CH694814A5 - Homopolares, passives, elektrodynamisches Magnetlager mit erhöhter Steifigkeit. - Google Patents

Description

  



   



   Bei der vorliegenden Erfindung geht es um ein Magnetlager gemäss  Anspruch 1: 



   Magnetlager haben grundsätzlich die Aufgabe, einen Rotationskörper  berührungslos durch magnetische Kräfte zu halten. Die Berührungslosigkeit  hat gegenüber konventioneller mechanischer Lager (Kugel-, Wälz- und  Gleitlager) viele Vorteile, so dass einige höchsttourige Anwendungen  erst mit Magnetlager möglich wurden. Zu diesem Bereich gehören u.a.  Turbomolekularpumpen und Ultrazentrifugen. Magnetlager zeichnen sich  dadurch aus, dass sie vollständig verschleiss- und wartungsfrei sind.  Dies bedeutet eine beinahe unendliche Lebensdauer. Magnetlager weisen  keine Reibungswärme auf, sie arbeiten geräusch- und vibrationsfrei  und gewähren somit eine nahezu verlustfreie Lagerung selbst bei sehr  hohen Rotationsgeschwindigkeiten.

   Da für Magnetlager auch keine Schmierung  benötigt wird, werden Anwendungen mit kontaminationsgefährdeten Medien  möglich, wie Lebensmittel- und Blutpumpen, oder Betrieb im Ultrahochvakuum  bzw. Raumfahrt.  Stand der Technik  



   Bei der magnetischen Lagerung unterscheidet man zwischen aktiven  und passiven Magnetlagern. Aktive Magnetlager weisen eine hohe Tragfähigkeit,  hohe Rückstellkräfte (mit Steifigkeiten von 10<5> bis 10<6> N/m),  jedoch sehr kleine Luftspalte (ca. 0,2 mm) auf. Weiter benötigen  sie Lagesensoren und eine Regelelektronik. Allgemein sind aktive  Magnetlager heute noch entsprechend teuer. 



   Passive Magnetlager sind demgegenüber für geringere Rotormassen (ca.  5-10 kg) geeignet. Ihre Rückstellkräfte sind im Vergleich zu den  aktiven Magnetlagern um ca. eine Grössenordnung geringer (mit Steifigkeiten  von 10<4> bis 10<5> N/m) mit Luftspalten in der Grössenordnung von  2-5 mm. Die grösseren Luftspalten der passiven Magnetlager ermöglichen  auch die Rotorlagerung in korrosiven und ätzenden Medien oder bei  Anwendungen mit hohen Temperaturen (eine nichtmagnetische Trennwand  im Luftspalt ist deswegen möglich). Passive Magnetlager sind    infolge  des geringeren Materialaufwandes sowie der fehlenden Regelelektronik  meist zuverlässiger und auch kostengünstiger. 



   Industrielle Anwendungen von Magnetlagern finden sich in Turbomolekularpumpen,  in Gasexpander und Kompressoren, in Textilmaschinenspindeln, Ultrazentrifugen  und Schwungradspeichern, sowie in der Lebensmittelindustrie und in  der Medizinaltechnik. 



   Neben der klassisch mechanischen Rotorlagerung in geschmierten Kugellagern  werden heute auch Kombinationen von Permanentmagnetlagern und Kugellagern  verwendet. Zur vollkommen berührungslosen Lagerung kommen aktiv gesteuerte  Magnetlager verschiedenster Ausführungen zur Anwendung. 



   Es ist nun bereits eine Vorrichtung bekannt (WO 9 832 973 AI), die  als Magnetlager für eine schnelldrehende Turbomolekularpumpe dient.                                                            



   Dieses in der Zeichnung Fig. 1 (Prior Art) dargestellte Magnetlager  10 besteht aus einem stationären Teil 12 (Stator) in Verbindung mit  einem rotationssymmetrischen Permanentmagnet 14 und einem rotierenden  Teil 13 (Rotor), welcher um eine Rotationsachse 11 rotieren kann.  Der Rotor 13 besteht aus einem elektrisch gut leitenden nicht magnetischen  Material, z.B. aus Kupfer oder Aluminium. Der Rotor 13 ist vom im  Stator 12 befestigten Permanentmagnetring 14 durch einen Luftspalt  15 getrennt. Der Permanentmagnet erzeugt im Luftspalt 15 ein in radialer  Richtung inhomogenes Magnetfeld mit einem relativ starken Gradient.  Dies ist so zu verstehen, dass die Intensität des Magnetfeldes in  Richtung zur Rotationsachse 11 abnimmt.

   Die Richtung der magnetischen  Polarisierung des Permanentmagnetringes ist für die Funktion dieses  Magnetlagers belanglos, d.h., dass sowohl die radiale zur Rotationsachse  11 gerichtete Polarisierung 14a oder weg von der Rotationsachse 11  gerichtete Polarisierung 14c, als auch die axiale nach rechts gerichtete  Polarisierung 14b oder nach links gerichtete Polarisierung 14d zur  richtigen Funktion des Magnetlagers führen würde. 



