Magnetisch entlastetes Unterlager für den stehend angeordneten Läufer eines Elektrizitätszählers
Es sind magnetisch entlastete Unterlager für den stehend angeordneten Läufer eines Elektrizitätszählers bekannt, wobei die magnetische Entlastungsvorrichtung aus zwei am Unterlager angeordneten, sich gegenseitig abstossenden Dauermagneten besteht, von denen der eine feststehend angeordnet und der andere oberhalb des ersteren an der Läuferachse befestigt ist.
Es ist auch schon bekannt, bei Unterlagern der vorgenannten Art das Kräftespiel zwischen den beiden Dauermagneten vor Störungen durch magnetische Fremdfelder abzuschirmen: Es ist ein Unterlager bekannt (USA-Patentschrift Nr. 2 254 698), bei dem die beiden Dauermagnete ringscheibenförmig ausgebildet und von einem weichmagnetischen Hüllkörper umgeben sind; der Hüllkörper ist hohlzylindrisch ausgebildet, er erstreckt sich mit beiden Enden bis über die gesamte axiale Baulänge der beiden übereinanderbefindlichen Dauermagnete hinaus, und er weist von beiden Dauermagneten einen geringen Abstand auf.
Auch die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisch entlastetes Unterlager für den Läufer eines Elektrizitätszählers mit zwei am Unterlager angeordneten, sich gegenseitig abstossenden Dauermagneten, die von einem in Abstand von denselben angeordneten weichmagentischen Hüllkörper umgeben sind.
Erfindungsgemäss ist aber ein solches Unterlager dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Dauermagnete für sich in einer ihn seitlich mit Abstand umgebenden, mit ihrer Öffnung dem aktiven Luftspalt zwischen den Magneten zugewandten, weichmagnetischen, topfförmigen Hüllkappe angeordnet ist, mit deren Boden er mit seinem dem aktiven Luftspalt abgewandten Polende magnetisch leitend verbunden ist.
Auch beim Erfindungsgegenstand bieten die beiden weichmagnetischen Hüllkappen einen wirksamen Schutz gegen Störungen durch Fremdfelder; der wesentliche Vorteil ist aber ganz anderer Art, er beruht in einer erheblichen Vergrösserung der im aktiven Luftspalt der beiden Magnete wirksamen Magnetkräfte: Durch die Hüllkappen wird der magnetische Streufluss, der aus den dem aktiven Luftspalt der Magnete abgewandten Polstirnfläche jedes Magneten heraustritt, aufgefangen und über die Seitenwand der Hüllkappe bis zum Kappenrand hin gelenkt, also bis zum aktiven Luftspalt der Magnete hin. Hierdurch ist die dem aktiven Luftspalt zugewandte Polstirnfläche eines jeden Dauermagneten wirkungsmässig unmittelbar von einer Polstirnfläche der entgegengesetzten Polarität umgeben, so dass sich zwischen diesen beiden zueinander konzentrischen Polflächen ein hochwirksames magnetisches Kraftfeld bildet.
Die Hüllkappen dienen dabei als magnetischer Rückschlussweg, der den zur Verfügung stehenden Kraftfluss in erhöhtem Masse in dem aktiven Luftspalt nutzbar macht und dadurch die Absto ssungskraft der Magnetvorrichtung und somit die Entlastung des Läufers wesentlich verstärkt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Hüllkappen ist, dass sie den Einfluss von Raumtemperaturschwankungen auf die abstossende Wirkung der Dauermagnete und somit auf die Höhenlage des Läufers erheblich verringern. Wenn die die Magnete umgebende Raumtemperatur ansteigt, so nimmt die Magnetisierung von Ferriten und dergleichen ab.
Hierdurch lässt die Abstossungskraft der Magnete nach, und der in der Schwebe gehaltene Läufer sinkt ein wenig nach unten. Sind aber die Dauermagnete von den genannten Hüllkappen umgeben, und bestehen diese Hüllkappen aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einem solchen, dessen magnetische Permeabilität mit der Temperatur ansteigt, so wird, wie festgestellt wurde, das durch Raumtemperaturschwankungen im Bereich zwischen -40 C bis + 500 C bedingte Ausmass der temperaturabhängigen Axialverschiebung des schwebenden Läufers um 60% verkleinert.
Wenn die Raumtemperatur von einem bestimmten Ausgangswert abweicht, so ändert sich zwar hiermit die Lage des Läufers ein wenig; wenn aber die Temperatur dann auf ihren Ausgangswert zurückkehrt, so nimmt auch der Läufer wieder genau seine Ausgangslage ein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles.
