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.
Device for magnetic storage and centering of a rotatable system
With many measuring devices, it is important to limit the measurement errors caused by friction to a minimum. This is particularly the case with electricity meters, where the relatively heavy, rotating system causes undesirable friction errors. Such frictional errors are particularly noticeable here when the rotatable system runs relatively slowly at low loads, because then the frictional torque becomes quite large in relation to the relatively low drive torque. It is now known to reduce such friction errors in that the rotatable system is relieved in a magnetic or electromagnetic way.
Magnetic bearings have been proposed in which the rotatable system should be kept in a floating position by permanent magnets in order to completely prevent friction. However, these bearings have not come into practical use because it is not possible to keep a ferromagnetic or paramagnetic body in a floating position in a static magnetic field, since it cannot be kept in stable equilibrium in all six degrees of freedom. There must always be at least one degree of freedom, i.e. H. either a shift in the direction of one or a rotation around one of the axes in relation to which one is investigating the equilibrium, are bound.
The known designs of magnetic bearings that have probably been used differ in those in which the compensation of the weight of the rotatable system is made by a magnetic bearing, while the centering of the same is done mechanically, and in those in which both the Weight compensation and centering is carried out magnetically.
In the first embodiment, mechanical guides will have to be attached in order to stabilize the rotatable system in the radial direction, i.e. transversely to the axis of the same. The friction is thereby more or less relocated from the usual lower and upper bearings to the mechanical guides and thus only partially eliminated.
In the second embodiment, at least two magnetic bearings must be provided, one to compensate for the weight of the rotatable system and the other to center it. With the known magnetic bearings it is not possible to get along with a single magnetic bearing both for the compensation of the weight and for the centering of the rotatable system, because if this brings about a sufficient, relieving effect, its centering effect is unsatisfactory and vice versa . In the case of the magnet arrangement, which is used to compensate for the weight of the rotatable system, a mechanical guide must then also be provided which stabilizes this system in the radial direction, so that the friction is only partially eliminated in this embodiment.
In addition, the known magnetic bearings require a relatively large amount of space in the axial direction, while they also have the disadvantage that a horizontal bearing of the rotatable system is not possible with them.
The present invention relates to a magnetic bearing in which the above-mentioned disadvantages are eliminated in that the neutral zones of the magnets 4, 10 of each magnet pair at least approximately coincide and stops are provided by which the movements of the rotatable system are limited in the axial direction .
In the drawing, an example Ausfüh approximately form of the subject invention is shown schematically. Here 1 means the shaft of a rotatable system, for example that of an electricity meter. At its upper end carries the
Shaft 1 a sleeve 2, which is seen with a collar 3 ver. On the shaft 1, an annular inner magnet 4 is firmly attached, which is against the collar
3 of the sleeve 2 is supported. In the sleeve 2 there is a cylindrical pin 5 which, by means of a spring 6, presses a ball 8 with its end 7 into a conical bore 9 of the sleeve 2. A second, ring-shaped external magnet 10 is provided concentrically to the internal magnet (4) and is fixedly mounted in a housing 11. The latter is attached to a frame part, not shown, of the device containing the rotatable system.
A screw 12 is provided in the housing 11, which at its lower end carries a stop 13 designed as a sapphire stone. The upper end of the screw is formed into a handle 14. The screw 12 is secured against rotation by a resilient ring 15. This ring pushes the screw 12 upwards at the same time and thereby eliminates the thread play.
To prevent excessive deflection of the shaft 1 transversely to its axis, the collar 3 of the sleeve 2 is provided with a recess 16 into which the lower end of the screw 12 projects.
The lower end of the shaft 1 is also magnetically supported. This storage agrees completely with that already described, so that it does not require any further explanation.
The internal and external magnets are magnetized in the same direction in the magnetic bearing described, i.e. That is, they each have a north pole at the top and a south pole at the bottom, for example. Furthermore, they are positioned in relation to one another in such a way that their neutral zones, i.e. H. the planes of the magnets in which the polarity is reversed when passing from one end to the other practically coincide.
The magnet system must not experience any directional torque in the direction of rotation; Such straightening moments can be avoided by using magnetically homogeneous material. Permanent magnets produced by sintering, such as e.g. B. the magnetically hard oxide material known under the brand name Ferroxdure, whose high coercive force of about 1500 Oersted and low reversible permeability of about 1 ensures a very high level of insensitivity to demagnetizing fields. Such a non-metal-ceramic material also has a very high specific electrical resistance, so that braking torques due to eddy current effects are largely avoided. The internal magnets are therefore preferably to be made from a non-metal-ceramic magnetic material.
