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Die
Erfindung betrifft ein Magnetlager für die magnetische Zentrierung
eines beweglichen Körpers entlang
wenigstens einer Achse in Bezug auf einen festen Körper, das
ferner Mittel aufweist, die geeignet sind, eine Kippsteuerung mit
einer Winkelbewegungsfreiheit von wenigstens plus oder minus 5° zu gewährleisten,
die plus oder minus 15° erreichen oder
sogar überschreiten
kann.
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Bekanntlich
kann die magnetische Zentrierung eines Körpers in Bezug auf einen anderen
entlang einer gegebenen Achse passiv oder aktiv erfolgen, je nachdem,
ob die magnetischen Flüsse,
die diese Zentrierung gewährleisten,
passiv von permanent magnetisierten Elementen oder wenigstens zum Teil
aktiv durch Wahl der geeigneten Amplitude eines an Wicklungen angelegten
Erregerstromes erzeugt werden.
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Die
Zentrierung eines Körpers
in Bezug auf einen anderen in drei verschiedenen, nicht koplanaren
Achsen kann aus physikalischen Gründen nur passiv erfolgen.
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Die
Verwendung von Permanentmagneten hat bei einer gegebenen Zentrierleistung
den Vorteil, daß die
für die
Zentrierung erforderliche elektrische Energie im Vergleich zu einer
Konfiguration ohne Magnet minimiert wird.
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In
der Praxis kann der Körper,
der in Bezug auf einen festen Körper
zentriert werden soll, unterschiedliche Freiheitsgrade in Bezug
auf diesen festen Körper
haben. Zum Beispiel kann der bewegliche Körper ein Rotor sein, der zu
einer permanenten oder nicht-permanenten Drehbewegung um eine Drehachse
angetrieben ist, die häufig
mit einer der drei Zentrierachsen zusammenfällt. Eine solche Konfiguration
hat eine große
praktische Bedeutung, insbesondere auf dem Gebiet der Raumfahrt,
bei Trägheits-
oder Kreiselrädern
oder bei Reaktionsrädern.
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Zusätzlich zu
dieser Drehbewegung kann es notwendig sein, eine Kippbewegung um
eine oder mehrere zur Drehachse transversale Achsen zu gewährleisten.
Deshalb ist es auf dem Gebiet der Satelliten nützlich, die Drehachse eines
Trägheits-
oder Reaktionsrades neigen zu können,
z. B. um zur Lagesteuerung des Satelliten beizutragen.
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Es
sind bereits Magnetlager vorgeschlagen worden, die die Möglichkeit
der Kippung erwähnen. Insbesondere
kann das Dokument
WO
89/12178 A1 genannt werden.
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Aus
der
DE 195 35 905
A1 ist eine elektromagnetische Verstelleinrichtung zum
Verstellen einer mittels einer Innenkardan-Lagerung um einen zentralen
Schwenkpunkt schwenkbar gelagerten Plattform bekannt.
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Im
allgemeinen verlieren die Magnetlager, bei denen eine Möglichkeit
der Kippung erwähnt
wird, schnell ihre Zentrierfähigkeit,
sobald die Kippung Winkel in der Größenordnung von 1° übersteigt.
Bei dem oben genannten Dokument
WO 89/12178 A1 wird eine Kippbewegung um
zur Drehachse transversale Achsen nur als eine Störung erwähnt, die
kompensiert werden muß.
Außerdem
erlaubt die global plane (parallel zur Drehachse stark abgeflachte) Konfiguration
der diversen Komponenten der beschriebenen Vorrichtung keine Kippbewegung
mit großer
Amplitude (nicht mehr als in der Größenordnung von einem Grad).
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Eine
Kippsteuerung mit einer großen
Bewegungsfreiheit scheint a priori schwer zu realisieren, denn um
starke Drehmomente elektromagnetisch erzeugen zu können, scheint
es notwendig, über
starke Wicklungen zu verfügen
(um lokal starke Kräfte
zu erzielen), und sie in einem großen Abstand um eine durch diesen
Mittelpunkt verlaufende Bezugsachse anzuordnen (damit diese Kräfte zu großen Drehmomenten
führen).
Diese zwei Anforderungen zwingen dazu, die Elemente, die gemeinsam
die Kippsteuerung gewährleisten,
auf einem Kreis von großem Durchmesser
anzuordnen; wenn man eine Kippbewegung mit einer großen Winkelbewegungsfreiheit steuern
will, ist es notwendig, daß die
Elemente, die diese Bewegung gewährleisten,
sich parallel zu der Bezugsachse über eine große Entfernung
erstrecken, doch stellt sich dann das Problem, daß die Kippbewegung
bestimmte Oberflächen
verschiebt und neigt, die die Luftspalte bilden, durch die die von den
Wicklungen erzeugten magnetischen Flüsse fließen, was zu einer Verringerung
der Breite von manchen dieser Luftspalte führt; wenn man verhindern will,
daß diese
Breite Null wird, muß man
diesen Luftspalten eine große
nominale Breite geben, was für
einen gegebenen Flußpegel
in diesen dazu zwingt, die Größe der Wicklungen
und die an sie anzulegende Leistung zu erhöhen. Außerdem ist darauf zu achten,
daß jeder
Kontakt zwischen den Oberflächen,
die die anderen Luftspalte des Lagers bilden, insbesondere denjenigen,
die zur Zentrierung des beweglichen Körpers, parallel oder quer zu
der Bezugsachse, dienen, vermieden wird.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Magnetlager (manchmal wird sprachmißbräuchlich
von magnetischer Aufhängung
gesprochen), das in der Lage ist, eine Kippbewegung eines um einen
Kippmittelpunkt kippbeweglichen ersten Körpers in Bezug auf einen zweiten
Körper
mit Kippbewegungsfreiheiten von wenigstens plus oder minus 5° zu steuern,
die deutlich größer als
die mit den gegenwärtig
bekannten Magnetlagern erreichbar sind, und die insbesondere Kippwinkel
von plus oder minus 15° erreichen oder
sogar überschreiten
können,
das gute Zentriereigenschaften parallel und quer zu einer Bezugsachse
aufweist, aber nur einen geringen Energieverbrauch hat.
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Des
weiteren hat sie ein Magnetlager des oben erwähnten Typs zum Gegenstand,
das kompakt innerhalb eines einen freien mittleren Raum umgebenden
ringförmigen
Volumens ist, so daß ein
Einbau eines Gerätes
in der Mitte des Lagers bequem möglich
ist.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die Erfindung ein Magnetlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor.
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Die
Tatsache, daß die
Oberflächen,
welche die zur Erzeugung der Kippkräfte dienenden Luftspalte definieren,
eine nicht verschwindende Neigung im Bezug auf die Bezugsachse haben,
ermöglicht
eine Konstanz der Breite dieser Luftspalte und damit eine Konstanz
der Kippsteuereigenschaften bei geringem Stromverbrauch (es genügt, einen
geringen Wert für
diese konstante Breite zu wählen).
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A
posteriori mag es offensichtlich erscheinen, diesen Luftspalten
eine nichtverschwindende Neigung zu geben, doch ist dies nach den
Kenntnissen der Erfinder bislang nicht vorgeschlagen worden, zweifellos
aufgrund bestimmter Vorurteile, darunter die Annahme, daß eine Neigung
der die Luftspalte definierenden Oberflächen a priori inkompatibel
mit der Existenz einer Bewegungsfreiheit parallel zu dieser Bezugsachse
sei (einer Bewegungsfreiheit, innerhalb von der die axiale Zentrierung
stattfinden muß),
und/oder die Annahme, daß es
sicher sehr schwierig sei, solche geneigten Oberflächen praktisch
herzustellen und anschließend
die diversen ortsfesten und beweglichen Elemente des Lagers berührungslos
so zu positionieren, daß die
Gesamtheit der sowohl zur Zentrierung als auch zur Kippbewegung
beitragenden Luftspalte tatsächlich
die gewünschten
Geometrien und Abmessungen hätten. Schließlich gab
es zweifellos das Vorurteil, das in der Annahme bestand, daß eine Kippsteuerung
mit großer
Bewegungsfreiheit mit der Existenz einer magnetischen Zentrierung
inkompatibel sei, weil die bekannten magnetischen Zentriervorrichtungen
eine Zentrierung in drei Richtungen (z. B. der Bezugsachse und zwei
Querachsen) nur dann gewährleisten können, wenn
der bewegliche Körper
in Bezug auf den ortsfesten Körper
(oder allgemeiner in Bezug auf das, demgegenüber der bewegliche Körper zentriert werden
soll) eine gleiche Orientierung beibehält. Es hat sich jedoch gezeigt,
daß die
Neigung, die man den diese Luftspalte bildenden Polflächen geben muß, um eine
erhebliche Kippbewegung von ±10° oder mehr
oder sogar ±15° in Bezug
auf eine die Bezugsachse im Kippmittelpunkt schneidende Querebene
zu erreichen, bescheiden bleibt, und in keiner Weise die axiale
Zentrierung behindert und auch keine echten Herstellungs- oder Montageprobleme
aufwirft.
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Dies
gilt selbst dann, wenn man sich entscheidet, die Zentrierelemente
radial innerhalb der Kränze
mit Permanentmagnetisierung und der ringförmigen Mehrzahl von Wicklungen
anzuordnen.
