DE1096705B

DE1096705B - Spherically symmetrical floating bearing with three degrees of freedom of rotation for contact-free storage of light measuring or display systems or those relieved by buoyancy

Info

Publication number: DE1096705B
Application number: DEP16866A
Authority: DE
Inventors: Dr Carl Heller
Original assignee: C Plath Fabrik nautischer Instrumente
Current assignee: C Plath Fabrik nautischer Instrumente
Priority date: 1956-08-20
Filing date: 1956-08-20
Publication date: 1961-01-05

Description

In Magnet- und Kreiselkompassen, aber auch in Kurskreiseln, künstlichen Horizonten, Neigungsmessern und anderen nautischen Geräten ist es notwendig, das bewegliche Meßorgan möglichst reibungsfrei so zu lagern, daß es in der Lage ist, seine Stellung zu einer festen Bezugsrichtung auf der Erde bei allen Drehungen und Neigungen des Fahrzeuges, auf dem es sich befindet, beizubehalten. Hierbei ist — auch bei kardanischer Aufhängung des gesamten Gerätes ·—- eine Lagerung des Meßsystems mit drei Drehfreiheitsgraden um einen fasten Punkt erforderlich, der sich möglichst .im Schnittpunkt der Kardanachsen befinden soll.In magnetic and gyro compasses, but also in course tops, artificial horizons, inclinometers and other nautical devices, it is necessary to keep the movable measuring element as frictionless as possible to be stored in such a way that it is able to maintain its position in relation to a fixed reference direction on the earth to be maintained in all turns and inclinations of the vehicle on which it is located. Here is - even with cardanic suspension of the entire device · - a bearing of the measuring system with three Degrees of freedom of rotation around a fast point are required, which is as close as possible to the intersection of the cardan axes should be located.

Die bei Magnetkompassen gebräuchliche frei pendelnde Lagerung des durch einen Schwimmer entlasteten Meßeystems auf einer Pinnenspitze weist Reibungsfehler auf und hat außerdem den schwerwiegenden Nachteil, daß sich die Pinnenspitze unter der Wirkung von Stoßen und unregelmäßigen Beschleunigungen des Fahrzeuges mehr ader weniger rasch deformiert und die Einstellgenauigkeit des Gerätes nachläßt. Um jegliche Abnutzung von vornherein auszuschalten, ist somit eine Lagerung anzustreben, bei der eine mechanische Berührung zwischen dem im Raum feststehenden Meßorgan und dem fahrzeugfesten Teil des Gerätes völlig vermieden wird.The freely oscillating bearing of the one relieved by a float, which is common in magnetic compasses Measuring system on a pin tip has frictional errors and also has the serious one Disadvantage that the tip of the pin is under the effect of bumps and irregular accelerations of the vehicle more or less quickly deformed and the setting accuracy of the device subsides. In order to eliminate any wear and tear from the outset, storage should therefore be aimed at, at the one mechanical contact between the measuring element fixed in the room and the one fixed to the vehicle Part of the device is completely avoided.