Fig. 1 zeigt einen Läufer eines Elektrizitätszählers mit einem Unterlager nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt den magnetischen Kraftfluss einer Magnetvorrichtung eines bekannten Unterlagers.
Fig. 3 zeigt den magnetischen Kraftfluss der Ma gnetvorrichtung des Unterlagers nach Fig. 1.
In Fig. 4 ist eine Magnetisierungskurve zur Erläuterung der Vorteile des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und in Fig. 5 ist noch eine mögliche Zusatzeinrichtung zum Erfindungsgegenstand gezeigt.
Der Läufer in Fig. 1 besteht aus der Läuferachse 1 und der zum Teil abgebrochen gezeichneten Läuferscheibe 2. Gelagert ist die Läuferachse in einem Oberlager 3 und in einem Unterlager 4. Das Oberlager steckt höhenverstellbar in einem feststehenden Träger 5 und ist in seiner Höhenstellung mittels der Stellschraube 6 festklemmbar. Das Unterlager steckt höhenverstellbar in einem feststehenden Träger 7 und ist mittels der Stellschraube 8 festklemmbar. Auf der Läuferscheibe 2 sitzt ein Sperrzahnkranz 9 eines nicht näher dargestellten Sperrgetriebes gegen Rückwärtsdrehung des Läufers, und ein Schneckengewinde 10 auf der Läuferachse steht mit einem Abtriebszahnrad 11 in Eingriff, das die Läuferbewegung zu einem nicht mitgezeichneten Zählwerk hin überträgt. Die Teile 9 bis 11 gehören jedoch nicht zum Erfindungsgegenstand und sind im wesentlichen an sich bekannt.
Die an sich bekannte Ausbildung des Oberlagers 3 ist aus der Zeichnung klar genug zu erkennen, um sie hier nicht näher erläutern zu müssen.
Das Unterlager 4 ist ein an sich bekanntes Nadelführungslager; es besteht im wesentlichen aus einer feststehenden Lagernadel 12, die mit ihrem unteren Ende in der Lagerhülse 13 befestigt ist, und einem am unteren Läuferachsenende angebrachten Lagerring 14.
Die zur Entlastung des Läufers dienende Magnetvorrichtung besteht aus den beiden ringscheibenförmigen Dauermagneten 15 und 16, die konzentrisch zur Läuferachse angeordnet sind und untereinander gleiche Form und Grösse haben. Die beiden Magnete 15 und 16 sind in achsparalleler Richtung magnetisiert, derart, dass sie sich am aktiven Luftspalt zwischen ihnen mit gleichnamigen Polen gegen überstehen und sich gegenseitig abstossen; im dargestellten Falle stehen sie sich am aktiven Luftspalt mit ihren Nordpolen N gegenüber, so dass sich ihre Südpole S an den dem aktiven Luftspalt abgewandten Stirnseiten der beiden Magnete befinden. Der Magnet 15 ist über die noch näher zu beschreibenden Teile 17 und 18 feststehend in der Lagerhülse 13 gelagert, der Magnet 16 ist über die noch näher zu beschreibenden Teile 19 und 20 am unteren Ende der Läuferachse 1 befestigt.
Die beiden Dauermagnete 15 und 16 bestehen in an sich bekannter Weise aus einem Werkstoff von hoher Koerzitivkraft, beispielsweise aus einem keramischen Dauermagnetwerkstoff, wie z. B. Ferrit. Bewährt hat sich ein Werkstoff nach der Formel MO 6 Fe203, wobei M einen Werkstoff, wie bei- spielsweise Barium, Blei oder Strontium, Fe Eisen und 0 Sauerstoff bedeutet. Bariumhaltige Werkstoffe sind besonders vorteilhaft, beispielsweise nach der Formel BaO 6 Fe,O,. Ein solcher Werkstoff kann eine Koerzitivkraft von über 1000 Oersted, vorzugsweise von über 1200 Oersted, haben; ein Werkstoff mit einer Koerzitivkraft in der Grössenordnung von 1600 Oersted erbrachte gute Ergebnisse und zeigte eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit.
Bei einem nach der Erfindung gebauten Unterlager, das sich bewährt hat, weisen die beiden aus Bariumferrit hergestellten Dauermagnete eine Ringform gleicher Grösse, einen Aussendurchmesser von etwa 6,85 mm, einen Innendurchmesser von etwa 3,55 mm und eine axiale Länge von etwa 3,56 mm auf, bei einem Gewicht jedes Magneten von nur 0,40 g.
