ihre zentrierende Wirkung ist weiter so ausgeprägt, dass sie ebenfalls bei einem drehbeweglichen System mit waagrecht angeordneter Welle verwendet werden kann. Da der Lagerdruck praktisch auf Null herabgesetzt werden kann und die kreisförmigen Berührungsflächen von Kugeln und Saphirsteinen nur einen äusserst geringen Durchmesser aufweisen, ergibt sich weiter bei dieser magnetischen Lagerung gegenüber den Ausführungen, bei denen eine Lagerung mittels in Büchschen gelagerter Zapfen erfolgt, ein viel kleineres Reibungsmoment.
Überdies brauchen nur mechanische Lager vorgesehen zu werden, die das drehbewegliche System in axialer Richtung stabilisieren, wozu einfache, flache Lager verwendet werden können. Ferner ist die magne tische Lagerung in Richtung der Achse des drehbeweglichen Systems sehr gedrängt ausführbar, so dass bei der Anbringung in bestehenden Geräten keine Schwierigkeiten wegen zu grossen Raumbedarfs auftreten werden, während ihr Gewicht bei Verwendung des erwähnten Oxyd-Werkstoffes, infolge des geringen spezifischen Gewichtes desselben, niedrig gehalten werden kann. Ausserdem können die Magnete, weil sie aus einem Material hergestellt sind, das eine grosse Unempfindlichkeit gegen entmagnetisierende Felder aufweist, vor ihrer Montage magnetisiert werden.