Bekannt sind Luft- und Wasserlager zur reibungsfreien Lagerung, die jedoch den Nachteil haben, daß sie sich nur sehr schwer momentenfrei herstellen und auf die Dauer erhalten lassen sowie außerdem einen hohen Aufwand für die konstante Luft- bzw. Wasserversorgung erfordern. Bekannt sind ferner Vorschläge zur freischwebenden Lagerung des nordsuchenden Systems von Kreiselkompassen mittels eines kugelsymmetrischen Schwebelagers und gesteuerter Gleichstromelektromagnete sowie die Verwirklichung dieses Zieles durch eine wechselstromgespeiste Blasspule, deren Wirksamkeit auf elektrodynamische Abstoßung beruht. Nachteilig für die Verwendung dieses Lagerungsprinzips ist der Bedarf an Stromenergie, die in Wärme umgesetzt wird und durch besondere Kühlmaßnahmen wieder abgeführt werden muß. Wegen der Abhängigkeit von Versorgungsanlagen ist sowohl die hydrodynamische als auch die elektrodynamische Art der Schwebelagerung, z. B. für Magnetkompaßrosen, nicht anwendbar.Air and water bearings are known for frictionless storage, but they have the disadvantage that it is very difficult to manufacture them moment-free and maintain them in the long term, as well as one require a lot of effort for the constant air or water supply. Proposals are also known for the free-floating storage of the north-looking system of gyro compasses by means of a spherically symmetrical levitation bearing and controlled direct current electromagnets as well as the realization this goal by an alternating current fed blow coil, whose effectiveness on electrodynamic Repulsion is based. The disadvantage of using this storage principle is the need for Electricity energy that is converted into heat and discharged again through special cooling measures must become. Because of the dependence on supply systems, both hydrodynamic and also the electrodynamic type of suspension, z. B. for magnetic compass roses, not applicable.

Es ist ferner bei elektrischen Zählern bekannt, zur Lagerung einer festen Achse zwei gleichartige permanentmagnetische Lager zu verwenden. Demzufolge hat diese Achse nur einen einzigen Drehfreiheitsgrad. Die betreffenden Lager sind unter Anwendung von vorzugsweise zylindrischen Magnetkörpern aufgebaut, die in Richtung ihrer Längsachse magnetisiert sind. Nun ist aber eine feste Achse nicht in allen Kugelsymmetrisches SchwebelagerIt is also known in electrical counters to support a fixed axis with two identical ones to use permanent magnetic bearings. As a result, this axis only has a single degree of freedom of rotation. The bearings in question are preferably using cylindrical magnetic bodies constructed, which are magnetized in the direction of their longitudinal axis. But there is not a fixed axis in all of them Spherically symmetrical floating bearing

mit drei Drehfreiheitsgradenwith three degrees of freedom of rotation

zur berührungsfreien Lagerungfor contact-free storage

leichter oder durch Auftriebskräftelighter or by buoyancy

entlasteter Meß- oder AnzeigesystemeRelieved measuring or display systems

ίο Anmelder:ίο applicant:

C. Plath Fabrik nautischer Instrumente,
Hamburg 11, Stubbenhuk 25C. Plath factory of nautical instruments,
Hamburg 11, Stubbenhuk 25

Dr. Carl Heller, Hamburg-Großflottbek,
ist als Erfinder genannt wordenDr. Carl Heller, Hamburg-Großflottbek,
has been named as the inventor

Fällen verwendbar, so ist sie z. B. nicht für das Rosensystem bei Magnetkompassen u. dgl. brauchbar, da bei einer Neigung der Rosenebene gegen die Horizontalebene, die durch die Schiffsbewegung bedingt ist, Abweichungen von der Nordrichtung entstehen. Auch bei kardanischer Aufhängung des Kompasses ist die Lagerung des Rosensystems in einem Punkt und die freie Beweglichkeit erforderlich, d. h., daß drei Drehfreiheitsgrade benötigt werden.Cases usable, it is z. B. not usable for the rose system with magnetic compasses and the like, because there is an inclination of the rose plane against the horizontal plane, which is caused by the movement of the ship is, deviations from the north direction arise. Even if the compass is gimbaled the position of the rose system in one point and free movement is required, d. H., that three degrees of freedom of rotation are required.