   Eine andere Version des vorbekannten Magnetlagers für die oben erwähnte  Turbomolekularpumpe ist im Fig. 2 (Prior Art) dargestellt. Das Magnetlager  20 diesmal besteht aus einem zweiteiligen Stator 22 und 23, wobei  jeder von den Teilen je einen Permanentmagnetring beinhaltet und  zwar der innere Stator 22 den inneren Permanentmagnetring 25 und  der äussere Stator 23 den äusseren Permanentmagnetring 26. Die magnetische  Polarisierung der Permanentmagnetringe ist so gerichtet, dass die  Magnete einen abstossenden Modus aufweisen. Im freien Raum zwischen  den beiden Permanentmagnetringen 25 und 26 befindet sich ein elektrisch  gut leitender nichtmagnetischer Hohlzylinder 24 als Rotor. Infolgedessen  entstehen in diesem Fall zwischen dem Rotor 24 und den Permanentmagnetringen  25 und 26 zwei Luftspalten, ein innerer Luftspalt 28 und ein äusserer  Luftspalt 27.

   Im Bereich zwischen den beiden Permanentmagnetringen  25 und 26, d.h. im äusseren Luftspalt 27, im Rotor 24 und im inneren  Luftspalt 28 wird ein in radialer Richtung inhomogenes Magnetfeld  erzeugt, das einen noch stärkeren Gradient als im ersten Magnetlagerbeispiel  10 aufweist. 



   Es gibt insgesamt vier Möglichkeiten, wie die Magnetringe polarisiert  werden können: a) beide Magnetringe axial nach rechts gerichtet,  26a, 25a; b) der äussere Magnetring radial zur Rotationsachse 21  und der innere Ring radial weg von der Achse 21 gerichtet, 26b, 25b;  c) oder umgekehrt, der äussere Magnetring radial weg von der Rotationsachse  21 und der innere Ring radial zur Achse 21 gerichtet, 26c, 25c;  d) und letztens beide Magnetringe axial nach links gerichtet, 26d,  25d. 



     Alle vier Polarisierungsmöglichkeiten führen zum oben erwähnten  abstossenden Modus, welcher zur Funktion dieses Magnetlagers 20 notwendig  ist. 



   Es sei noch an dieser Stelle vermerkt, dass die beiden vorbekannten  Magnetlager 10 und 20 ausschliesslich stationäre Permanentmagnete  aufweisen. Bei diesen beiden Magnetlagern 10 und 20 gibt es zwar  keine destabilisierenden Kräfte im Stillstand, jedoch solche Magnetlager  weisen keine axiale Stabilität auf. Nur durch zusätzliche Massnahmen  kann die axiale Stabilität erreicht werden. 



   Weitere zum Stand der Technik gehörende Literatur sind:  Patent-Liste:  



   Conrad, Armin; Lembke, Torbjörn: "Reibungspumpe" EP 0 675 289  A1 Priorität: 26.03.94 



   Conrad, Armin; Lembke, Torbjörn: "Friction pump with magnetic  bearings disposed in the impeller" US 5 547 338 Filed: Mar. 24,  1995 Lembke, Torbjörn: "Magnetically suspended high velocity  vacuum pump" WO 9 832 973 A1 Filed: Jan. 23, 1998 Pinkerton,  Joseph F.: "Magnetic bearing and method utilizing movable closed  conductive loops" US 5 302 874 Filed: Dec. 23, 1992 Post,  Richard F.: "Dynamically stable magnetic suspension/bearing System"  US 5 495 221 Filed: Mar. 9, 1994 Post, Richard F.: "Passive  magnetic bearing element with minimal power losses" US 5 847 480  Filed: Nov. 3, 1995  Wissenschaftliche Literatur:  



     Weitere zum Stand der Technik gehörende Literaturen sind:  Reitz, John R.: "Forces on Moving Magnets due to Eddy Currents"  J. Appl. Phys., 41, 5 (April 1970) 2067-71 Reitz, John R.; Davis,  L. C.: "Force on a Rectangular Coil Moving above a Conducting Slab"  J. Appl. Phys, 43,4 (April 1972) 1547-53 Simone, Michelle; Tichy,  John: "Force Due to a Magnetic Dipole Near a Sliding Conductor:  Application to Magnetic Levitation and Bearings" Trans. ASME, 116  (Oct. 1994) 720-5 Saslow, W. M.: "Maxwell's Theory of Eddy  Currents in Thin Conducting Sheets, and Applications to Electromagnetic  Shielding and MAGLEV Am. J. Phys., 60, 8 (Aug. 1992) 693-711  Post, R. F. et al.: "Research on Ambient-Temperature Passive Magnetic  Bearings at the Lawrence Livermore National Laboratory" LLNL Preprint  UCRL-JC-126208 (April 1997) Prepared for submittal to 6th Int.

    Symp. on Magnetic Bearings, Cambridge, Mass., Aug. 5-7, 1998  Post, R.F.; Ryutov, D. D.: "Ambient-Temperature Passive Magnetic  Bearings: Theory and Design Equations" LLNL Preprint UCRL-JC-129214  (Dec. 30, 1997) Prepared for submittal to 6th Int. Symp. on Magnetic  Bearings, Cambridge, Mass., Aug. 5-7,1998 Stell, Richard L.:  "The Analysis of Eddy Currents" Clarendon Press, Oxford (1974)  Detaillierte Darstellung der Erfindung  



   Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Lagerungsvorrichtung  zustande zu bringen, die in allen Richtungen völlig stabil ist und  keinerlei Stützlager während des Betriebs erfordert. Es ist eine  weitere Aufgabe der Erfindung, wie in Fig. 3 dargestellt ist, einen  möglichst gut geschlossenen Magnetkreis zu bilden und bei Abweichungen  des Rotors 39 von der zentrierten Lage eine grössere Änderung des  magnetischen Hauptflusses im Luftspalt 36 zu erhalten. Die Aufgaben  werden durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. 



