Freischwebende Halterung eines Läufers mit senkrechter Welle, insbesondere des Läufers eines Induktions-Elektrizitätszählers
Für den Läufer eines Elektrizitätszählers und andere Läufer mit senkrechter Welle sind magnetische Schwebelager in vielen Ausführungsformen bekannt. In der Regel sind es paramagnetische Schwebelager, die durch magnetische Anziehungs- oder Abstossungskraft eines Dauermagneten auf einen paramagnetischen Körper einwirken.
Gewöhnlich ist der paramagnetische Körper an der Läuferwelle und der Dauermagnet feststehend angebracht - auch die umgekehrte Anordnung ist möglich und bekannt , in einer solchen Zueinanderordnung, dass der an der Läuferwelle angebrachte Teil saint dem Läufer durch die Magnetkräfte in der Schwebe gehalten wird. Zur Querstabilisierung der Läuferwelle sind dabei Führungslager für die Welle unerlässlich.
Es sind auch magnetische Schwebelager bekannt, die den Schwebezustand ohne Führungslager ermöglichen.
Bei diesen ist an der Läuferwelle statt eines paramagnetischen Schwebekörpers ein diamagnetischer Schwebekörper in Ringform im Magnetfeld eines Dauermagneten in Topfmagnetform angeordnet. Der diamagnetische Schwebekörper wird von dem Magnetfeld des feststehenden Dauermagneten nicht nur aufwärts weggedrängt, sondern infolge der Ringform von Schwebekörper und Magnetfeld gleichzeitig auch in allen Radialrichtungen zentriert und damit querstabilisiert. Diamagnetische Kräfte sind jedoch im Vergleich zu paramagnetischen Kräften ausserordentlich klein. Wenn also der Schwebezustand eines Läufers ausschliesslich mit diamagnefischen Kräften erreicht werden soll, so darf das Gewicht des Läufers samt Schwebekörper nur sehr klein sein.
Aus diesem Grunde besteht bei einer bekannten Ausführungsform eines Induktions-Elektrizitätszählers mit diamagnetischem Schwebelager der diamagnetische Schwebekörper aus einem Graphitring. Da Graphit nicht nur diamagnetisch, sondern auch elektrisch leitend ist. bildet der Graphitring in diesem Falle zugleich auch den induktiv angetriebenen Läufer des Zählers. Bei grösserem Läufergewicht jedoch sind diamagnetische Kräfte nur in Kombination mit einem paramagnetischen Schwebelager anwendbar, indem ein paramagnetisch wirkendes Schwebelager das Gewicht des Läufers kompensiert, also ausschliesslich eine Längskraft in der Achsrichtung des Läufers ausübt, und die diamagnetischen Mittel praktisch ausschliesslich zur Querstabilisierung der Läuferwelle dienen. Selbst in diesem Falle aber erfordert die diamagnetische Stabilisierung noch einen erheblich grossen Dauermagneten.
Vorgeschlagen worden ist auch schon ein paramagnetisches Schwebelager, bei dem die Querstabilisierung der Läuferwelle wie folgt erzielt wird: Das Gewicht des Läufers wird wiederum mit paramagnetischen Kräften kompensiert, während am unteren Ende der Läuferwelle eine runde Eisenscheibe über einem kleinen gleichstromerregten Topfmagnet angeordnet ist, der die Scheibe mit geringer Kraft abwärts zieht. Diese Abwärtskraft ist nur so klein, dass sie auf den mittels des paramagnetischen Schwebelagers erzielten Schwebezustand praktisch keinen Einfluss hat. Der Erregerwicklung des Topfmagneten ist ein Regelmittel vorgeschaltet, das auf Höhenänderungen der Welle anspricht und die Anziehungskraft des Magneten dauernd auf konstantbleibende Höhenstellung des Läufers regelt.
Als Regelmittel dient dabei beispielsweise eine elektrische Feldplatte im Feld des paramagnetischen Schwebelagers. Bei dieser Einrichtung wird mittels der Eisenscheibe am unteren Ende der Läuferwelle eine Querstabilisierung der Läuferwelle ähnlich wie mit dem obenerwähnten diamagnetischen Ring erzielt.
Auch die Erfindung bezieht sich auf eine freischwe- bende Halterung eines Läufers mit senkrechter Welle, insbesondere des Läufers eines Induktions-Elektrizitätszählers, mit einem den Läufer in der Schwebe haltenden Magnet-Schwebelager und mit Stabiiisiernngsmitteln zur Erhaltung des schwebenden Läufers in seiner senkrechten Lage. Sie löst aber das Problem der Querstabilisierung erfindungsgemäss durch die Verwendung von durch Thomsonkraft wirkende Stabilisierungsmittel. Zu dieser Lösung haben folgende Überlegungen geführt.