Die Erfindung vermeidet die bisher bestehenden Nachteile. Sie betrifft ein kugelsymmetrisches Schwebelager mit drei Drehfreiheitsgraden zur berührungsfreien Lagerung leichter oder durch Auftriebskräfte entlasteter Meß- oder Anzeigesysteme, das sich von den bisher bekannten Ausführungen vor allen Dingen dadurch unterscheidet, daß sowohl an dem festen Teil als auch an dem drehbaren Teil je ein oder zwei kugelkalottenförmige Permanentmagnete konzentrisch ineinander angeordnet sind, die derart radial magnetisiert sind, daß sich gleichnamige Pole gegenüberstehen. Durch eine solche Lagerung wird das Meßsystem, das gegebenenfalls durch Auftriebskräfte entlastet ist, ohne Energieaufwand, allein durch die zwischen den Permanentmagneten herrschenden Abstoßungskräfte frei schwebend gehalten und zentriert. Durch eine streng in Richtung des Kugelradius verlaufende, in beiden Kugelkolotten einander entgegengesetzt gerichtete Magnetisierung wird erreicht, daß sich die beiden Permanentmagnetkörper in allen Winkellagen innerhalb eines gewissen Bereiches abstoßen und gegenseitig zentrieren. Da die Kugelkalotten im Vergleich zum KugeldurchmesserThe invention avoids the previously existing disadvantages. It concerns a spherically symmetrical one Floating bearing with three degrees of freedom of rotation for contact-free storage lighter or through buoyancy forces Relieved measuring or display systems, which differ from the previously known designs differs from all things in that both the fixed part and the rotatable part each one or two spherical cap-shaped permanent magnets are arranged concentrically one inside the other, the are magnetized radially in such a way that poles of the same name are opposite each other. Through such storage the measuring system, which is possibly relieved by buoyancy forces, is alone without any expenditure of energy kept floating by the repulsive forces prevailing between the permanent magnets and centered. With one that runs strictly in the direction of the spherical radius in both spherical bulbs oppositely directed magnetization is achieved that the two permanent magnet bodies repel in all angular positions within a certain range and center one another. Since the Ball caps compared to the ball diameter

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dünnwandig sind, fällt ihre Magnetisierungsrichtung mit der Richtung der kleisten Magnetdimensionen, also des größten Enttnagnetisierungsfaktors zusammen. Erfindungsgemäß findet daher ein Magnetmaterial Verwendung, das eine extrem flach verlaufende Entmagnetis;ierungskurve hat und dessen günstigster Arbeitspunkt bei hohen Werten des Entmagnetisierungsfaktors liegt.are thin-walled, their direction of magnetization coincides with the direction of the smallest magnet dimensions, thus the greatest demagnetization factor together. According to the invention there is therefore a magnetic material Use that has an extremely flat demagnetization curve and its most favorable working point with high values of the demagnetization factor lies.

Damit die Lagerung frei von irgendwelchen Vorzugslagen ist, was bei der Verwendung von Permanentlagern bei elektrischen Zählern keine wesentliche Rolle spielt, aber bei Kompassen von erheblicher Bedeutung ist, findet in weiterer Ausbildung der Erfindung für den Lageraufbau ein Magnetmaterial mit größtmöglicher Homogenität Verwendung. Den gestellten Forderungen wird dabei am sichersten durch Sintern oder Pressen von pulverförmigen, und zwar ferrimagnetischem Ausgangsmaterial entsprochen. Dieses Material, das zur Herstellung der sogenannten Oxydmagnete dient, besitzt eine große Koerzitivkraft, die eine gegen Fremdfehler außerordentlich stabile Magnetisierung gewährleistet, so daß ein damit hergestelltes Magnetlager eine konstante Tragkraft hat.So that the storage is free of any preferred positions, which is when using permanent bearings It does not play an essential role in electrical counters, but it plays a significant role in compasses What is important is, in a further embodiment of the invention, a magnetic material is used for the bearing structure Use with the greatest possible homogeneity. The demands made will be the safest by sintering or pressing powdery, namely ferrimagnetic starting material. This material, which is used to manufacture the so-called oxide magnets, has a large size Coercive force, which ensures an extremely stable magnetization against external errors, see above that a magnetic bearing produced with it has a constant load-bearing capacity.

Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigtFurther details of the invention emerge from the following description of the drawings illustrated embodiments. It shows

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen flüssigkeitsgefüllten Magnetkompaß, dessen Meßsystem gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung gelagert ist, währendFig. 1 is a longitudinal section through a liquid-filled magnetic compass, the measuring system according to an embodiment according to the invention is stored while

Fig. 2 -einen Längsschnitt durch einen flüssigkeitsgefüllten Magnetkompaß mit Lagerung des Meßsystems gemäß einer anderen Ausführungsform wiedergibt.Fig. 2 - a longitudinal section through a liquid-filled Reproduces magnetic compass with storage of the measuring system according to another embodiment.

Gemäß Fig. 1 besteht das zu lagernde Meßsystem im wesentlichen aus dem ringförmigen Kompaßmagnet 10, dessen Gewicht in der Füllflüssigkeit des Kompasses bis auf einen kleinen Restbetrag durch den Schwebekörper 7 aufgehoben ist, an dem durch die Arme 8 das mit Gradteilung versehene Rosenblatt 9 befestigt ist, dessen Stellung relativ zum fahrzeugfesten Kompaßkessel 1 an der Steuermarke 6 abgelesen werden kann. Der Kompaßkessel 1, der in üblicher Weise mit dem Deckelglas 2, dem Bodenglas 3, dem zum Volumenausgleich bei Temperaturänderungen 'der Füllflüssigkeit benötigten Ausdehnungskörper 4 versehen ist, wird als Ganzes in einem hier nicht gezeigten Kardangehänge durch das Bodengewicht 5 annähernd horizontal gehalten.According to Fig. 1, the measuring system to be stored consists essentially of the ring-shaped compass magnet 10, the weight of which in the filling liquid of the compass passes through to a small residual amount the float 7 is lifted, on which by the arms 8 the graduated rose petal 9 is attached, its position relative to the vehicle-mounted compass boiler 1 on the tax stamp 6 can be read. The compass boiler 1, which in the usual way with the cover glass 2, the bottom glass 3, the expansion body required to compensate for volume in the event of temperature changes in the filling liquid 4 is provided as a whole in a gimbal attachment, not shown here, by the weight of the floor 5 held almost horizontally.

Das Meß- und Anzeigesystem wird in der Füllflüssigkeit schwebend erhalten und zentriert durch die in Richtung des Kugelradius gegensinnig aufmagnetisierten, kugelkalottenförmigen Permanentmagnete 11 und 12, von denen der letztere in einer Höhlung des Schwebekörpers 7 untergebracht und mit diesem fest verbunden ist. Der kugelkalottenförmige Permanentmagnet 11 ist mittels des Haltestiftes 13 und der Traverse 14 fest mit dem Kessel 1 verbunden. Um — insbesondere bei kugelförmiger Ausbildung des Kessels 1—in extremen Lagen ein Herausspringen des gesamten Rosensystems aus dem Lager zu verhindern, kann z. B. ein trichterförmig augehildeter Fangring 15 vorgesehen sein.The measuring and display system is kept floating in the filling liquid and centered by the spherical cap-shaped permanent magnets magnetized in opposite directions in the direction of the spherical radius 11 and 12, of which the latter is housed in a cavity of the float 7 and with this is firmly connected. The spherical cap-shaped permanent magnet 11 is by means of the retaining pin 13 and the Traverse 14 firmly connected to boiler 1. Around - especially with a spherical design of the bowl 1 - in extreme positions the jumping out of the To prevent the entire rose system from being removed from the warehouse, e.g. B. a funnel-shaped catch ring 15 may be provided.