     Das passive, elektrodynamische Magnetlager ist ein selbstregelndes  Lager und beruht auf dem Prinzip der durch Änderung des Magnetflusses  entstandenen Wirbelstrominduktion innerhalb elektrisch gut leitender  Strukturen oder in kurzgeschlossenen Spulen. Die Wirbelströme erzeugen  wiederum eigene Magnetfelder und dadurch auch solche Rückstellkräfte,  die die radiale Stabilisierung des Rotors bewirken. 



   Der Ausdruck "homopolares Magnetlager" bedeutet eine Lagerkonstruktion,  bei der das Magnetfeld im System so angeordnet ist, dass der rotierende  Teil während der zentrierten Rotation ein konstantes Magnetfeld verspürt.  Infolgedessen entstehen in der zentrierten Lage keine Hysteresis-  oder Wirbelstromverluste. Deswegen sind solche homopolare Magnetlager  beinahe verlustfrei. 



   Die vorliegende Erfindung baut auf demselben Prinzip auf wie die  schwebenden japanischen MAGLEV Züge (MAGnetic LEVitation), welche  sich, um die Kontaktlosigkeit zu erreichen abstossende Kräfte zwischen  dem Zug und der Unterlage zunutze machen. 



   Wenn ein Magnet über eine elektrisch leitende Fläche geführt wird,  dann werden Wirbelströme auf solche Weise in der Fläche induziert,  dass das durch diese Wirbelströme erzeugte Magnetfeld zu abstossenden  Kräften zwischen dem Magneten und der Fläche führt. Wenn sich nun  der Magnet der Fläche nähert, nimmt die Grösse der induzierten Ströme  zu und damit auch die abstossende Kraft. Man kann dies so verstehen,  dass die in der Metallfläche fliessenden Wirbelströme als fiktive  Magnete mit variabler Magnetisierung aufgefasst werden können. 



   Ein homopolares, passives, elektrodynamisches Magnetlager nach Erfindung  beinhaltet mindestens einen oder mehrere Permanentmagnete, und diese  Permanentmagnete sind so angeordnet, dass sie Wirbelströme in einem  rotierenden elektrisch gut leitenden Teil induzieren und diese ein  Magnetfeld erzeugen, welches eine in radialer Richtung stabilisierende  Kraft auf den Rotor ausübt. 



   Neben dieser zentrierenden Wirkung können rotierende Permanentmagnete  - im Falle, dass der Rotor unerwünschte und stark destabilisierende  Taumelbewegungen ausübt - in einem diesmal stationären elektrisch  gut leitenden Teil Wirbelströme induzieren, welche wiederum entsprechende  Rückstellkräfte erzeugen und dadurch diese Instabilität unterdrücken  und gleichzeitig wirkungsvoll dämpfen. 



   Da die induzierten Ströme und damit die veränderlichen Magnetfelder  nur bei dem rotierenden Hohlzylinder entstehen, ist das Lager bei  Stillstand der Anordnung wirkungslos. Für diesen Fall sind Anlauflager  vorhanden, welche die Rotoranordnung im Stillstand und bei Beginn  der Rotation unterstützen, oder als Fanglager, wenn der Rotor wieder  zum Stillstand kommt. Diese Lager dienen gleichzeitig als Notlager  für die Gesamtanordnung im Betrieb. In der Beschreibung oder in den  Abbildungen wird die Auslegung der Notlager nicht näher betrachtet.  Aufzählung der Zeichnungen  



   Im Folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele  der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen      Fig. 1: (Prior  Art) Ein Magnetlager für eine Turbomolekularpumpe mit einem elektrisch  gut leitenden Zylinder als Rotor und einem ringförmigen Permanentmagneten  als Stator,       Fig. 2: (Prior Art) Eine andere Ausführung dieses  Magnetlagers mit einem elektrisch gut leitenden Rohr als Rotor und  zwei ringförmigen Permanentmagneten im abstossenden Modus als Stator,     Fig. 3: Magnetlager nach Erfindung mit einem elektrisch gut  leitenden Hohlzylinder und mit einem den Verlauf des Magnetflusses  beeinflussenden Teil als Rotor und einem rotationssymmetrischen Permanentmagneten  als Stator,     Fig. 4:

   Eine andere Ausführung des Magnetlagers  nach Erfindung mit zwei elektrisch gut leitenden koaxialen Hohlzylindern,  wobei der innere Hohlzylinder Teil des Stators während der äussere  Teil des Rotors ist,     Fig. 5: Eine weitere Anordnung des Magnetlagers  nach Erfindung mit zwei rotationssymmetrischen Permanentmagneten,  wobei der innere Permanentmagnet Teil des Stators, während der äussere  Permanentmagnet Teil des Rotors ist, und weiter mit einem elektrisch  gut leitenden Hohlzylinder, der im Bereich des magnetischen Hauptflusses  aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht, welches gleichzeitig  eine magnetische Permeabilität von grösser als 1 aufweist,      Fig. 6:

   Eine weitere Anordnung des Magnetlagers nach Erfindung mit  einem rotationssymmetrischen Permanentmagneten als Stator und mit  zwei elektrisch gut leitenden koaxialen Hohlzylindern, die im Bereich  des magnetischen Hauptflusses aus einem elektrisch gut leitenden  Material bestehen, welches gleichzeitig eine magnetische Permeabilität  von grösser als 1 aufweist,     Fig. 7: Eine noch weitere Ausführung  des Magnetlagers nach Erfindung mit zwei rotationssymmetrischen Permanentmagneten,  wobei der elektrisch gut leitende Hohlzylinder aus mehreren koaxial  angeordneten elektrisch leitenden Hohlzylindern so zusammengesetzt  ist, dass alle Hohlzylinder sowohl im mechanischen als auch im elektrischen  Kontakt sind,     Fig. 8a: Eine schematische Zeichnung der Wirbelstrompfade  im Rotor in einer Schnittdarstellung,     Fig. 8b:

   Eine schematische  Zeichnung der Wirbelstrompfade im Rotor in einer Draufsichtdarstellung,     Fig. 9: Eine zusätzliche Variante für alle vorgehende Ausführungen  des Magnetlagers nach Erfindung, wo sich im Luftspalt zwischen dem  rotierenden und stationären Teil im Bereich des stärksten magnetischen  Hauptflusses eine magnetische Flüssigkeit befindet.   Ausführung  der Erfindung  



   Die Erfindung soll anhand der Abbildungen Fig. 3 bis 9 näher erläutert  werden. Das homopolare, passive, elektrodynamische Magnetlager 30  nach Erfindung besteht aus einem stationären Teil 38 (Stator), d.h.  aus einer Stütze 32 in Verbindung mit einem rotationssymmetrischen  Permanentmagnet 34 und einem rotierenden Teil 39 (Rotor) in Form  eines Hohlzylinders 33, welcher um eine Rotationsachse 31 rotieren  kann. Der Rotor 39 besteht aus einem elektrisch gut leitenden nicht  magnetischen Hohlzylinder 33, welcher z.B. aus Kupfer oder Aluminium  hergestellt ist, und aus einem den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden  Teil 35 (obere Hälfte der Abbildung Fig. 3), welcher entweder aus  einem    weichmagnetischen Material 35a, z.B. Eisen, besteht.

   Der  Rotor 39, bzw. der Hohlzylinder 33, ist vom im Stator 38 befestigten  Permanentmagnetring 34 durch einen mechanischen Luftspalt 36 getrennt.                                                         



   Der Permanentmagnet 34 erzeugt im Luftspalt 36 in radialer Richtung  ein Magnetfeld, das sich durch den rotierenden Hohlzylinder 33 und  das weichmagnetische Material 35a schliesst und dessen eine magnetische  Kraftlinie 37 in der Abbildung Fig. 3 dargestellt ist. Es ist deutlich  sichtbar, dass der Magnetfluss des linken magnetischen Luftspaltes  von der linken Stirnseite des stationären Permanentmagneten 34 über  den mechanischen Luftspalt 36 und den rotierenden Hohlzylinder 33  zur linken Stirnseite des den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden  Teiles 35 (bzw. 35a oder 35b) verläuft. Auf der rechten Seite ist  der Verlauf des Magnetflusses ähnlich, nur dass der Magnetfluss dort  in entgegengesetzter Richtung verläuft. 



   Das im Fig. 3 wiedergegebene Magnetlager 30 nach Erfindung (und ähnlich  die weiteren unten erwähnten Lager) ist als eine Version mit einem  inneren Stator und einem äusseren Rotor in der Abbildungen dargestellt.  Es ist selbstverständlich, dass die Wirkungsweise des Lagers grundsätzlich  erhalten bleibt, auch wenn die Lage des Rotors mit der Lage des Stators  ausgetauscht wird. 



   Als ein anderes Ausführungsbeispiel des Magnetlagers nach Erfindung  soll anhand derselben Abbildung Fig. 3 erwähnt werden. In diesem  Fall kann der Teil 35 (die untere Hälfte der Abbildung Fig. 3), welcher  den Verlauf des Magnetflusses beeinflusst, aus einem hartmagnetischen  Material, d. h. aus einem weiteren Permanentmagneten 35b bestehen,  wobei die magnetische Polarisierung von den beiden im Magnetkreis  eingegliederten Permanentmagneten 34 und 35b additiv ist. Genau so,  wie im oben erwähnten Fall das weichmagnetische Material 35, ist  nun der Permanentmagnet 35b Bestandteil des Rotors und ist mit dem  rotierenden elektrisch gut leitenden Hohlzylinder 33 mechanisch fest  verbunden. 



   Im Gegensatz zu den auf Fig. 1 und 2 (Prior Art) dargestellten Magnetlagern  entstehen im Luftspalt 36 des Magnetlagers 30 nach Erfindung (Fig.  3) anziehende Kräfte, die das Magnetlager axial stabilisieren, aber  beim Stillstand oder während den niedrigeren Drehzahlen radial instabil  machen. Dies könnte auf den ersten Blick als Nachteil beurteilt werden,  was jedoch, wie später erklärt wird, zu einer besseren Fuktionsfähigkeit  des Magnetlagers führt. Es sollte betont werden, dass das Magnetlager  30 nach Erfindung neben den stationären Magnetteilen 34, auch rotierende  Magnetteile 35b beinhaltet. 



   Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie die Magnetringe polarisiert werden  können. Wir begrenzen uns jedoch in der Beschreibung ausschliesslich  auf die axiale Polarisierung, die für die vorliegende Anwendung von  leistungsfähigeren anisotropen Permanentmagneten aus Herstellungsgründen  vorteilhaft ist: 



   1) Im Falle, dass der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende  Teil 35 aus einem weichmagnetischen Material besteht, wird: a)  der Magnetring 34 axial nach links 34a und der weichmagnetische Ring  35 indifferent 35a polarisiert b) der Magnetring 34 axial nach  rechts 34b und der weichmagnetische Ring 35 ebenso indifferent 35a  polarisiert 



     2) Im Falle, dass der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende  Teil 35 aus einem hartmagnetischen Material, d.h. aus einem weiteren  Permanentmagneten besteht, wird: a) der Magnetring 34 axial nach  links 34a und der Magnetring 35 axial nach rechts 35b polarisiert  b) der Magnetring 34 axial nach rechts 34b und der Magnetring 35  axial nach links 35c polarisiert. 



   Alle von diesen vier Polarisierungsmöglichkeiten führen zum oben  erwähnten anziehenden Modus, welcher zur Funktion dieses Magnetlagers  30 notwendig ist. 



   Eine weitere Ausführung des Magnetlagers nach Erfindung ist in Fig.  4 gezeigt. Einfachheitshalber ist nur die obere Hälfte oberhalb der  Rotationsachse 31 des Magnetlagers dargestellt. Das Magnetlager 40  besteht wiederum aus einem rotierenden Teil 39, welcher aus einem  nicht magnetischen und elektrisch gut leitenden Hohlzylinder 33 und  einem den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teil 35 zusammengesetzt  ist und aus einem stationären Teil 38, d.h. aus einer Stütze 32 in  Verbindung mit einem axial polarisierten rotationssymmetrischen Permanentmagneten  34, welcher diesmal noch mit einem zusätzlichen nichtmagnetischen  elektrisch gut leitenden Hohlzylinder 47 mechanisch fest verbunden  ist. Die beiden Hohlzylinder, d.h. der rotierende Hohlzylinder 33  und der stationäre Hohlzylinder 47, sind mechanisch durch einen Luftspalt  36 getrennt. 



   Der Permanentmagnet 34 erzeugt im Luftspalt 36 in radialer Richtung  wiederum ein Magnetfeld, das sich durch den stationären Hohlzylinder  47, den rotierenden Hohlzylinder 33 und das weichmagnetische Material  35 schliesst und dessen eine magnetische Kraftlinie 37 in der Abbildung  Fig. 4 dargestellt ist. Es ist deutlich sichtbar, dass der Magnetfluss  des linken magnetischen Luftspaltes 36 von der linken Stirnseite  des stationären Permanentmagneten 34, über den stationären Hohlzylinder  47, den mechanischen Luftspalt 36 und den rotierenden Hohlzylinder  33 zur linken Stirnseite des den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden  Teiles 35 verläuft. Auf der rechten Seite ist der Verlauf des Magnetflusses  ähnlich, nur der Magnetfluss dort in entgegengesetzter Richtung verläuft.

    Es ist zu beachten, dass der magnetische Luftspalt in radialer Richtung  länger als der mechanische Luftspalt 36 ist. 



   Der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende Teil 35 kann selbstverständlich  im Sinne der in der Abbildung Fig. 3 dargestellten Kombinationen  (34a, 35b oder 34b, 35c) durch einen Permanentmagnet ersetzt werden.                                                           



   In der Abbildung Fig. 5 ist ein weiteres Magnetlager 50 gezeigt.  Einfachheitshalber ist wieder nur die obere Hälfte oberhalb der Rotationsachse  31 des Magnetlagers dargestellt. Der stationärer Teil 38 ist aus  einem axial polarisierten rotationssymmetrischen Permanentmagneten  34, aus einem linken Polschuh 42 und einem rechten Polschuh 41 zusammengesetzt,  wobei die beiden Polschuhe aus einem weichmagnetischen Material,  z.B. aus Eisen, bestehen. 



   Der rotierende Teil 39 ist auch aus einem axial polarisierten rotationssymmetrischen  Permanentmagneten 35b, aus einem linken Polschuh 44 und einem rechten  Polschuh 43 zusammengesetzt, wobei die beiden Polschuhe ebenso aus  einem weichmagnetischen Material, z.B. aus Eisen, bestehen. Der rotierende  nichtmagnetische elektrisch gut leitende Hohlzylinder 33 ist mit  den beiden rotierenden Polschuhen 44 und 43 mechanisch fest verbunden.                                                         



   Bei höheren Drehzahlen, d.h. bei höheren Frequenzen haben generell  die elektrischen Ströme eine Tendenz, nur unmittelbar unter der Leiteroberfläche  zu fliessen (der so genannte Skineffekt). Deswegen, um die Durchdringungstiefe  des Magnetfeldes in das Material zu erhöhen, können die Polschuhe  42, 41, 44 und 43 und der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende    Teil 35 laminiert, d.h. geblecht werden oder aus so einem Material  hergestellt werden, das gleichzeitig eine hohe magnetische Permeabilität,  eine hohe magnetische Sättigung und einen hohen elektrischen spezifischen  Widerstand aufweist, wie es z.B. bei kunststoffgebundenen Pulverkernen  der Fall ist. 