Die beiden Teile 18 und 20 bilden die tassenbzw. topfförmigen Hüllkappen, die die beiden Magnete 15 und 16 in einem geringen Abstand umgeben; der Abstand ist durch die Dicke der zwischen Magnet und Hüllkappe eingefügten unmagnetischen Zwischenlagen 17 und 19 gegeben. Die Hüllkappen sind mit ihren Kappenöffnungen einander zugewandt, ihre Achsen liegen in der gleichen Linie miteinander und koaxial zur Läuferachse, und ihre Kappenränder enden beim dargestellten Ausführungsbeispiel bündig mit den dem aktiven Luftspalt zugewandten Stirnseiten der beiden Dauermagnete. Die Hüllkappen 18 und 20 bestehen aus einem weichmagnetischen Werkstoff, z.B. aus schwach kohlehaltigem oder kaltgewalztem Stahl.
Die Wandstärke der Hüllgappen richtet sich nach der Stärke des von den Kappen zu leitenden Magnetkraftflusses; bei einem ausgeführten Unterlager nach der Erfindung hat sich beispielsweise eine Wandstärke von etwa 0,6 mm bei einem Innendurchmesser von etwa 8,1 mm bewährt. Die Zwischenlagen 17 und 19 können vorteilhaft aus einem Lot bestehen, so dass sie in den Zwischenraum zwischen Magnet und Hüllkappe eingegossen werden können. Es sind viele Lote bekannt, deren Schmelztemperatur niedrig genug ist, um die Magnete beim Eingiessen des Lotes nicht durch Überhitzung zu beeinträchtigen.
Bewährt hat sich beispielsweise eine Lotmischung aus 80% Blei, 5 Zinn und 15,0 Antimon; der Schmelzpunkt dieser Mischung liegt bei einer Temperatur von etwa 275O C, die für Dauermagnete noch unschädlich ist.
Die Hüllkappe 18 weist an ihrem Boden einen konischen Fuss 21 mit einem zylindrischen Fortsatz 22 auf und ist mit diesen Teilen in der Lagerhülse 13 zuverlässig zentriert und fest eingepresst. Der Fortsatz 22 kann zur lFrllöhung seiner Presssitzkraft eine Rändelung aufweisen. Die Hüllkappe 20 weist an ihrem Boden einen Rohrstutzen 23 auf, mit dem sie auf das untere Ende der Läuferachse 1 aufgepresst ist. Der Rohrstutzen 23 und ein angrenzendes Teilstück der Läuferachse 1 sind noch mit einer Verbindungshülse 24 umhüllt, wodurch die Verbindung der Hüllkappe 18 mit der Läuferachse noch fester wird. Rillen und Vorsprünge der Berührungsfläche der Verbindungshülse 24 mit dem Rohrstutzen 23 und der Läuferachse erhöhen die Haltekraft noch weiter. Die Verbindungshülse 24 kann vorteilhaft aus einem schmelzbaren Stoff, z.
B. auf Bleibasis, bestehen.
Die Lagerhülse 13 weist nach oben hin noch einen robrförmigen Fortsatz 25 auf, der nicht nur die Hüllkappe 18 umgibt, sondern auch noch einen be trächtlichen Teil der Hüllkappe 20. Er dient als Stoss- und Berübrungsschutz aller von ihm umschlossenen Teile, besteht aus einem nichtmagnetischen Werkstoff und kann daher zur Erzielung eines besonders wirksamen Schutzes äusserst nahe an die Hüllkappen bzw. an den aktiven Luftspalt herangerückt sein. Aber auch die Hüllkappen 18 und 20 tragen bereits zum mechanischen Schutz der von ihnen umschlossenen Dauermagnete bei.
Die günstigen Flussverhältnisse, die sich durch die Verwendung der weichmagnetischen Hüllkappen ergeben, seien an Hand von Fig. 2 bis 4 noch näher erläutert. In Fig. 2 sind zwei Dauermagnete gezeigt, wie sie bisher ohne Hüllkappe bei Zählern verwendet wurden. Die beiden Magnete sind so magnetisiert, dass sich die eingezeichneten Nordpole N und die eingezeichneten Südpole S ergeben. Die Magnetfelder F dieser beiden Magnete weisen eine grosse Streuung auf.
In Fig. 3 ist zum Vergleich das Magnetfeld der in Fig. 1 vorgesehenen Dauermagnete gezeigt. Wie ersichtlich, ist hier der Streufluss der Magnetfelder ganz erheblich zusammengeschrumpft, das Feld beschränkt sich praktisch auf den aktiven Luftspalt zwischen den beiden Hüllkappen. Man erhält eine flache magnetische Feldverteilung, die eine nur geringe radiale Verschiebung des Läufers aus seiner Normallage zulässt. Das radiale Spiel des Läufers ist auf die Axialwirkung der Magnete weitgehend unabhängig.