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Die
Kippwicklungen werden nämlich
vorteilhafterweise durch die Erregerschaltung so erregt, daß nicht
nur Kippkräfte
(z. B. durch Erregen von zwei Wicklungen derart, daß zwei Kräfte in entgegengesetzten
Richtungen erzeugt werden), sondern auch Zentrierkräfte parallel
zur Bezugsachse (z. B. durch Erregen von zwei Wicklungen derart,
daß gleichgerichtete
Kräfte
erzeugt werden) erzeugt werden.
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Außerdem verläuft die
lokale Richtung der Magnetisierung der Kränze vorzugsweise durch den Kippmittelpunkt,
was den Vorteil hat, daß die
diesen Luftspalt kreuzenden Flußlinien
maximiert werden.
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Vorzugsweise
haben die zwei Kränze
mit permanenter Magnetisierung gleiche und zueinander im Bezug auf
den Kippmittelpunkt symmetrische Durchmesser, wohingegen die Kippwicklungen
in Bezug auf die Querebene symmetrisch sind.
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Dies
vereinfacht die Herstellung der Kippsteuermittel (die zwei Kränze können gleich
sein).
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In
der Praxis führt
diese Symmetrie der Positionierung der Kippsteuermittel zu einer
Symmetrie der Kippbewegungsfreiheit in Bezug auf die durch den Kippmittelpunkt
verlaufende Querebene.
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Die
zwei Kränze
haben vorzugsweise in einer die Bezugsachse enthaltenden Ebene einen
Abstand, der bezogen auf den Kippmittelpunkt einem Winkelversatz
von wenigstens 10°,
vorzugsweise wenigstens 20°.
entspricht. In dem oben genannten Fall, daß die Kränze in Bezug auf die Querebene symmetrisch
sind, läuft
diese Konfiguration darauf hinaus, daß die zwei Kränze in Bezug
auf die durch den Kippmittelpunkt verlaufende Querebene einen Winkelversatz
von wenigstens ±5° definieren.
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Um
die Effizienz der Kippsteuermittel zu maximieren, sind die umlaufenden
Adern jeder Gruppe von Wicklungen benachbart, in Form einer abgeflachten
Schicht, auf einer Kugeloberfläche
des zweiten Ankers angeordnet, die um den Kippmittelpunkt zentriert
ist. Diese Nebeneinanderanordnung in Schichten der umlaufenden Adern
jeder Gruppe hat den Vorteil, daß die Dicke der Luftspalte,
in denen sich die Adern befinden, minimiert wird.
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Wie
bereits gesagt, liegen die umlaufenden Adern der Kippwicklungen über die
gesamte Kippbewegungsfreiheit hinweg den magnetisierten Kränzen gegenüber. Hierfür können die
Kränze
in einer durch die Bezugsachse verlaufenden Ebene eine Winkelamplitude
haben, die kleiner ist als die jeder Gruppe von umlaufenden Adern
jeder Wicklung. Auf diese Weise liegt in jeder Kippkonfiguration
die gesamte freie Polfläche
der magnetisierten Kränze
umlaufenden Adern gegenüber.
Bei einer anderen Variante jedoch haben die Kränze in dieser durch die Bezugsachse
verlaufenden Ebene eine Winkelamplitude, die größer ist als die jeder Gruppe
von umlaufenden Adern jeder Wicklung, so daß in diesem Fall die umlaufenden
Adern jeder Gruppe ständig
in einem der von einem der ringförmigen
Kränze
gebildeten Luftspalte bleiben.
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Vorzugsweise
ist der zweite Anker (derjenige, an dem die Kippwicklungen gehalten
sind), radial innerhalb des ersten Ankers (demjenigen, der die magnetisierten
Kränze
trägt)
angeordnet.
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Bei
einer ersten Konfiguration können
die Zentrierelemente teilweise durch Elemente (die magnetisierten
Kränze)
der Kippmittel gebildet sein. In diesem Fall umfassen die Zentrierelemente:
- • zwei
parallele ringförmige
Mehrheiten von wenigstens drei mit dem zweiten ferromagnetischen Anker
fest verbundenen Zentrierwicklungen, wobei diese Wicklungen jeweils
einen Abschnitt dieses zweiten ferromagnetischen Ankers umgeben, diese
Abschnitte jeweils auf zwei parallele Mehrheiten von ferromagnetischen
Abschnitten aufgeteilt sind, die in der Lage sind, jeweils jedem
der Kränze
mit permanenter Magnetisieung unabhängig von der Orientierung des
hohlen äußeren Bereiches
in Bezug auf den Kippmittelpunkt innerhalb der Kipp-Winkelbewegungsfreiheit
gegenüberzuliegen,
wobei die Erregerschaltung konstruiert ist, um an die Zentrierwicklungen
Erregerströme
anzulegen, die in der Lage sind, Kräfte zu erzeugen, die zur Herstellung
einer radialen Zentrierung dieses beweglichen Körpers geeignet sind.
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Dadurch,
daß die
Zentrierwicklungen einerseits und die Kippwicklungen andererseits
mit den gleichen magnetischen Kränzen
zusammenwirken, wird innerhalb eines ringförmigen Volumens eine große Kompaktheit
erreicht, wobei anzumerken ist, daß die Anbringung dieser diversen
Wicklungen auf dem gleichen Anker nicht zu signifikanten Kopplungsproblemen
zwischen den verschiedenen durch die Kränze und jeden der Typen von
Wicklungen gebildeten Magnetkreisen führt.
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Vorteilhafterweise
erstrecken sich die umlaufenden Adern der Kippwicklungen entlang
der von den Zentrierwicklungen umgebenen ferromagnetischen Abschnitte,
wodurch vermieden wird, daß die diversen
Wicklungen in einem axialen Abstand voneinander angeordnet werden
müssen,
und was zur Kompaktheit der Anordnung beiträgt.
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Die
Zentrier- oder Kippwicklungen sind vorteilhafterweise in gleicher
Zahl vorhanden, was ihre elektrische Steuerung vereinfacht. Außerdem haben diese
Wicklungen vorzugsweise die gleiche Winkelausdehnung oder -amplitude
um die Bezugsachse, was zur Vereinfachung der Realisierung beiträgt. Die diversen
Wicklungen liegen einander vorzugsweise axial gegenüber, wodurch
vermieden wird, daß die
in der Praxis kugelförmige
Oberfläche
des zweiten Ankers an zu vielen Stellen gestört werden muß.
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Jede
Mehrzahl umfaßt
vorzugsweise vier Wicklungen, die auf zwei um 90° um die Bezugsachse versetzte
Paare von radial gegenüberliegenden Wicklungen
verteilt sind.
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Vorzugsweise
ist der zweite Anker (derjenige, der die Kippwicklungen trägt) radial
innerhalb des ersten Ankers (demjenigen, der die magnetisierten Kränze trägt) angeordnet.
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Bei
einer anderen Konfiguration sind die Zentrierelemente von den oben
erwähnten
Kränzen und
Kippwicklungen unabhängig.
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So
umfassen die Zentrierelemente vorzugsweise:
- • einen mit
dem ersten Körper
fest verbundenen hohlen äußeren Bereich
mit einer inneren Oberfläche,
deren Form ein Abschnitt einer Kugelfläche ist, deren Mittelpunkt
im wesentlichen mit dem Kippmittelpunkt zusammenfällt und
der sich um die Bezugsachse beiderseits einer Querebene erstreckt,
die auf dieser Bezugsachse senkrecht steht und durch den Kippmittelpunkt
verläuft,
wobei der hohle äußere Bereich
wenigstens zum Teil aus einem ferromagnetischen Material besteht,
- • einen
mit dem zweiten Körper
fest verbundenen inneren Bereich mit einer Mehrzahl von wenigstens
drei um die Bezugsachse winkelversetzten ferromagnetischen Zonen,
wobei jede Zone mit der inneren Oberfläche des hohlen äußeren Bereiches
zwei Zentrierluftspalte definiert und mit einer spezifischen Wicklung
ausgestattet ist, die in der Lage ist, magnetische Flußlinien
zu erzeugen, die sich über
die zwei Luftspalte schließen,
wobei diese Wicklungen Teil einer Anordnung von Wicklungen sind,
die an die Erregerschaltung angeschlossen ist, die konstruiert ist,
um in den Zentrierluftspalten Magnetflüsse zu erzeugen, die in der
Lage sind, den hohlen äußeren Bereich
in Bezug auf den inneren Bereich wenigstens quer zu der Bezugsachse
zu zentrieren.
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Die
Zentrierelemente können
eine sehr einfache Struktur haben, bei der jede ferromagnetische Zone
ein einfacher Elektromagnet (U-förmiges
ferromagnetisches Teil mit zwei Polflächen, die der inneren Oberfläche des
hohlen äußeren Bereiches
zugewandt sind, so daß sie
zwei Luftspalte bilden, und eine Wicklung, die es ermöglicht,
veränderliche
Flußlinien
in diesen Luftspalten zu steuern).