   Das Material des Hohlzylinders 33 ist im Bereich des magnetischen  Hauptflusses 46 und 45 durch ein anderes Material ersetzt, welches  neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine relative Permeabilität  von grösser als 1 aufweist. Das könnte z.B. ein metallischer, insbesondere  ein anisotropischer Verbundstoff sein. Die Ringe 46 und 45 sind mit  den restlichen Hohlzylindern 33 mechanisch fest verbunden, z.B. durchs  Löten oder Schweissen, insbesondere durchs Reibungsschweissen, wobei  die beiden Ringe 46 und 45 mit den restlichen Hohlzylindern 33 auch  in einem guten elektrischen Kontakt sind, so dass der elektrische  Übergangswiderstand zwischen den zusammengesetzten Hohlzylindern  33 und Ringen 46 und 45 möglichst klein wird. 



   Aus der Abbildung Fig. 5 ist es deutlich sichtbar, dass im diesen  Fall der mechanische, den Rotor 39 und Stator 38 trennende Luftspalt  36 mit dem magnetischen Luftspalt geometrisch übereinstimmt. Dadurch  wird ein gut geschlossener Magnetkreis ohne nennenswerte Streuung  gebildet, und der magnetische Hauptfluss im Luftspalt nimmt eine  grössere Intensität auf, und dies beinahe unabhängig von der radialen  Dicke des Hohlzylinders 33. Auf der linken Seite verläuft der Luftspalt  zwischen der äusseren Umfangsfläche des Polschuhes 42 und der inneren  Umfangsfläche des Ringes 46, auf der rechten Seite zwischen der inneren  Umfangsfläche des Ringes 45 und der äusseren Umfangsfläche des Polschuhes  41. Der Verlauf einer magnetischen Kraftlinie ist wiederum mit Ziffer  37 markiert. 



   Die in der Abbildung Fig. 5 gezeigte Verbesserung kann im Sinne der  Abbildung Fig. 4 noch weiter geführt werden. Wie im Fig. 6 dargestellt  ist, beinhaltet das Magnetlager 60 einen stationären Teil 38, welcher  aus einer Stütze 32, aus einem axial polarisierten rotationssymmetrischen  Permanentmagneten 34, aus einem linken 42 und einem rechten weichmagnetischen  Polschuh 41 und aus einem nichtmagnetischen elektrisch gut leitenden  Hohlzylinder 47 besteht. Weiter beinhaltet das Magnetlager 60 einen  rotierenden Teil 39, welcher aus einem nichtmagnetischen elektrisch  gut leitenden Hohlzylinder 33 und aus einem den Verlauf des Magnetflusses  beeinflussenden Teil 35 besteht, welcher wiederum z. B. aus Eisen  hergestellt ist. 



   Das Material des rotierenden Hohlzylinders 33, so wie des stationären  Hohlzylinders 47, ist im Bereich des magnetischen Hauptflusses 46,  45, 49 und 48 durch ein anderes Material ersetzt, welches neben einer  guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine relative Permeabilität  von grösser als 1 aufweist.

   Die Ringe 46, 45, 49 und 48 sind mit  den restlichen Hohlzylinderteilen 33, bzw. 47 mechanisch fest verbunden,  z.B. durchs Löten oder Schweissen, insbesondere durchs Reibungsschweissen,  wobei die beiden Ringe 46 und 45 mit den restlichen Hohlzylinderteilen  33, so wie die beiden Ringe 49 und 48 mit den restlichen Hohlzylinderteilen  47, auch in einem guten elektrischen Kontakt sind, so dass der elektrische  Übergangswiderstand zwischen den zusammengesetzten Hohlzylindern  33 und Ringen 46 und 45, so wie zwischen den zusammengesetzten Hohlzylindern  47 und Ringen 49 und 48, möglichst klein wird. 



   Der Permanentmagnet 34 erzeugt im Luftspalt 36 in radialer Richtung  ein Magnetfeld, das sowohl durch den rotierenden Hohlzylinder 33  als auch durch den stationären Hohlzylinder 47 verläuft und zwar  durch die Ringe 46 und 45, bzw. 49 und 48, welche aus einem Material,  das neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine relative  Permeabilität von grösser als 1 aufweist. Weiter schliesst sich das  Magnetfeld durch das weichmagnetische Material 35, wobei    eine  magnetische Kraftlinie 37 in der oberen Hälfte der Abbildung Fig.  6 über der Rotationsachse 31 dargestellt ist. 



   Es ist deutlich ersichtlich, dass der Magnetfluss des linken magnetischen  Luftspaltes von der linken Stirnseite des stationären Permanentmagneten  34, durch den linken Polschuh 42 und Ring 49 über den mechanischen  Luftspalt 36 und den rotierenden Ring 46 zum den Verlauf des Magnetflusses  beeinflussenden Teil 35 verläuft. Auf der rechten Seite ist der Verlauf  des Magnetflusses ähnlich, beginnend vom Verlauf des Magnetflusses  beeinflussenden Teil 35, durch den rotierenden Ring 45, über den  mechanischen Luftspalt 36, durch den stationären Ring 48 und Polschuh  41 zur rechten Stirnseite des stationären Magneten 34. 