With this mounting, an extraordinarily large, self-centering effect is achieved, which can be explained by the fact that a strong concentration of unidirectional lines of force is created in the annular air gap between the inner and outer magnets. As a result, the magnets tend to adjust themselves concentrically to one another with relatively large forces, because the magnetic field energy in the air gap is the smallest.
If the neutral zones of the inner magnets coincide with those of the corresponding outer magnets, then these forces exerted on one another by the magnets only act in the radial direction, so that only a strong, centering effect occurs.
If the inner magnets are now shifted over a very small, axial distance in relation to the outer magnets, then the forces exerted on one another by these magnets will already have surprisingly large, axially directed components that increase sharply with this shift, which the magnets belonging to one another towards each other in the axial direction try to remove. Thus, a very small displacement of the internal magnets in the opposite direction to the force of gravity is sufficient to completely compensate for the weight of the rotatable system without the radially directed component becoming insufficiently large for centering this system.
With a magnetic bearing installed in an alternating current meter, it was found that even with an axial displacement of the inner magnets from their central position of only 0.15 mm, this axial force was 25 g.
The weight of the rotatable system is compensated for on the drawn magnetic bearing by adjusting the screw of the magnetic bearing (not shown) provided at the lower end of the shaft 1 with the upper screw 12 unscrewed by means of its handle 14 in such a way that the rotatable on the System fixed internal magnets assume an altitude at which they experience the desired, axially directed force opposite to the weight of the rotatable system. However, as already mentioned above, a very small displacement of the internal magnets with respect to the external magnets is sufficient, so that their neutral zones still practically coincide even after this setting.
The arrangement is against damage caused by vibrations, e.g. B. when transporting the meter, secured because the spring 6 allows an axial movement of the ball 8. The force of the spring 6, however, is greater than the greatest possible upward force that the rotatable system experiences when the inner magnet 4 has moved upward so far that the bottom of the recess 16 of the sleeve 2 comes to rest against the underside of the screw 12. It is therefore impossible that the internal magnet 4, regardless of the setting of the screw 12, takes a position in which there is a balance between the upward magnetic axial force on the one hand and the force of the spring 6 with the weight of the rotatable system on the other.
Although ring-shaped magnets are preferably used for a construction that is small in the axial direction, i.e. magnets in which the ratio between diameter and height is greater than one, one could also use magnets in which this ratio is one or less than one. Instead of two magnetic bearings, it is also possible to only attach one to the upper or lower ends of the shaft 1, while an axially adjustable mechanical bearing is then attached to the other end of this shaft, which centers the rotatable system at this end and also the Determines the position of the shaft in the axial direction.
One could also omit the described mechanical mounting of the shaft 1 by means of the ball 8 resting on the sapphire stone 13 at one end of this shaft and let this end float freely by adjusting the inner magnets 4 axially in relation to the outer magnets in such a way that overcompensation of the Weight is present.
A stop must then be attached to the other end, which ensures that the shaft with the internal magnets does not move so far in the axial direction, e.g. B. as a result of vibrations, can move that the axially directed, relieving force is smaller than the weight of the rotatable system.
In this case, the inner magnets would no longer automatically return to their original position.
Instead of a rotatable system with a vertically arranged shaft, the magnetic bearing can also be used in a rotatable system with a horizontally arranged shaft.
The neutral zones of the inner and outer magnets coincide, while the axis of the rotating system comes in such a position below the axis of the outer magnets that the centering force directed transversely to the axis of the rotating system is equal to the weight of this system.
It is an advantage of the magnetic bearing according to the invention that, in contrast to the known magnetic bearings, it causes both a relief and a centering of the rotatable system. Its centering effect is so pronounced that it can also be used in a rotatable system with a horizontally arranged shaft. Since the bearing pressure can be reduced to practically zero and the circular contact surfaces of balls and sapphire stones only have an extremely small diameter, this magnetic bearing also results in a much smaller frictional torque compared to the designs in which bearing is carried out by means of journals stored in bushes .
Moreover, only mechanical bearings need to be provided which stabilize the rotatable system in the axial direction, for which purpose simple, flat bearings can be used. Furthermore, the magne tables storage in the direction of the axis of the rotating system can be executed very tight, so that when installing in existing devices no difficulties due to large space requirements will occur, while their weight when using the oxide material mentioned, due to the low specific weight the same, can be kept low. In addition, because the magnets are made of a material that is highly insensitive to demagnetizing fields, they can be magnetized before they are assembled.