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Der
innere Bereich umfaßt
vorteilhafterweise zwei getrennte Elemente, die beiderseits der
Querebene angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl von wenigstens
drei gegeneinander um die Bezugsachse winkelversetzten ferromagnetischen
Zonen aufweisen, wobei jede Zone mit der inneren Oberfläche des hohlen äußeren Bereiches
zwei Luftspalte bildet und mit einer spezifischen Wicklung versehen
ist, die in der Lage ist, magnetische Flußlinien zu erzeugen, die sich über die
zwei Luftspalte schließen,
wobei jedes Element eine Gruppe von Wicklungen umfaßt, die wenigstens
die spezifischen Wicklungen der ferromagnetischen Zonen umfaßt, wobei
diese Elemente parallel zur Bezugsachse durch einen Zwischenraum getrennt
sind, der eine solche Reluktanz aufweist, daß er verhindert, daß von der
Gruppe von Wicklungen eines der Elemente erzeugte Flußlinien
durch diesen Zwischenraum fließen
können,
wobei die Wicklungen jeder Gruppe an die Erregerschaltung angeschlossen
sind.
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Man
erkennt, daß die
Zentrierelemente somit vorteilhafterweise einen sehr kompakten inneren
Bereich umfassen, an dem einige Wicklungen und, innerhalb des die
zwei getrennten Elemente trennenden Zwischenraumes, eventuell ein
Permanentmagnet montiert sind (siehe unten): der Platzbedarf und das
Gesamtgewicht sind deshalb gering. Um diesen inneren Bereich herum
befindet sich ein hohler äußerer Bereich,
dessen Innenoberfläche
als Hohlkugel geformt ist (was es bildlich gesprochen erlaubt, das erfindungsgemäße Magnetlager
als Kugelgelenklager zu bezeichnen), so daß die mit der inneren Oberfläche gebildeten
Luftspalte in einem Abstand von der erwähnten Querebene gegen die Bezugsachse geneigt
sind und zur Erzeugung von Zentrierkräften parallel zu dieser Bezugsachse
beitragen können.
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Wie
oben angegeben, kann der Zwischenraum, der die zwei getrennten Elemente
des inneren Bereiches trennt, von einem Magneten belegt sein, dessen
Permanentmagnetisierung parallel zu der Bezugsachse orientiert ist.
Der Magnet erzeugt so magnetische Flußlinien, und zwar permanent,
ohne elektrische Energie zu verbrauchen. Umgekehrt verläuft keine
eventuell durch den elektrischen Stromfluß in einer der Wicklungen erzeugte
Flußlinie
durch den Magneten.
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Ein
anderer Fall von praktischer Bedeutung ist der, wo dieser Zwischenraum
ein freier Raum ist, der einen ortsfesten Luftspalt von großer Ausdehnung
bildet, d. h. der kein festes Material abgesehen von einem eventuellen
nicht-ferromagnetischen
Verbindungsteil enthält,
das die feste Verbindung jedes Elementes mit dem anderen gewährleistet.
Dieser Zwischenraum enthält
dann, je nach der Umgebung, in der das Magnetlager sich befindet,
Vakuum oder Luft.
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Jede
ferromagnetische Zone bildet mit den Luftspalten und einem ferromagnetischen
Abschnitt des hohlen äußeren Bereiches
sowie mit der zugeordneten spezifischen Wicklung einen magnetischen Aktor.
Diese diversen magnetischen Aktoren können unabhängig sein. Aus Gründen der
einfacheren Herstellung sowie der Effektivität ist es günstig, wenn die ferromagnetischen
Zonen jedes Elementes Bestandteil ein und desselben ferromagnetischen
Teiles sind.
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Es
ist leicht zu verstehen, daß die
Herstellung der Zentrierelemente leichter und preiswerter ist, wenn
die zwei getrennten Elemente mit einer gleichen Geometrie gewählt werden.
Außerdem
ist die Steuerung der spezifischen Wicklungen des Magnetlagers einfacher,
wenn die Zonen jedes Elementes symmetrisch in Bezug auf die Querebene
angeordnet sind, die den Zwischenraum zwischen den getrennten Elementen
kreuzt.
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Mit
dem gleichen Ziel der Vereinfachung ist die Zahl der ferromagnetischen
Zonen jedes Elementes vorzugsweise gerade, und jede ferromagnetische Zone
ist bezogen auf die Bezugsachse einer anderen ferromagnetischen
Zone gegenüberliegend
angeordnet. Ein besonders einfacher Fall ist der, wo jedes Element
vier ferromagnetische Zonen aufweist, die in zwei Paare von diametral
in Bezug auf die Bezugsachse gegenüberliegenden Zonen aufgeteilt
sind, wobei diese Paare um die Referenzachse um 90° versetzt
sind.
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Jede
ferromagnetische Zone jedes Elementes umfaßt vorzugsweise erste und zweite
gegen die innere Oberfläche
des hohlen äußeren Bereiches
gerichtete Vorsprünge
oder Schenkel, um die Luftspalte dieser Zone zu bilden, wobei der
erste dieser Vorsprünge
oder Schenkel von der spezifischen Wicklung umgeben ist. Die zweiten
Vorsprünge
dieser ferromagnetischen Zonen bilden vorteilhafterweise einen Teil
eines gleichen ringförmigen
Vorsprunges, was zur Vereinfachung der Herstellung des Elementes
beiträgt.
Dieser ringförmige
Vorsprung ist vorteilhafterweise gegenüber den ersten Vorsprüngen in Bezug
auf die Querebene angeordnet, die den die Elemente trennenden Zwischenraum
kreuzt. Sofern der innere Bereich global die Form einer Kugel hat, ermöglicht es
dies, die spezifischen Wicklungen in einer Region mit dem größten Durchmesser
anzuordnen und so die Wicklungsmenge zu optimieren, die in dem Magnetlager
montiert werden kann.
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Eine
zusätzliche
Wicklung ist vorteilhafterweise um jedes Element zwischen den ersten
und den zweiten Vorsprüngen
der ferromagnetischen Zonen angeordnet, um auf besonders einfache
Weise, in Kombination mit den vorgenannten spezifischen Wicklungen
oder ohne, Flußlinien
zu erzeugen, die in der Lage sind, sich um die gesamte Bezugsachse
zu verteilen.
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Selbstverständlich sind
diese zusätzlichen Wicklungen
an die Erregerschaltung angeschlossen, die konstruiert ist, um selektiv
Erregerströme
an diese zusätzlichen
Wicklungen anzulegen. Die magnetischen Flüsse, zu deren Erzeugung solche
zusätzlichen
Wicklungen angelegt sind, tragen zu einer Zentrierung des hohlen äußeren Bereiches
parallel zur Bezugsachse bei. Die spezifischen Wicklungen jeder der
ferromagnetischen Zonen können
ihrerseits auch elektrisch versorgt werden, um die gesamte Zentrierung
parallel zu dieser Bezugsachse oder einen Teil davon zu gewährleisten.
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So
können
nicht nur die Kippwicklungen, sondern auch die spezifischen Wicklungen
und die zusätzlichen
Wicklungen erregt werden, um nach Wahl die gesamte axiale Zentrierung
oder einen Teil davon (parallel zur Bezugsachse) zu gewährleisten.
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Der
hohle äußere Bereich
kann eine große Winkelausdehnung
oder -amplitude von z. B. plus oder minus 50° in Bezug auf die zu der Bezugsachse senkrechte
Querebene haben. Dieser hohle äußere Bereich
kann sogar nur eine einzige Öffnung
aufweisen, die zur festen Verbindung der Elemente mit einem äußeren Gestell
bestimmt ist, wobei dieser hohle äußere Bereich die Bezugsachse
gegenüber
dieser einzigen Öffnung
schneidet.
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Innerhalb
eines gleichen Elementes sind die Wicklungen jeder der ferromagnetischen
Zonen vorteilhafterweise in Umfangsrichtung benachbart, um die Oberfläche der
Polfläche
der Vorsprünge
zu maximieren, um die die Wicklungen gewickelt sind. Dies führt zu einer
Maximierung der Zentrierleistung. Die zusätzliche Wicklung ist, wenn
sie existiert, ebenfalls vorteilhafterweise parallel zu der Bezugsachse
den spezifischen Wicklungen jeder der ferromagnetischen Zonen benachbart,
was eine optimale Ausnutzung des Platzes innerhalb des hohlen äußeren Bereiches
garantiert.