   Ferner ist es aus der Abbildung Fig. 6 deutlich erkennbar, dass auch  im diesen Fall der mechanische, den Rotor und Stator trennende Luftspalt  36 mit dem magnetischen Luftspalt geometrisch übereinstimmt. Dadurch  wird ein gut geschlossener Magnetkreis ohne nennenswerte Streuung  gebildet und der magnetische Hauptfluss im Luftspalt nimmt eine grössere  Intensität auf, und dies beinahe unabhängig von der radialen Dicke  der Hohlzylinder 33 und 47. Gleichzeitig wird bei Abweichungen des  Rotors 39 von der zentrierten Lage oder bei Taumelbewegungen des  Rotors eine grössere Änderung des magnetischen Hauptflusses im Luftspalt  36 erzielt. Daraus folgt, dass stärkere Wirbelströme in den elektrisch  gut leitenden Hohlzylindern 33 und 47 induziert werden und infolgedessen  auch eine erhöhte Steifigkeit des Magnetlagers 60 erreicht wird. 



   Eine noch weitere Ausführung des Magnetlagers 70 ist in der Abbildung  Fig. 7 gezeigt. In diesem Fall ist der elektrisch gut leitende stationäre  Hohlzylinder 47 aus mehreren koaxial angeordneten elektrisch leitenden  Hohlzylindern 61, 62, 63 und 64 so zusammengesetzt, dass alle Hohlzylinder  61, 62, 63 und 64 sowohl im mechanischen als auch im elektrischen  Kontakt sind. Es ist von besonderer Wichtigkeit, dass der elektrische  Übergangswiderstand auf der Kontaktfläche 65 zwischen den zusammengefügten  Hohlzylindern 61, 62, 63 und 64 möglichst klein gehalten wird. Die  zusätzlich elektrisch leitenden Hohlzylinder 62, 63 und 64 mit dem  den Luftspalt 36 -angrenzenden Hohlzylinder 61 können z.B. durch  Ausnutzung der Wärmeausdehnung und durch nachfolgende mechanische  Pressung fest verbunden werden.

   Um den Übergangswiderstand noch kleiner  zu machen, können die Kontaktflächen 65 zwischen allen zusammengefügten  Hohlzylindern z.B. auch mit Silber beschichtet werden. 



   Es ist selbstverständlich, dass im Sinne der Abbildungen Fig. 4 und  6 auch der rotierende Hohlzylinder 33 ebenso aus mehreren koaxial  angeordneten Hohlzylindern zusammengesetzt werden kann. 



   Eine schematische Darstellung der Wirbelstrompfade im Rotor 39 ist  in den Abbildungen Fig. 8a und 8b gezeigt. Sobald sich der Rotor  39 aus der zentrierten Lage bewegt, ändern sich auch die Ausmasse  des Luftspaltes 36 und entstehen somit Flussänderungen 71 und 72  im Magnetkreis 37. Durch diese Flussänderungen werden Wirbelströme  73 und 74 erzeugt. Wie aus der Abbildung Fig. 8b deutlich zu sehen  ist, fuhren die Wirbelstrompfade 73 und 74 durch das Material 46  und 45 hindurch. Dieses Material 46 und 45, wie bereits oben erwähnt,  weist neben einer relativen Permeabilität von grösser als 1 auch  eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Um die Intensität der Wirbelströme  73 und 74 im Hohlzylinder 33 nicht zu beeinträchtigen, ist die gute  elektrische Leitfähigkeit dieses Materials von grösster Wichtigkeit.

    Jede Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Wirbelstrompfade  73 und 74 - insbesondere im Bereich des magnetischen Hauptflusses  46 und 45 - hat eine Erhöhung der Intensität der im Hohlzylinder  33 induzierten Wirbelströme zur Folge. Infolgedessen werden auch  stärkere Rückstellkräfte im Magnetlager entstehen. Die relative Permeabilität  des Materials 46 und 45 von grösser als 1 hilft wieder den Magnetkreis  37 besser zu schliessen und damit die unerwünschten    magnetischen  Streuflüsse zu reduzieren, was wiederum eine erhöhte Steifigkeit  des Magnetlagers erbringt. 



   In der letzten Abbildung Fig. 9 ist ein Teil 80 des Magnetlagers  50, 60 oder 70 dargestellt, wo sich im Luftspalt 36 zwischen dem  rotierenden 33 und stationären 47 Hohlzylindern im Bereich des stärksten  magnetischen Hauptflusses 37, wo auch die magnetisch und elektrisch  gut leitenden Ringe 46, 45, 49 und 48 angeordnet sind, eine ferromagnetische  Flüssigkeit 52 und 51 befindet. Eine magnetische Flüssigkeit (Ferrofluid)  ist eine kolloidale Dispersion feiner magnetischer Teilchen, welche  in einem flüssigen Träger schweben. Da sich die relativen Permeabilitäten  der magnetischen Flüssigkeiten im Bereich von 1,5 bis 5 bewegen,  bedeutet die Anwesenheit solcher magnetischen Flüssigkeiten im Luftspalt  eine Reduzierung der Luftspaltreluktanz, was zu einer noch erhöhten  Steifigkeit des Magnetlagers führt.

   Die absolute Berührungslosigkeit  zwischen dem Rotor 39 und Stator 38 des Magnetlagers geht zwar verloren,  aber für eine gewisse Art von relativ langsamtourigen Anwendungen,  wo eine schwache hydrodynamische Reibung nicht hinderlich wird, könnte  diese Variante durchaus annehmbar sein. 