Als Thomsonkraft ist die Erscheinung bekannt, dass ein inhomogenes Magnetfeld elektrisch leitende, unmagnetische Körper von sich wegdrängt. Bei Induktions Elektrizitätszählern beispielsweise übt das Magnetfeld der Triebsysteme, das der Erzeugung des Antriebsdrehmomentes der Läuferscheibe des Zählers dient, auf diese Läuferscheibe sowohl in senkrechter als auch in waagerechter Richtung Thomsonkräfte aus, und es ist auch schon bekannt, einen Zähler mit besonderen Mitteln zu versehen, die diese unerwünschte Thomsonkräfte kompensieren. Zum sinnfälligen Vorführen des Thomsoneffektes ist es bekannt, einen Elektromagnet in Topfform mit nach oben gerichteten Magnetpolen mit Hochfrequenz zu erregen und in dem ringförmigen Hochfrequenzfeld des Magneten einen kleinen Ring aus z.B.
Aluminium oder Kupfer zum Schweben zu bringen. Man muss dazu Hochfrequenz anwenden, da die Thomsonkraft von der Frequenz abhängig ist, und da eine Netzfrequenz von z.B. 50 Hz zu geringe Kräfte ergeben würde.
Zur Schwebehalterung eines Läufers, beispielsweise bei einem Elektrizitätszähler, ist also die Thomsonkraft nicht verwendbar, weil einerseits bei einem Zähler in der Regel keine Hochfrequenz zur Verfügung steht, und weil andererseits die Thomsonkraft bei Netzfrequenz zu klein ist, um das Gewicht eines Läufers kompensieren zu können.
Die Erfindung beruht aber auf folgender Erkenntnis : Wenn man, wie bei dem einen der genannten bekannten Schwebelager, zur Schwebehalterung des Läufers magnetische Mittel, insbesondere ein paramagnetisches Schwebelager, verwendet, so kann eine Thomsonkraft auch bei 50 Hz zur Querstabilisierung des Läufers nicht nur mindestens ebenso gut verwendet werden wie bei dem vorgenannten Schwebelager die diamagnetischen Kräfte, sonder sogar noch mit beträchtlichem Vorteil gegenüber diesen: Der Magnetkörper kann bei Verwendung der Thomsonkraft statt einer diamagnetischen Kraft viel kleiner sein, und es kann sogar eine selbsttätige Konstanthaltung der Höhenlage des Läufers eines Elektrizitätszählers unabhängig von dessen Belastung erzielt werden, ohne dass es dazu zusätzlicher Mittel bedarf.
Anhand eines in Fig. 1 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die freischwebende Halterung nach der Erfindung näher erläutert. In Fig. 2 bis 4 der Zeichnung sind Abwandlungsmöglichkeiten und vorteilhafte Weiterbildungen dieser Halterung gezeigt.
In Fig. 1 besteht der in der Schwebe zu haltende Läufer eines Elektrizitätszählers aus der Läuferscheibe 1 und der Läuferwelle 2. Der Läuferscheibe 1 sind in bekannter Weise zwei Triebsysteme 3 und 4 zugeordnet.
Am oberen Ende der Läuferwelle sind zwei kleine zylindrische Dauermagnete 5 und 6 im Feld eines feststehenden ringförmigen Dauermagneten 7 angebracht.
Die Magnete 5 bis 7 bilden in bekannter Weise ein paramagnetisches Schwebelager. Bei der eingezeichneten Polarität dieser Magnete wird der Magnet 5 vom Magnet 7 aufwärts gezogen und der Magnet 6 abwärts gezogen.
Die Grösse und die Stärke des Magneten 6 ist kleiner als die des Magneten 5, so dass die Aufwärtskraft überwiegt und den Läufer in der Schwebe hält. Der Magnet 6 dient zur Justierung dieser Aufwärtskraft und ist daher vorteil haft, z. B. mittels Gewinde, höhenverstellbar.
Am unteren Ende der Läuferwelle 2 ist ein Stabilisie rungskörper 8 in Form einer Scheibe aus elektrisch leitendem, aber unmagnetischem Werkstoff, z.B. aus Aluminium, angebracht. Dieser befindet sich in kleinem Abstand über einem Topfmagneten 9, der mit einer Erregerwicklung 10 versehen ist Der Mittelkern des Topfmagneten 9 ist mit einer aufgesetzten Polscheibe verbreitert, so dass sich zwischen dieser Pol scheibe und dem Wandungsrand des Topfmagneten ein ringförmiges Magnetfeld konzentrisch zur Achse der Läuferwelle bildet. Die Erregerwicklung 10 ist an ein Wechselstromnetz 11 angeschlossen, an das im dargestellten Falle auch die Spannungsspulen der Triebsysteme 3 und 4 angeschlossen sind. An sich könnte aber die Erregerwicklung 10 auch an eine unabhängige Wechselstrom-Spannungsquelle angeschlossen sein.