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Gegenstände, Merkmale
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, als nicht
einschränkendes
Beispiel angegebenen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Es zeigen:
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1 einen
axialen Schnitt entlang der Linie I-I aus 2 durch
ein erfindungsgemäßes Magnetlager
in einer eine Bezugsachse Z-Z enthaltenden Ebene;
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2 einen
Querschnitt entlang der Linie I-I aus 1;
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3 eine
Teilansicht dieses Lagers in der Ebene der 1, die einen
Erregungszustand der Wicklungen zeigt, der ein Kippmoment erzeugt;
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4 eine
andere Teilansicht dieses Lagers in der Ebene der 1,
die einen Erregungszustand der Wicklungen zeigt, der eine axiale
Zentrierkraft erzeugt;
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5 einen
Schnitt, der eine Ausführungsvariante
des Lagers aus 1 zeigt;
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6 eine
axiale Ansicht entlang der Linie VI-VI aus 7 einer
anderen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers;
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7 einen
Querschnitt entlang der Schnittlinie VII-VII aus 6;
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8 eine
Teilansicht des Lagers aus 6, die die
Zentrierelemente zeigt, und in der von dem zentralen Magneten erzeugte
Flußlinien
auftreten;
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9 eine
Ansicht analog der der 8, in der Pfeile auftreten,
deren Amplitude und Richtung den von den die Luftspalte kreuzenden
Magnetflüssen
erzeugten Kräften
entsprechen;
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10 eine
Ansicht analog der der 8, die aber zusätzlich Flußlinien
zeigt, die durch Anlegen von Erregerströmen an bestimmte Wicklungen erzeugt
werden, die für
eine Querzentrierung bestimmt sind;
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11 ist
eine Ansicht analog zu der der 9, die Pfeile
zeigt, deren Amplitude im Vergleich zu denen der 9 in
Abhängigkeit
von den Flußlinien
verändert
ist, die von den Erregerströmen
der 10 in den Wicklungen erzeugt werden;
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12 ist
eine Ansicht ähnlich
der der 8, die andere Flußlinien
zeigt, die durch den Fluß von
Strom in anderen, für
eine axiale Zentrierung bestimmten Wicklungen erzeugt werden;
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13 ist
eine Ansicht ähnlich
der der 9, in der Pfeile auftreten,
deren Amplitude die von den Wicklungen der 12 erzeugten
Flußlinien berücksichtigt;
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14 und 16 sind
Varianten der 10 und 11 gemäß einer
Ausführungsvariante
des Lagers der 6 und 7;
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16 und 17 sind
Varianten der 12 und 13;
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18 ist
ein axialer Schnitt entlang der Linie XVIII-XVIII aus 19 eines
anderen erfindungsgemäßen Magnetlagers
in einer eine Bezugsachse Z-Z enthaltenden Ebene;
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19 ist
ein Querschnitt entlang der Linie XIX-XIX aus 18;
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20 ist
eine andere Ansicht dieses Lagers, die den eine radiale Zentrierkraft
erzeugenden Erregungszustand der Wicklungen zeigt; und
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21 ist
ein axialer Schnitt einer anderen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers.
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1 zeigt
ein allgemein mit 1 bezeichnetes Magnetlager, das zur Zentrierung
und Kippsteuerung eines mit einer Winkelbewegungsfreiheit von wenigstens
5° um einen
Kippmittelpunkt O kippbeweglichen ersten Körpers A in Bezug auf einen
zweiten Körper B
dient, der eine hier vertikale Bezugsachse Z-Z hat, die durch den
Kippmittelpunkt verläuft.
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Das
Lager 1 umfaßt
- • Zentrierelemente
zum magnetischen Zentrieren des ersten Körpers A im Bezug auf den zweiten Körper B,
und
- • Kippsteuerelemente,
mit 20 bezeichnet.
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Die
Zentrierelemente 2 sind hier radial innerhalb der Kippsteuerelemente
angeordnet und umfassen im wesentlichen einen hohlen äußeren Bereich 3 und
einen inneren Bereich 4.
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Dieser
hohle äußere Bereich 3 ist
mit dem ersten Körper
A fest verbunden und hat eine innere Oberfläche 3A, deren Form
ein Teil einer Kugelfläche ist,
deren Mittelpunkt im wesentlichen mit dem Kippmittelpunkt O zusammenfällt und
die sich um die Bezugsachse beiderseits einer zur Bezugsachse senkrechten
Querebene erstreckt, deren Verlauf in der 1 mit X-X
bezeichnet ist, und die ferner eine Querachse Y-Y (siehe 2)
enthält.
Diese Querebene ist senkrecht zur Bezugsachse und verläuft durch
den Kippmittelpunkt. Der hohle äußere Bereich 3 besteht
wenigstens zum Teil aus einem ferromagnetischen Material.
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Der
innere Bereich 4 ist mit dem zweiten Körper B fest verbunden und umfaßt eine
Mehrzahl von wenigstens drei allgemein U-förmigen ferromagnetischen Zonen,
mit 5A, 5B, 5C und 5D bezeichnet,
die um die Bezugsachse winkelversetzt sind, wobei jede Zone mit
der inneren Oberfläche
des hohlen äußeren Bereiches
zwei Zentrierluftspalte bildet und mit einer spezifischen Wicklung 6A, 6B, 6C und 6D ausgestattet
ist, die in der Lage ist, magnetische Flußlinien zu erzeugen, die sich über die
zwei Luftspalte schließen. Diese
Wicklungen sind an eine mit 100 bezeichnete Erregerschaltung
angeschlossen, die konstruiert ist, um in den Zentrierluftspalten
magnetische Flüsse
zu erzeugen, die in der Lage sind, den hohlen äußeren Bereich 3 in
Bezug auf den inneren Bereich 4 quer zu der Bezugsachse
zu zentrieren.
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Jede
ferromagnetische Zone ist ein Elektromagnet, dessen Wicklung, wenn
ein elektrischer Strom durch die Schaltung 100 an sie angelegt
wird, magnetische Flußlinien
erzeugt, die sich unter Durchquerung der Luftspalte in dem hohlen äußeren Bereich
schließen.
Die Existenz von Flußlinien
in einem Luftspalt führt
jedoch zu einer Kraft, die dazu neigt, die Breite dieses Luftspaltes
zu minimieren, und deren Amplitude um so größer ist, je höher der Magnetfluß in diesem
Luftspalt ist. Deshalb genügt es
z. B., an die Wicklung 6A des linken Elektromagneten (5A)
einen Strom anzulegen, um eine Kraft zu erzeugen, die dazu neigt,
die linken Luftspalte schmaler zu machen und somit den hohlen äußeren Bereich
nach rechts zu verschieben.
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Wenn
die innere Oberfläche 3A des
Bereiches 3 eine normalerweise ein auf O zentrierter Bereich
einer Kugeloberfläche
ist, so versteht sich, daß das
oben Gesagte gültig
bleibt, wenn dieser äußere Bereich
um O kippt, selbst bei großen
Kippwinkeln, die in 1 die Größenordnung von 15° beiderseits der
Querebene (X-X, Y-Y) erreichen.
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Die
Kippsteuermittel umfassen, im betrachteten Beispiel außerhalb
des hohlen äußeren Bereiches 3,
- – zwei
Kränze
mit permanenter Magnetisierung 21 und 22, die
von einem mit dem ersten hohlen Bereich fest verbundenen ersten
ferromagnetischen Anker 23 getragen sind;
- – eine
ringförmige
Mehrzahl von Kippwicklungen, in 2 mit 24A, 24B, 24C, 24D bezeichnet,
die von einem mit dem inneren Bereich fest verbundenen zweiten ferromagnetischen
Anker 25 getragen sind.
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Der
erste ferromagnetische Anker 23 erstreckt sich um die Bezugsachse;
das gleiche gilt für jeden
der zwei Kränze
mit Permanentmagnetisierung 21 und 22.
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Jeder
dieser Kränze 21 und 22 hat
eine wenigstens näherungsweise
radiale Orientierung der Magnetisierung, d. h., daß an jedem
Punkt diese Orientierung wenigstens ungefähr durch die Bezugsachse verläuft. Vorzugweise
und wie sich aus 1 ergibt, ist diese Orientierung
derart, daß sie
an allen Punkten im wesentlichen durch den Kippmittelpunkt verläuft.
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Diese
Kränze
mit Permanentmagnetisierung haben entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen,
d. h., daß,
wie es sich aus 1 ergibt, einer der Kränze, hier
der obere Kranz 21, eine nach außen gerichtete Magnetisierung
und der andere Kranz, hier der untere Kranz 22, eine zur
Bezugsachse hin gerichtete Magnetisierung hat.
-
Diese
zwei Kränze
haben jeweils eine freie Polfläche,
wobei die zwei freien Polflächen
dieser zwei Kränze
beide zur Bezugsachse hin ausgerichtet sind (Fall von 1)
oder zu dieser entgegengesetzt ausgerichtet sind. Die zwei freien
Polflächen
sind zwei Abschnitte einer gleichen, auf den Kippmittelpunkt O des
Lagers zentrierten Kugelfläche.
-
Die
zwei Kränze
sind in im wesentlichen parallelen, parallel zur Bezugsachse versetzten
Ebenen beiderseits des Kippmittelpunktes angeordnet und hier im
wesentlichen zu diesem symmetrisch.
-
Als
nicht dargestellte Variante wird die Kombination des ersten Ankers 23 und
der zwei Kränze 21 und 22 durch
eine Anordnung von zwei ringförmigen
ferromagnetischen Teilen ersetzt, die freie Polflächen vom
oben erwähnten
Typ haben, die miteinander durch einen oder mehrere Kränze mit
permanenter Magnetisierung, z. B. mit zur Bezugsachse paralleler
Magnetisierungsrichtung, verbunden sind. Dies führt zur gleichen Verteilung
der Flußlinien.
-
Jede
der Kippwicklungen umfaßt
zwei Gruppen von umlaufenden Adern, die jeweils eingerichtet sind,
um einer der freien Polflächen
gegenüber
zu liegen, beim dargestellten Beispiel jeweils gegenüber einem
der Kränze 21 und 22.