In Fig. 4 ist eine Entmagnetisierungskurve A eines Ferrit-Permanentmagneten wiedergegeben, beispielsweise des Magneten 15 in Fig. 1 in der Ausführung in Ferrit, in üblicher Weise mit der gewöhnlich in Gauss aufgetragenen Induktion B als Ordinate und der gewöhnlich in Oersted aufgetragenen Entmagnetisieningskraft H als Abszisse. Der Ferritmagnet 15 allein für sich betrachtet hat auf der Kurve A einen Arbeitspunkt, der sich durch einen Schnitt der Linie C mit der Magnetisierungs- kurve A ergibt. Ist aber der Ferritmagnet 15 von der Hüllkappe 18 umgeben, so ergibt sich der Arbeitspunkt durch den Schnitt der Linie D mit der Entmagnetisierungskurve A.
Wenn schliesslich der Magnet 15 und seine Hüilkappe 18 in der in Fig. 1 dargestellten Gesamtanordnung untersucht werden, so ergibt sich der Arbeitspunkt durch den Schnitt der Linie E mit der Entmagnetisierungskurve A.
Da die beiden Hüllkappen aus einem leicht bearbeitbarem Material bestehen, können sie mit höchster Genauigkeit von Hand oder auch maschinell auf gleichen Aussendurchmesser miteinander gebracht werden. Hiermit können die in radialer Richtung wirksamen Kräfte zwischen dem Läufersystem und dem Statorsystem der Magnetvorrichtung bzw. des Zählers auf ein Minimum herabgesetzt werden.
Ein weiterer Vorteil der Hüllkappen ist es, dass sie die Verwendung von Permanentmagneten (15 und 16) ermöglichen, die mit Unvollkommenheiten wie etwa Spanrauhigkeiten behaftet sind. Bei Verwendung von sprödem Permanentmagnetmaterial, wie z. B. keramischem Material, ist es erwünscht, solche Mängel eines Permanentmagnetmaterials in Kauf nehmen zu können; die Hüllkiappen geben diese Möglichkeit, denn sie machen etwa vorhandene Unvollkommenheiten des Magnetmaterials praktisch wirkungslos.
Die Hüllkappen gewähren auch eine wesentliche Abschirmung der Permanetmagnete, nicht nur ge genüber den schon erwähnten Fremdfeldern, sondern sie verringern auch eine mögliche gegenseitige Beeinflussung zwischen den Magnetfeldern der Dauermagnete und den Triebmagneten des Zählers.
Der Innendurchmesser des Magneten 15 in Fig. 1 kann wesentlich verkleinert und hiermit die Wirksamkeit erhöht werden, ohne dass dadurch der Aussendurchmesser vergrössert zu werden braucht, und ohne dass das Gewicht der Läufereinheit vergrössert wird.
Dies ist noch in Fig. 5 gezeigt, wo der Innendurchmesser des Magneten 1 5a gerade gross genug ist, um eine Umlauffreiheit der Lagernadel 12 zu gewährleisten. Beispielsweise kann der Innendurchmesser etwa 1,6 mm betragen.
Wenn es erwünscht ist, zusätzlich noch besondere Mittel vorzusehen, um ein radiales Pendeln der Läufereinheit zu dämpfen, so kann, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, an der Lagernadel 12 noch eine Dampfungsscheibe 25 aus elektrisch leitendem Werkstoff, z. B. aus Kupfer, angebracht werden. Die übrigen Teile in Fig. 5 sind ähnlich den entsprechenden Teilen in Fig. 1, mit der Ausnahme, dass der Abstand zwischen den Hüllkappen 18 und 20 etwas grösser ist, um Platz für die Dämpfungsscheibe 25 zu schaffen, und dass der Magnet 1 5a, wie erwähnt, einen kleineren Innendurchmesser aufweist. Die Wirkung der Scheibe 25 ergibt sich wie folgt:
Eine radiale Verschiebung des Läufers trachtet die Lagernadel 12 und die daran befestigte Dämpfungsscheibe 25 in radialer Richtung zu bewegen.
Eine solche Bewegung hat zur Folge, dass die Dämpfungsscheibe 25 den vom Magnet 15a erzeugten Magnetfluss schneidet. Hierdurch werden Wirbelströme in der Scheibe 25 und hiermit Kräfte erzeugt, die der Bewegung der Scheibe entgegengerichtet sind und die Läuferverschiebung, die die Bewegung hervorruft, dämpfen.