Liegt die Erregerwicklung 10 an Spannung, so wird der Stabilisierungskörper 8 von dem Feld des Magneten 9 in bekannter Weise nach dem Thomsoneffekt aufwärts gedrängt. Gleichzeitig aber übt das ringförmige Feld auf den Stabilisierungskörper 8 auch eine Querstabilisierung in allen radialen Richtungen und damit eine Zentrierung aus. Da das Gewicht des Läufers allein durch das aus den Teilen 5 bis 7 bestehende paramagnetische Schwebelager kompensiert werden kann, braucht der Topfmagnet 9 lediglich die zur Stabilisierung erforderliche Thomsonkraft aufzubringen, so dass er auch dementsprechend klein sein kann.
In Fig. 2 und 3 sind in der Form abgewandelte Stabilisierungskörper 8 über einem Magneten 9 gezeigt.
In Fig. 2 hat der Stabilisierungskörper die Form einer Scheibe mit einem abwärts gerichteten Randwulst. Der Randwulst hat einen trapezförmigen Querschnitt, desgleichen der Ringspalt des Magneten, in den der Randwulst hineintaucht, wodurch sich eine besonders gute Querstabilisierung ergibt. Für diamagnetische Schwebelager ist das Merkmal der Trapezform eines Schwebekörpers schon anderweitig vorgeschlagen worden. Auch in Fig. 3 weist der Stabilisierungskörper 8 einen abwärts gerichteten Randwulst auf, doch ist dieser hier von einem angesetzten Ring runden Querschnitts gebildet.
Da in Fig. 1 die Erregerwicklung 10 des Magneten 9 an der gleichen Spannungsquelle liegt wie die Spannungsspule der Triebsysteme 3 und 4 des Zählers, so ist die aus den Teilen 8 und 9 bestehende Thomson-Stabilisierungseinrichtung stets wirksam, solange die Spannung am Zähler liegt, d.h., solange der Zähler betriebsbereit ist und zählt. Erst bei Ausfall der Spannung wird die Wirkung des Magneten 9 aufgehoben. Da damit die auf den Läufer aufwärts wirkende Thomsonkraft geringer wird - das aus den Teilen 5 bis 7 bestehende paramagnetische Schwebelager bleibt spannungsunabhängig wirksam, so kann der Stabilisierungskörper 8 unter Umständen am Magneten 9 anstossen und möglicherweise zu Beschädigungen führen.
Um dies zu verhüten, kann gemäss Fig. 4 in einem geringen Abstand unterhalb des Läufers ein Stützlager 12 vorgesehen werden, auf das sich der Läufer bei Spannungsausfall aufsetzen kann.
Die Triebsysteme von Induktionszählern bestehen, wie in Fig. 1, aus einem Spannungsteil und einem Stromteil. In der Regel befindet sich der eine dieser beiden Teile sich dabei oberhalb und der andere unterhalb der Läuferscheibe. Welcher der beiden Teile sich dabei oberhalb beziehungsweise unterhalb befindet, ist für das auf die Läuferscheibe des Zählers auszuübende Antriebsmoment an sich gleichgültig. Bei Verwendung einer freischwebenden Halterung nach der Erfindung aber ist es vorteilhaft, die Anordnung so zu treffen, dass sich der Elektromagnet der Stabilisierungseinrichtung und der Spannungsteil des bzw. der Triebsysteme des Zählers aufeinander entgegengesetzten Seiten der Läufer scheibe befinden, wie es in Fig. 1 der Fall ist.
Die von den Magneten der Spannungsteile auf die Läuferscheibe und damit auf den Läufer in der achsparallelen Richtung wirkenden Thomsonkräfte sind in diesem Falle den Thomsonkräften der Stabilisierungseinrichtung entgegengerichtet, so dass die Höhenlage des schwebenden Läufers weitgehend spannungsunabhängig ist.
Die Höhenlage des schwebenden Läufers kann aber, wenn notwendig, auch stromunabhängig gemacht werden. Hierzu ist lediglich eine zusätzliche Anbringung eines topfförmigen Elektromagneten koaxial zur Läuferwelle erforderlich, der auf der entgegengesetzten Seite der Scheibe wie die Stromeisen der Triebsysteme liegt, proW portional dem Strom des Zählers erregt wird und auf die Läuferscheibe in der Achsrichtung des Läufers eine Kompensierungskraft ausübt.