Genauer gesagt erkennt man z. B. für die Wicklung 24A in 1 zwei Gruppen
von umlaufenden Adern, die mit Bezugszeichen 24A1 und 24A3 bezeichnet
sind, wobei diese Gruppen von umlaufenden Adern mit Hilfe von zwei axialen
Gruppen von Adern, die in 2 mit den
Bezugszeichen 24A2 und 24A4 bezeichnet sind, zu
einem Kreis geschlossen sind.
-
Der
zweite ferromagnetische Anker 25 bildet mit den erwähnten freien
Polflächen
mit 26 und 27 bezeichnete Luftspalte, deren radiale
Breite über
die gesamte Kipp-Winkelbewegungsfreiheit
des hohlen äußeren Bereiches
in Bezug auf den inneren Bereich, d. h. innerhalb einer Winkelbewegungsfreiheit von
in der Praxis wenigstens 5°,
konstant bleibt.
-
Der
durch den ersten ferromagnetischen Anker 23 und die zwei
Kränze
mit permanenter Magnetisierung 21 und 22 gebildete
Magnetkreisabschnitt ist symmetrisch in Bezug auf den Kippmittelpunkt
und in Bezug auf die Querebene.
-
Die
freien Polflächen
der zwei Kränze
haben in einer die Bezugsachse enthaltenden Ebene, z. B. der Ebene
der 1, einen Abstand, der bezogen auf den Kippmittelpunkt
einem Winkelversatz von wenigstens 10° entspricht. Mit anderen Worten,
wenn man in dieser 1 zwei Linien durch den Kippmittelpunkt
O und die Mitte der Luftspalte 26 und 27, wie sie
links in 1 gezeigt sind, zieht, so bilden
diese zwei Linien einen Winkel von wenigstens 10° (in der Größenordnung von 30°).
-
Die
umlaufenden Adern jeder Gruppe von Wicklungen, d. h. z. B. die Adern
der Gruppen 24A1 und 24A3, sind auf einer Kugeloberfläche des
zweiten Ankers 25 (als eine stark abgeflachte Lage) benachbart
angeordnet, die um den Kippmittelpunkt zentriert ist. Die Kippwicklungen
sind somit stark abgeflacht.
-
Bei
dem betrachteten Beispiel haben die Kränze in der durch die Bezugsachse
verlaufenden Ebene, z. B. der Ebene der 1, eine
Winkelamplitude, die kleiner ist als die jeder Gruppe von umlaufenden
Adern jeder Wicklung. In 1 ist nämlich der Winkel, unter dem
man die freie Polfläche
jedes Kranzes sieht, um etwa das Vierfache kleiner als der Winkel,
unter dem man in der gleichen 1 vom Kippmittelpunkt
aus die Gruppe von umlaufenden Adern 24A1 oder 24A3 sieht.
-
Auf
diese Weise gibt es eine im wesentlichen konstante Menge von umlaufenden
Adern in dem zwischen dem zweiten Anker und der freien Polfläche der
Magnete definierten Luftspalt, unabhängig von der Kippwinkelposition
des hohlen äußeren Bereiches,
und damit des ersten Ankers, um den Kippmittelpunkt.
-
Der
Magnetfluß durch
die Luftspalte 26 und 27 ist maximiert, wenn die
Richtung der Permanentmagnetisierung dieser Kränze gegen den Kippmittelpunkt
konvergiert, d. h. wenn diese Richtung senkrecht auf den Luftspalten
steht. Aus Gründen
der einfacheren Fertigung gibt man diesen Kränzen jedoch Magnetisierungsrichtungen
senkrecht zur Bezugsachse; die damit verbundene Leistungseinbuße ist gering.
-
Wenn
man einen Strom in einer der Wicklungen, z. B. der Wicklung 24A,
fließen
läßt, resultiert daraus
eine Kraft zwischen den zwei Ankern 23 und 25,
die grob durch das Vektorprodukt zwischen dem in den Luftspalten
bestehenden Magnetfeld und den in diesen Luftspalten zirkulierenden
Gesamtstrom definiert ist.
-
Da
die Adern, die sich im wesentlichen in dem Magnetfeld der Kränze befinden,
parallel zu diesen Luftspalten und parallel zu den Kränzen langgestreckt
sein können
und die Richtung des Stromes und des Flusses sich für jede der
Gruppen von Adern gemeinsam ändert,
ist zu verstehen (siehe 3 und 4), daß daraus
eine nichtverschwindende vertikale Kraft parallel zur Bezugsachse
Z-Z resultiert. Indem man symmetrische Ströme in den zwei einander entgegengesetzt
bezogen auf die Bezugsachse angeordneten Kippwicklungen fließen läßt, kann
man ein Kippmoment um den Kippmittelpunkt erhalten (siehe 3).
-
Wenn
man jedoch entgegengesetzte Ströme in
den zwei Kippwicklungen fließen
läßt, kann
man in Bezug auf die Bezugsachse symmetrische Kräfte erhalten, d. h. Kräfte, deren
Resultierende eine zu dieser Bezugsachse parallele Kraft ist (4);
eine geeignete Steuerung der Kippwicklungen ermöglicht also, sofern diese unabhängig voneinander
erregt werden können,
eine Steuerung der axialen Zentrierung.
-
Bei
dem dargestellten Beispiel ist der zweite Anker 25 radial
zwischen dem hohlen äußeren Bereich 3 und
dem ersten Anker 23 angeordnet. Es versteht sich, daß als Variante
der zweite Anker 25 sich radial außerhalb des ersten Ankers 23 befinden kann.
Dies kann die Verbindung zwischen dem hohlen äußeren Bereich 3 und
dem ersten Anker 23 vereinfachen; dieser hohle äußere Bereich
und dieser erste Anker können
in der Praxis wesentlich näher aneinanderliegen,
sofern ihr Aufbau eine ausreichende Entkopplung zwischen den der
Zentrierung und der Kippbewegung entsprechenden Magnetkreisen garantiert.
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Indem
man die in jedem der zwei Paare von Kippwicklungen fließenden Ströme kombiniert,
kann man willkürlich
ein Kippmoment um jede beliebige Achse der zur Bezugsachse Z-Z transversalen
Ebene erhalten. Die dargestellte Konfiguration mit vier gleichmäßig (um
90°) versetzten
Kippwicklungen ist einfach auszuführen. Es versteht sich jedoch,
daß drei
Wicklungen ausreichen, um eine Kippbewegung um jede beliebige in
dieser Querebene enthaltene Achse zu erzeugen. Das gleiche gilt
für die
Zentrierung.
-
Das
Lager aus 1 ist also in der Lage, die Kippbewegung
des Körpers
A um zwei Kippachsen zu steuern, aber auch, den Körper entlang
jeder der drei Achsen X-X, Y-Y,
Z-Z zu zentrieren.
-
Der
mittlere Bereich des in 1 dargestellten Magnetlagers
ist in seinem oberen Bereich geschlossen, d. h., es gibt nur eine
einzige Öffnung
im unteren Bereich, die den Durchgang eines Elementes für die Verbindung
des inneren Teiles mit dem Rest des Körpers ermöglicht. Natürlich können zwei Öffnungen vorgesehen werden,
die z. B. symmetrisch sind.
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5 ist
eine Ausführungsvariante
des Lagers aus 1, bei der die umlaufenden Adern
der Wicklungen, z. B. 24A',
kleinere Winkelamplituden (gesehen vom Kippmittelpunkt aus) haben,
wohingegen die Kränze
mit permanenter Magnetisierung 21' und 22' größere Winkelamplituden haben.
Die Kippsteuerleistungen bleiben bei gleicher Bewegungsfreiheit
gleich, weil bei jeder beliebigen Neigung eine gleiche Zahl von
umlaufenden Adern in den Luftspalten liegt. Anders als im Fall der 1 gibt
es eine größere magnetisierte
Masse, doch alle umlaufenden Adern tragen zur Erzeugung der Kipp-
oder Zentrierkräfte
bei.
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6 und 7 zeigen
ein anderes erfindungsgemäßes Lager,
mit 10' bezeichnet,
das sich von dem der vorhergehenden Figuren durch die Struktur der
Zentrierelemente unterscheidet.
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Dieses
Magnetlager umfaßt
einen mit dem ersten Körper
A fest verbundenen hohle äußeren Bereich 11 und
einen mit dem zweiten Körper
B fest verbundenen inneren Bereich 12.
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Der
hohle äußere Bereich 11 hat
eine innere Oberfläche 11A,
deren Form ein Bereich einer Kugelfläche ist, deren Mittelpunkt
im wesentlichen mit dem Kippmittelpunkt O zusammenfällt; dieser
hohle äußere Bereich
erstreckt sich um die Bezugsachse Z-Z beiderseits der zu der Bezugsachse
senkrechten Querebene und verläuft
durch den Kippmittelpunkt O. In 6 ist der
Verlauf dieser Querebene definiert durch die zur Bezugsachse Z-Z
transversale Achse X-X am Punkt O.
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Dieser
hohle äußere Bereich 11 ist
wenigstens zum Teil aus einem ferromagnetischen Material von beliebiger
bekannter Art.