   Alle die oben aufgezählten Varianten des Magnetlagers 30, 40, 50,  60, 70 und 80 nach Erfindung weisen eine axiale Stabilität nach dem  Prinzip der minimalen magnetischen Reluktanz auf, d.h. durch direkt  wirkende Rückstellkraft des bei einer axialen Verschiebung veränderten  magnetischen Hauptflusses. Infolgedessen gibt es destabilisierende  radiale Kräfte im Stillstand, welche jedoch mit zunehmender Drehzahl  des rotierenden Teiles 39 abnehmen, bis sie bei noch höherer Drehzahl  in abstossende Rückstellkräfte umgewandelt werden. Dadurch wird das  Magnetlager in allen restlichen Freiheitsgraden, abgesehen von der  Rotationsrichtung, stabilisiert. 



   Interessanterweise, je grösser die radiale Instabilität im Stillstand  ist, desto stärker wird auch die gewünschte radiale Dämpfung bei  der Nenndrehzahl. Die zur Stabilisierung notwendige Energie wird  aus der Rotation bezogen. Aufgrund der homopolaren Auslegung des  Magnetlagers erfährt der Rotor 39 in der zentrierten Lage ein konstantes  Magnetfeld, so dass während der Rotation weder Hysteresis- noch Wirbelstromverluste  entstehen.

Claims (10)

1. Homopolares, passives, elektrodynamisches Magnetlager (30, 40, 50, 60 und 70) bestehend aus einem rotierenden (39), und einem stationären Teil (38) mit mindestens einem rotationssymmetrischen Permanentmagneten (34), sowie mindestens einem elektrisch gut leitenden koaxial angeordneten Hohlzylinder (33 und 47), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hohlzylinder (33 und 47) Teil mindestens eines der beiden Magnetlagerteile (39 und 38) ist, wobei ein zwischen den beiden Magnetlagerteilen (38 und 39) bestehender Magnetfluss (37) durch den mindestens einen Hohlzylinder (33 und 47), über den zwischen den Magnetlagerteilen bestehenden Luftspalt (36) und durch einen den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teil (35) schliesst, so dass zwischen den beiden Magnet-lagerteilen (38 und 39) im Stillstand anziehende Kräfte wirken,

welche mit zunehmender Drehzahl des rotierenden Teiles (39) abnehmen, bis sie bei noch höherer Drehzahl in abstossende Rückstellkräfte umwandelbar sind.

2. Magnetlager (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende Teil (35) aus einem weichmagnetischen Material (35a) besteht.

3. Magnetlager (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende Teil (35) aus mindestens einem weiteren rotationssymmetrischen Permanentmagneten (35b) besteht, wobei die magnetische Polarisierung von allen im Magnetflusskreis eingegliederten Permanentmagneten additiv ist (34a und 35b, 34b und 35c).

4.

Magnetlager (50 und 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der koaxial angeordneten Hohlzylinder (33 und 47) im Bereich des magnetischen Hauptflusses (46 und 45, 49 und 48) neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine relative Permeabilität von grösser als 1 aufweist.

5. Magnetlager (50 und 60) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlzylindermaterial im Bereich des magnetischen Hauptflusses (46 und 45, 49 und 48) aus einem metallischen Verbundstoff, insbesondere aus einem anisotropen Verbundstoff besteht, bei dem die Ausgangsubstanzen gesintert oder verbacken sind.

6.

Magnetlager (70) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch gut leitende Hohlzylinder (47, 33) aus mehreren koaxial angeordneten elektrisch leitenden Hohlzylindern (61, 62, 63 und 64) besteht und so zusammengesetzt ist, dass alle diese koaxial angeordneten Hohlzylinder (61, 62, 63 und 64) sowohl im mechanischen als auch im elektrischen Kontakt sind, so dass der elektrische Übergangswiderstand auf der Kontaktfläche (65) zwischen den zusammengefugten koaxial angeordneten Hohlzylindern (61, 62, 63 und 64) möglichst klein wird.

7.

Magnetlager (70) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Luftspalt (36) angrenzende Hohlzylinder (61) von den koaxial angeordneten Hohlzylindern mit den übrigen koaxial angeordneten Hohlzylindern (62, 63 und 64) durch Ausnutzung der Wärmeausdehnung und durch nachfolgende mechanische Pressung fest verbindbar ist, so dass ein minimaler elektrischer Übergangswiderstand auf der Kontaktfläche (65) zwischen allen zusammengefügten Hohlzylindern (61, 62, 63 und 64) gewährleistet ist.

8.

Magnetlager (50 und 60) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch gut leitende Hohlzylinder (33 und 47) teilweise aus Kupfer besteht und dass die ringförmigen Rohrteile an den Stellen des stärksten radialen magnetischen Hauptflusses (46 und 45, 49 und 48) aus Eisen bestehen, wobei in der axialen Richtung eine gute mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Eisenringen (46 und 45, 49 und 48) und dem Kupferrohr (33 und 47) gewährleistet ist.

9. Magnetlager (50 und 60) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenringe (46 und 45, 49 und 48) mit dem Kupferrohr (33 und 47) zusammen gelötet oder geschweisst, insbesondere reibungsgeschweisst sind.

10.

Magnetlager (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (36) zwischen den beiden Magnetlagerteilen (38 und 39) im Bereich des magnetischen Hauptflusses (46 und 45, 49 und 48) eine ferromagnetische Flüssigkeit (51 und 52) enthält.