Das Ausführungsbeiepiel der Fig. 2 unterscheidet h von dem vorbeschriebenen durch die Verwendung eines Lagers mit zwei Paaren von radial magnetisierten, kugelkalottenförmigen Permanentmagneten 11, 12 und 11a, 12a, von denen jeweils die beiden äußeren z. B. nordmagnetische Belegung auf ihrer Innenfläche tragen, während die beiden kugelkalottenförmigen inneren Permanentmagnete 11 und 11 a, die mit dem Rosensystem verbunden sind, auf ihrerThe exemplary embodiment of FIG. 2 differs from the one described above by the use of a bearing with two pairs of radially magnetized, spherical cap-shaped permanent magnets 11, 12 and 11a, 12a, of which the two outer z. B. North magnetic occupancy on their inner surface, while the two spherical cap-shaped inner permanent magnets 11 and 11 a, which are connected to the rose system, on their

ίο Außenfläche nordmagnetisch magnetisiert sind und demzufolge von den beiden äußeren Permanentmagneten 12 und 12 a, die ihrerseits über die Haltestifte 13 und 13 α und die Traversen 14 und 14 α mit dem Kessel 1 verbunden sind_; abgestoßen werden. Der in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildete Schwebekörper 7 ist so dimensioniert, daß das gesamte Rosensystem bei mittlerer Betriebstemperatur das spezifische Gewicht der umgebenden Füllflüssigkeit hat. Das Magnetlager braucht also in diesem Falle nur sehr geringe Kräfte aufzunehmen, und zwar die untere, aus den Permanentmagneten 11 und 12 bestehende Hälfte lediglich die Gewichtszunahme des Systems bei Erwärmung der Füllflüssigkeit, die obere, aus den Permanentmagneten 11a und 12 a bestehende Hälfte lediglich den bei Abkühlung der Flüssigkeit entstehenden Auftrieb des Systems. Durch diese Belastungsaufteilung auf zwei Lagerhälften mit verschiedener Druckrichtung wird die reibungs- und berührungsfreie Lagerung auch sehr schwerer Meß- und Anzeigesysteme ermöglicht, wenn deren hohes Gewicht durch einen entsprechend dimensionierten Schwebekörper bei mittlerer Temperatur ausgeglichen wird.ίο outer surface are magnetized north and therefore by the two outer permanent magnets 12 and 12 a, which in turn via the retaining pins 13 and 13 α and the cross members 14 and 14 α are connected to the boiler 1 _; be repelled. The floating body 7, which is annular in this exemplary embodiment, is dimensioned so that the entire rose system has the specific weight of the surrounding filling liquid at an average operating temperature. In this case, the magnetic bearing only needs to absorb very small forces, namely the lower half, consisting of the permanent magnets 11 and 12, only the increase in weight of the system when the filling liquid is heated, the upper half consisting of the permanent magnets 11a and 12a only the when the liquid cools down, the system is buoyant. This load distribution on two bearing halves with different pressure directions enables the frictionless and contact-free storage of even very heavy measuring and display systems if their heavy weight is compensated for by a correspondingly dimensioned float at medium temperature.

Claims

Patent claims:

1. Spherically symmetrical floating bearing with three degrees of freedom of rotation for contact-free storage measuring wire display systems that are light or relieved by buoyancy forces, characterized in that that both on the fixed part (1, 14,13) and on the rotatable part (7, 8, 9) each or two spherical cap-shaped permanent magnets (11, 12) arranged concentrically one inside the other are, which are magnetized radially in such a way that poles of the same name are opposite each other.

2. Spherically symmetrical Schwabel bearing according to claim 1, characterized by two pairs approximately spherical cap-shaped permanent magnets (11 α, 12 α), which are on a ball diameter face symmetrically and one bearing for three degrees of freedom of rotation, but alternating load direction form.

3. spherically symmetrical floating bearing according to claim 1 and 2, characterized in that the spherical cap-shaped permanent magnets magnetized in opposite directions in the direction of the spherical radius (11,12,11a, 12 a) made of a ferromagnetic material with an extremely high coercive force are made by sintering or pressing.

Considered publications:
German Patent No. 394 667;
British Patent No. 539,409;
U.S. Patent No. 1,589,039.

1 sheet of drawings