-
Der
innere Bereich 12 umfaßt
zwei getrennte Elemente 12A und 12B, die beiderseits
der oben definierten Querebene angeordnet sind, wobei diese Elemente
parallel zu der Bezugsachse durch einen mit 12C bezeichneten
Zwischenraum mit hoher Reluktanz getrennt sind.
-
Jedes
Element umfaßt
eine Mehrzahl von wenigstens drei um die Bezugsachse winkelversetzten
ferromagnetischen Zonen, wobei jede Zone mit der inneren Oberfläche 11A des
hohlen äußeren Bereiches 11 zwei
Luftspalte bildet und mit einer spezifischen Wicklung 13A, 13B, 13C oder 13D versehen ist,
die in der Lage ist, magnetische Flußlinien zu erzeugen, die sich über diese
zwei Luftspalte schließen.
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Bei
dem in 6 dargestellten Beispiel, und wie sich aus 7 ergibt,
ist diese Mehrzahl von ferromagnetischen Zonen vorzugsweise durch
zwei Paare von diametral gegenüberliegenden
ferromagnetischen Zonen gebildet, die um die Bezugsachse um 90° winkelversetzt
sind.
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Genauer
gesagt gibt es ein Paar von auf die Zentrierungsachse X-X der 6 ausgerichtetes Paar
von ferromagnetischen Zonen und ein Paar von ferromagnetischen Zonen,
das dazu dient, die Zentrierung entlang der dritten Achse Y-Y zu
ermöglichen.
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Jede
ferromagnetische Zone jedes Elementes umfaßt erste und zweite Vorsprünge oder
Schenkel, die gegen die innere Oberfläche des hohlen äußeren Bereiches
gerichtet sind, um die Luftspalte dieser ferromagnetischen Zone
zu bilden, wobei einer dieser Vorsprünge oder Schenkel, als erster
Vorsprung bezeichnet, von der spezifischen Wicklung umgeben ist.
Genauer gesagt, und wie sich aus den 6 und 7 ergibt,
umfaßt
das obere Element 12A (entsprechendes gilt für das untere
Element 12B) eine ringförmige
Reihe von vier Vorsprüngen 14A, 14B, 14C, 14D,
deren auf den Kippmittelpunkt O zentrierte Polflächen einen der zwei Luftspalte
jeder ferromagnetischen Zone definieren.
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Das
Element 12A umfaßt
ferner in einem Abstand von dieser ringförmigen Reihe von vier Vorsprüngen einen
hier durchgehenden ringförmigen Vorsprung 15,
dessen Polfläche
ebenfalls auf den Kippmittelpunkt zentriert ist; dieser ringförmige Vorsprung
bildet den zweiten Luftspalt jeder ferromagnetischen Zone.
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Die
Polflächen
der diversen Vorsprünge
sind vorzugsweise im wesentlichen Abschnitte einer gleichen Kugelfläche, so
daß alle
Luftspalte eine gleiche Breite haben.
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Die
diversen ferromagnetischen Zonen jedes Elementes können getrennt
sein. Aus Gründen
der Einfachheit sind jedoch die diversen ferromagnetischen Zonen
Teilstücke
eines gleichen ferromagnetischen Teiles (hier des gesamten Elementes 12A).
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Wie
sich aus der 7 ergibt, sind die Wicklungen 13A bis 13D,
die die Vorsprünge 14A bis 14D umgreifen,
in Umfangsrichtung im wesentlichen benachbart.
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Die
Wicklungsgruppe, die jedes Elementumfaßt, umfaßt vorteilhafterweise ferner
eine mit 16 (bzw. 16' für das untere Element) bezeichnete
zusätzliche
Wicklung, die das Element 12A zwischen erstem und zweitem
Vorsprung der ferromagnetischen Zonen umgibt. Diese zusätzliche
Wicklung 16 ist vorzugsweise den spezifischen Wicklungen 13A bis 13D benachbart,
mit dem Ergebnis, daß der
gesamte Zwischenraum zwischen den Vorsprüngen entweder von einer der
spezifischen Wicklungen oder der zusätzlichen Wicklung belegt ist.
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Man
erkennt in 6, daß die spezifischen Wicklungen
einerseits und die zusätzliche
Wicklung andererseits an einem zylindrischen Abschnitt des Elementes 12A entlang
verlaufen, das einen gleichen Durchmesser hat. Selbstverständlich kann
sich als nicht dargestellte Variante die zusätzliche Wicklung auch um einen
Abschnitt erstrecken, dessen Durchmesser von dem eines anderen zylindrischen Abschnittes
verschieden ist, an dem sich die spezifischen Wicklungen erstrecken.
Als Variante können diese
spezifischen Wicklungen in einer einem Vieleck ähnlicheren Konfiguration angeordnet
sein.
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Jede
der Wicklungen, spezifisch oder zusätzlich, des oberen oder des
unteren Elementes, ist die Erregerschaltung 100 angeschlossen,
die in der Lage ist, an jede dieser Wicklungen einen geeigneten Erregerstrom
anzulegen.
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Bei
dem in 6 dargestellten Beispiel ist der zwischen den
zwei Elementen 12A und 12B liegende Zwischenraum 12C von
einem Permanentmagneten mit einer axialen, hier nach oben orientierten Magnetisierung
belegt. Dieser Magnet hat eine Reluktanz, die in der Lage ist, zu
verhindern, daß von der
Gruppe von Wicklungen des einen oder anderen Elementes erzeugte
Flußlinien
durch diesen Zwischenraum zirkulieren können.
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Bei
der in 14 bis 17 dargestellten Variante
kann dieser Zwischenraum 12C frei und ohne Magnet sein
und so im wesentlichen einen Luftspalt mit der gewünschten
Reluktanz darstellen. Selbstverständlich kann es eine völlige Unabhängigkeit
zwischen den Elementen 12A und 12B geben, wenn
jeweils das eine von unten und das andere von oben befestigt ist.
Das oben Gesagte (Existenz eines Luftspaltes von sehr hoher Reluktanz)
bleibt jedoch gültig,
auch wenn ein Verbindungsteil existiert, das für eine feste Verbindung der
Elemente 12A und 12B sorgt, vorausgesetzt, daß dieses
Verbindungsteil eine ausreichende Reluktanz hat, um eine signifikante
Zirkulation der von den Spulen erzeugten Flußlinien zu verhindern.
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Die 8 bis 13 zeigen
magnetische Flußlinien
bzw. daraus in den Luftspalten resultierende Kräfte in verschiedenen Erregungskonfigurationen
der Wicklungen. Um die Lesbarkeit der Figuren hinsichtlich der nur
durch ihre Schnittflächen
dargestellten Wicklungen zu verbessern, sind diese für jede der
Wicklungen anders dargestellt (das Gleiche gilt bei den vorhergehenden
Figuren, um die Unterscheidung zwischen den diversen Wicklungen
zu erleichtern).
-
Zum
Beispiel erkennt man in 10 leicht die
zusätzliche
Wicklung 16 des oberen Elementes 12A sowie zwei
diametral gegenüberliegende
spezifische Wicklungen 13A (links) und 13B (rechts).
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Per
Konvention gibt ein Kreis mit einem Punkt nahe am Schnitt einer
Wicklung an, daß ein Strom
in einer Richtung heraus aus der Ebene der Zeichnung fließt, und
ein Kreis mit einem Kreuz entspricht der entgegengesetzten Richtung.
Das oben Gesagte gilt auch für
das untere Element 12B (weil dieses im betrachteten Beispiel
die gleiche Geometrie wie das obere Element hat und in Bezug auf
die durch den Mittelpunkt O verlaufende Querebene symmetrisch zu letzterem
angeordnet ist), wobei die Wicklungen dieses unteren Elementes mit
den gleichen Bezeichnungen wie die Wicklungen des oberen Elementes,
allerdings mit einem hinzugefügten
Apostroph, bezeichnet sind.
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In 8 sind
vereinfacht die magnetischen Flußlinien dargestellt, die von
dem Permanentmagneten erzeugt werden, der den Zwischenraum 12C zwischen
den Elementen 12A und 12B belegt.
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Man
erkennt, daß es
rechts und links in 8 kleine Magnetkreise, die die
näher an
der Querebene liegenden Luftspalte, beim oberen Element nahe den
Vorsprüngen 14A und 14B,
kreuzen sowie größere Magnetkreise
gibt, die die äußeren Luftspalte
kreuzen, die zwischen den äußeren ringförmigen Vorsprüngen 15 (und 15' unter Berücksichtigung
der oben angegebenen Schreibweise für das untere Element) und dem
hohlen äußeren Bereich
gebildet sind.
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Bekanntlich
führt der
Durchgang von magnetischen Flußlinien
durch einen Luftspalt zum Auftreten einer Kraft quer zu diesem Luftspalt,
deren Amplitude um so größer ist,
je zahlreicher die magnetischen Flußlinien durch den Luftspalt
sind.
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Sofern
der Magnet symmetrisch in Bezug auf die Bezugsachse angeordnet ist,
impliziert dies, daß die
von ihm erzeugten magnetischen Flußlinien sich gleichförmig um
die Bezugsachse verteilen, wenn der hohle äußere Bereich im Bezug auf den
Kippmittelpunkt O korrekt zentriert ist, und der Durchgang der magnetischen
Flußlinien
durch die verschiedenen Luftspalte führt zum Auftreten von Kräften in
diesen Luftspalten auf den hohlen äußeren Bereich, die einerseits
in Bezug auf die Bezugsachse und andererseits in Bezug auf die horizontale
Querebene symmetrisch sind. Dies ist in 9 durch
eine Anordnung von Pfeilen dargestellt, die alle zum Kippmittelpunkt O
zusammenlaufen und schematisch als identisch dargestellte Beträge haben.
Daraus resultiert für
den hohlen äußeren Bereich
eine resultierende Kraft von verschwindender Amplitude: der hohle äußere Bereich
bleibt an seinem Platz.
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10 zeigt
die Flußlinien,
die durch die Luftspalte fließen,
wenn zwei spezifische Wicklungen jedes der Elemente, die symmetrisch
im Bezug auf die Querebene angeordnet sind, d. h. im Falle der 8 die
mit 13A, 13B und 13A' und 13B' bezeichneten, von der Erregerschaltung 100 versorgt
werden, um in dem oberen Element Flußlinien zu erzeugen, die die
Luftspalte in einer gleichen Richtung (hier nach links) und im unteren
Element Flußlinien zu
erzeugen, die die zwei entsprechenden Luftspalte in entgegengesetzter
Richtung (im Beispiel der 10 nach
rechts) kreuzen. Sofern, wie oben angegeben, oberes und unteres
Element massive Teile aus ferromagnetischem Material sind, können die von
den genannten Wicklungen erzeugten Flußlinien, wie in 10 gezeigt,
sich zu einem einzigen großen
Magnetkreis überlagern,
der das obere Element nach links kreuzt, im hohlen äußeren Bereich nach
unten schließt,
das rechte untere Element nach rechts kreuzt und, wiederum in dem
hohlen äußeren Bereich,
nach oben aufsteigt.
-
Die
Symmetrie der Magnetflüsse
durch die äußeren Luftspalte
zwischen dem hohlen äußeren Bereich
und den ringförmigen
Vorsprüngen
bleibt erhalten. Was jedoch die näher an der transversalen Symmetrieebene
angeordneten Luftspalte angeht, so versteht man, daß der durch
Anlegen von Erregerströmen
an die oben erwähnten
Wicklungen erzeugte Magnetkreis zu einer Zunahme der Flüsse durch die
linken Luftspalte und einer Verringerung des Magnetflusses durch jeden
der rechten Luftspalte führt. Daraus
ergibt sich, wie in 11 dargestellt, eine Vergrößerung der
an den linken Luftspalten wirkenden Kräfte und eine Verringerung der
an den rechten Luftspalten wirkenden Kräfte. Daraus ergibt sich eine im
wesentlichen zu der Querebene parallele resultierende Kraft, die
in 11 mit dem Bezugszeichen F1 bezeichnet ist. Die 10 und 11 entsprechen also
einer Erregungsbetriebsart der Wicklungen, mit der eine Zentrierung
des hohlen äußeren Bereiches quer
zur Bezugsachse entlang der Achse X-X erreicht werden kann. Man
versteht leicht, daß durch Anlegen
von Erregerströmen
an die anderen Wicklungspaare, nämlich
die entlang der Achse Y-Y angeordneten, in ähnlicher Weise eine Querzentrierungskraft
entlang dieser Achse Y-Y erhalten werden kann. Selbstverständlich ist
es möglich,
je nach Bedarf Erregerströme
in jedem der Wicklungspaare zu kombinieren, um jederzeit über eine
geeignete Zentrierkraft in der zu der Bezugsachse Z-Z senkrechten
Querebene zu verfügen.
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12 entspricht
einem anderen Beispiel der Erregung der Wicklungen, bei dem die
zwei zusätzlichen
Wicklungen (in 6 mit 16 und 16' bezeichnet)
versorgt werden, um magnetische Flußlinien zu erzeugen, die bei
den durch die äußeren ringförmigen Vorsprünge gebildeten
Luftspalten nach außen
und bei den näher
an der Querebene angeordneten Vorsprüngen nach innen gerichtet sind.
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Dies
führt zu
einer globalen Erhöhung
des Magnetflusses durch die durch den oberen äußeren ringförmigen Vorsprung gebildeten
Luftspalte und einer Verringerung des Flusses in den durch den unteren
ringförmigen
Vorsprung gebildeten Luftspalten; genauso ergibt sich eine Verringerung
der Flußlinien in
den näher
an der Querebene gebildeten Luftspalten am oberen Element, aber
eine Vermehrung der Flußlinien
durch die näher
an dieser Querebene liegenden Luftspalte des unteren Elementes.
Wenn die Luftspalte, in denen das Maximum an magnetischen Flußlinien
im oberen Element fließt,
stärker
gegen die Bezugsachse geneigt sind als die Luftspalte des unteren
Elementes, in denen ein Maximum an magnetischen Flußlinien
fließt,
tritt eine zu dieser Bezugsachse parallele, nach unten gerichtete
resultierende Kraft (Pfeil F2 in 13) auf.
Die 12 und 13 entsprechen
also einem Fall der Erregung der Wicklungen entsprechend einer Zentrierung
des hohlen äußeren Bereiches
parallel zur Bezugsachse.
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Es
ist leicht zu verstehen, daß durch
Umkehrung der Flußrichtung
der Erregerströme
in den zusätzlichen
Spulen eine Zentrierungskraft von entgegengesetzter Richtung zu
der in 13 mit F2 bezeichneten Kraft
erzeugt werden kann.
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Wenn
es um eine Zentrierung parallel zur Querebene geht, werden nur die
spezifischen Wicklungen, nicht aber die zusätzlichen Wicklungen elektrisch
versorgt.
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Bei
einer Zentrierung parallel zur Bezugsachse kann es genauso sein,
weil mit den in 12 dargestellten Flußlinien
identische Flußlinien
erhalten werden können,
indem nicht die zusätzlichen Wicklungen
sondern die spezifischen Wicklungen geeignet erregt werden. Es können also
Zentrierkräfte
entlang einer der drei Achsen X-X, Y-Y, Z-Z unabhängig vom
Vorhandensein der zusätzlichen
Wicklungen 16 und 16' erhalten werden. Es versteht sich jedoch,
daß das
Vorhandensein der zusätzlichen Wicklungen 16 und 16' eine sehr einfache
Steuerung der Zentrierung entlang der Achse Z-Z erlaubt. Dennoch
ist es erfindungsgemäß möglich, für die Zentrierung
auf den drei Achsen nur die spezifischen Wicklungen vorzusehen,
ohne zusätzliche
Wicklung.
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Das
oben Gesagte war einfach zu erklären aufgrund
der Symmetrie der zwei Elemente und der Anordnung der Wicklungen
und aufgrund der Tatsache, daß jedes
der Elemente zwei Paare von einander bezogen auf die Bezugsachse
gegenüberliegend angeordneten
Wicklungen aufweist, wobei diese Paare um 90° gegeneinander winkelversetzt
sind.
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Es
versteht sich allerdings, daß unter
Inkaufnahme einer leichten Verkomplizierung der Steuerung der Erregerströme der verschiedenen
Wicklungen Zentrierkräfte
quer zu der Bezugsachse sowie Zentrierkräfte parallel zu dieser Bezugsachse
erhalten werden können,
wenn man in oberem und unterem Element jeweils wenigstens drei Wicklungen
in drei ferromagnetischen Zonen anordnet, die bezogen auf die Querebene
in jedem der Elemente symmetrisch oder nicht-symmetrisch angeordnet sind.
-
Die 14 bis 17 zeigen
Varianten der 10 bis 13.
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Unter
dem strukturellen Gesichtspunkt ist das in den 14 bis 17 dargestellte
Magnetlager einfacher als das in den vorhergehenden Figuren dargestellte,
weil der Zwischenraum zwischen unterem und oberem Element hier im
wesentlichen leer ist und einen Luftspalt von großer Breite
bildet, der lediglich durch ein schmales Verbindungsteil aus einem
im Prinzip nicht-ferromagnetischem Material belegt ist, das die
feste Verbindung von oberem und unterem Element miteinander gewährleistet.
-
Wie
noch deutlich werden wird, zeigen diese 14 bis 17,
daß es
möglich
ist, Zentrierkräfte entlang
einer beliebigen der Achsen zu erzeugen, wenn eine kleinere Zahl
von Wicklungen erregt wird, als mit Bezug auf 10 bis 13 beschrieben.
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So
ist im Beispiel von 14 nur eine einzige spezifische
Wicklung jedes Elementes aktiviert, nämlich die in 6 mit 13A oder 13A' bezeichnete linke
spezifische Wicklung. Diese Wicklungen werden hier elektrisch versorgt,
um Flußlinien
zu erzeugen, die durch die spezifische Wicklung austreten und sich über alle
anderen Luftspalte jedes Teiles 12A bzw. 12B schließen. Wie
sich aus 15 ergibt, führt dies in allen Luftspalten
zum Auftreten von auf den Kippmittelpunkt zentrierten Kräften, von
hoher Amplitude in dem der erregten Wicklung zugeordneten Luftspalt
und von geringer Amplitude in allen anderen Luftspalten. Unter Berücksichtigung
der symmetrischen Konfiguration der Luftspalte beiderseits der Querebene
ergibt sich daraus eine zur Querebene parallele, nach rechts gerichtete
resultierende Kraft, mit dem Bezugszeichen F'1 bezeichnet. Es genügt also, zwei passend gewählte spezifische
Wicklungen zu aktivieren, um eine Zentrierung des hohlen äußeren Bereiches
entlang einer zur Bezugsachse Z-Z transversalen Achse zu gewährleisten.
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In 16 ist
eine einzige zusätzliche
Wicklung, nämlich
die zusätzliche
Wicklung 16 des oberen Elementes, elektrisch aktiviert,
was zum Auftreten von Flußlinien
ausschließlich
in den Luftspalten des oberen Elementes führt. Daraus resultieren, wie
sich aus 17 ergibt, in Richtung auf den
Kippmittelpunkt wirkende Kräfte
an den Luftspalten des oberen Elementes. Es ergibt sich eine zu
der Bezugsachse Z-Z parallele, nach unten gerichtete vertikale resultierende
Kraft.
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Wie
bereits für
die 12 und 13 erläutert, ist
es auch hier möglich,
diesen Effekt der Zentrierung parallel zur Bezugsachse zu erhalten,
indem zwei oder alle Wicklungen nur eines der Elemente erregt werden,
und zwar unabhängig
vom Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer zusätzlichen
Wicklung.
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Oben
wurde angegeben, daß es
möglich
ist, die zusätzlichen
Wicklungen fortzulassen. Selbstverständlich ist es einfach, wenn
gewünscht,
starke Zentrierkräfte
parallel zur Bezugsachse zu erzeugen, indem gleichzeitig bestimmte
der spezifischen Wicklungen und die zusätzliche Wicklung von einem
oder beiden ferromagnetischen Elementen -oder, wenn man nur die
Kippwicklungen benutzen will, von keinemaktiviert werden.
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Die 18 bis 21 zeigen
eine andere Konfiguration eines Magnetlagers, allgemein mit 110 bezeichnet,
mit Kippsteuerelementen, mit 120 bezeichnet, und Radialzentrierelementen,
allgemein mit 130 bezeichnet.
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Die
Kippsteuerelemente sind hier identisch mit denen des ersten Lagers
und sind mit Bezugszeichen versehen, die sich aus den für die 1 bis 5 verwendeten
durch Addition der Zahl 100 ergeben.
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Bei
dem betrachteten Beispiel haben die Kränze in der durch die Bezugsachse
verlaufenden Ebene, z. B. der Ebene der 18, eine
Winkelamplitude, die kleiner ist als die jeder Gruppe von umlaufenden
Adern jeder Wicklung. In 18 ist
nämlich der
Winkel, unter dem man die freie Polfläche jedes Kranzes sieht, um
etwa das Vierfache kleiner als der Winkel, unter dem man in der
gleichen 18 vom Kippmittelpunkt aus die
Gruppe von umlaufenden Adern 124A1 oder 124A3 sieht.
-
Bei
der in 21 dargestellten Variante haben
die Magnete stattdessen eine größere Winkelamplitude
als die der umlaufenden Adern. Auf diese Weise gibt es eine im wesentlichen
konstante Menge von umlaufenden Adern in dem zwischen dem zweiten
Anker und der freien Polfläche
der Magnete definierten Luftspalt, unabhängig von der Kippwinkelposition
des hohlen äußeren Bereiches,
und damit des ersten Ankers, um den Kippmittelpunkt.
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Der
zweite Anker trägt
zwei Mehrzahlen von mit 131A, 131B, 131C und 131D sowie 132A, 132B, 132C und 132D bezeichneten
umlaufenden Zentrierwicklungen. Diese Mehrzahlen sind parallel und
in der Praxis auf beiden Seiten der Querebene angeordnet.
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Jede
Zentrierwicklung umgibt einen Abschnitt des zweiten Ankers, der
parallel zur Bezugsachse so bemessen ist, daß er radial gegenüber einem
der Kränze
bleibt, wenn der bewegliche Körper sich
innerhalb seiner gegebenen Kippbewegungsfreiheit bewegt.
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So
umfaßt
der zweite Anker zwei Mehrzahlen von ferromagnetischen Abschnitten,
die ständig den
Kränzen
gegenüberliegen.
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Vorzugsweise
ist die Zahl der Zentrierwicklungen die gleiche wie die der Kippwicklungen,
hier vier.
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Die
umlaufenden Adern erstrecken sich entlang der ferromagnetischen
Abschnitte, die von den Zentrierwicklungen umgeben sind. Außerdem haben die
diversen Wicklungen die gleiche Winkelamplitude, d. h., daß die umlaufenden
Adern der Kippwicklungen eine Länge
haben, die im wesentlichen gleich der der von den Zentrierwicklungen
umgebenen ferromagnetischen Abschnitte ist.
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Die
Wicklungen jeder Mehrzahl, egal ob sie zum Kippen oder zur Zentrierung
dienen, sind im wesentlichen in Umfangsrichtung benachbart.
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Wie
in Bezug auf die 3 und 4 angegeben,
resultiert, wenn man einen Strom in einer der Wicklungen, z. B.
der Wicklung 124A, fließen läßt, daraus eine Kraft zwischen
den zwei Ankern 123 und 125, die grob durch das
Vektorprodukt zwischen dem in den Luftspalten bestehenden Magnetfeld
und den in diesen Luftspalten zirkulierenden Gesamtstrom definiert
ist. Wie in den 3 und 4 kann man Kippdrehmomente
oder axiale Zentrierkräfte
erzeugen.
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Wenn
man in den zwei axial gegenüberliegenden
Zentrierwicklungen Ströme
in entgegengesetzter Richtung fließen läßt, so erkennt man (siehe 20),
daß daraus
Flüsse
durch die Luftspalte resultieren, die in den zwei Luftspalten entweder
den von den zwei Kränzen
erzeugten permanenten Fluß verstärken oder
ihm entgegenwirken. Die Zunahme des Flusses oder die Verringerung
des Flusses in den zwei Luftspalten führt zum Auftreten einer zur Bezugsachse
hin gerichteten Kraft in diesem Luftspalt, die größer oder
kleiner ist als die in den radial gegenüberliegenden Luftspalten, wo
nur der von den Kränzen
mit permanenter Magnetisierung erzeugte Fluß zirkuliert. Es ergibt sich
somit eine Zentrierkraft nach rechts oder nach links. Natürlich kann man
auch Ströme
in den radial gegenüberliegenden Wicklungen
fließen
lassen, um stärkere
Zentrierkräfte
zu erzeugen.
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Das
oben Gesagte läßt sich
auf den Fall verallgemeinern, wo es z. B. nur drei Zentrierwicklungen gibt,
wobei in diesem Fall die Resultierende aller in den Luftspalten
rings um die Bezugsachse erzeugten Kräfte betrachtet werden muß.
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Bei
dem dargestellten Beispiel ist der zweite Anker 125 radial
innerhalb des ersten Ankers 123 angeordnet. Es versteht
sich, daß als
Variante der zweite Anker sich radial außerhalb des ersten Ankers 123 befinden
kann.
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Indem
man die in jedem der zwei Paare von Kippwicklungen fließenden Ströme kombiniert,
kann man willkürlich
ein Kippmoment um jede beliebige Achse der zur Bezugsachse Z-Z transversalen
Ebene erhalten. Die dargestellte Konfiguration mit vier Kippwicklungen
ist einfach auszuführen.
Es versteht sich jedoch, daß drei
Wicklungen ausreichen, um eine Kippbewegung um jede beliebige in
dieser Querebene enthaltene Achse zu erzeugen. Das gleiche gilt
für die
Zentrierung.
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Genauso
kann man, indem man die Ströme in
den diversen Zentrierwicklungen geeignet kombiniert, eine Zentrierung
in jeder beliebigen in der Querebene liegenden Richtung erreichen.
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Das
Lager aus 18 ist somit in der Lage, sowohl
eine Kippung des Körpers
A um zwei Kippachsen, als auch eine Zentrierung des Körpers entlang
jeder drei Achsen X-X, Y-Y und Z-Z zu steuern.
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21 ist
eine Ausführungsvariante
des Lagers aus 18 (Elemente, die denen der 18 und 19 entsprechen,
sind mit einem Apostroph gekennzeichnet), bei der die umlaufenden
Adern der Wicklungen, z. B. 124A, (vom Kippmittelpunkt
aus gesehen) kleinere Winkelamplituden haben, wohingegen die Kränze mit
permanenter Magnetisierung 121' und 122' größere Winkelamplituden haben.
Die Kippsteuerleistung bleibt bei gleicher Bewegungsfreiheit die
gleiche (selbst bei einem starken Reluktanzdrehmoment, d. h. einem
Rückstellmoment),
weil bei jeder beliebigen Neigung sich eine gleiche Zahl von umlaufenden
Adern in den Luftspalten befindet. Anders als im Fall der 18 gibt
es eine größere magnetisierte
Masse, doch alle umlaufenden Adern tragen zur Erzeugung der Kipp-
oder Zentrierkräfte
bei.