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Magnetisch, praktisch reibungslos gelagerte, bezüglich Drehung um
ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindliche, horizontale oder annähernd
horizontale Systemachse Es sind bereits magnetisch, praktisch reibungslos gelagerte,
bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindliche,
mindestens angenähert horizontal gerichtete Systemachsen bekannt, welche aus magnetisch
hochdurchlässigem Material bestehen, an ihren beiden Enden zu ihrer Längsachse koaxiale,
verjüngte Enden besitzen und In einem durch einen Magneten mit gegeneinandergerichteten,
verjüngten Polschuhen erzeugten, inhomogenen Magnetfeld schwebend gehalten sind.
Das eine verjüngte Ende einer solchen Systemachse steht dabei in Punktberührung
mit dem ihm zugeordneten, verjüngten Polschuh des Magneten, während zwischen ihrem
anderen verjüngten Ende und dem diesem gegenüberliegenden Polschuh des Magneten
ein Luftspalt gewahrt ist. In dieser Weise gelagerte Systemachsen eignen sich für
Feinmeßgeräte verschiedenster Art, wie z. B. optische Meßinstrumente, elektromagnetische
Meßgeräte u. dgl., und sie weisen gegenüber mechanisch gelagerten Systemachsen solcher
Geräte den großen Vorteil auf, daß praktisch keine Reibungskräfte überwunden werden
müssen und daß deshalb die mit ihnen ausgerüsteten Instrumente außerordentlich fein
ansprechen.
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Es bleiben aber bei diesen -bekannten, im Magnet-feld schwebend
gehaltenen Systemachsen ' gewisse Fehlerquellen bestehen, welche ihre Anwendung
in Präzisionsinstrumenten sehr erschweren oder sogar unmöglich machen. Durch die
Erfindung werden auch diese restlichen Fehlerquellen praktisch vollständig ausgeschaltet.
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. Die Erfindung betrifft eine magnetisch, praktisch reibungslos
gelagerte, bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindliche,
horizontale 'oder annähernd horizontale Systemachse, welche aus magnetisch hochdurchlässigem
Material besteht und auf beiden Seiten zu ihrer'Längsachse koaxiale, verjüngte Enden
besitzt und welche in einem durch einen Magneten - mit gegeileinandergerichteten,
3verjüngten Polschuhen erzeugten, inhomogenen Magnetfeld schwebend gehalten ist,
wobei das Gewicht der Systemachse samt allen an ihr befindlichen Teilen durch Streupole-
des genannten Magneten mindestens angenähert kompensiert ist, welche dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Enden der verjüngten P`Ölschuhe- des _Magneten mit Kappen versehen
sind, welche aus- magnetisch möglichst wenig isolierendem Material großer
Härte bestehen und mindestens angenähert plangeschliffene und polierte Endflächen
besitzen, und die ve #iingten r] Eiiden der Achse mit Spitzen aus besdridörs hartem,
den Magnetfluß nicht oder nur wenig beeinflussendem Material, vorzugsweise Wölframkarbid,
bestückt sind.
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An Hand der Zeichnungen werden die inathemathischen überlegungen,
welche den in Frage stehenden, magnetisch, praktisch reibungslos gelagerten, bezüglich
Drehung uni ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindlichen Systemachsen
zugrunde liegen, dargelegt und die erfindungsgemäße, verbesserte Systemachse dieser
Art näher erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 eine schematische Ansicht
einer magnetisch, praktisch reibungslos gelagerten, bezüglich Drehung um ihrer Längsachse
in indifferentem Gleichgewicht befindlichen Systemachse; F i g. 2 zeigt in größerem
Maßstab und bei etwas veränderten Abmessungen das Bewegungs- und Kräftespiel einer
solchen Systemachse, wenn die störende Wirkung ihres Gewichtes nicht aufgehoben
ist; F i g. 3 zeigt die Lage der Systemachse nach der F i g. 2, wenn
die störende Wirkung ihres Gewichtes aufgehoben ist, bei Annahme vollständiger Reibungslosigkeit;
F i g. 4 zeigt das Bewegungs- und Kräftespiel dieser Systemachse bei Berü#ksibhtigung
der Reibung
zwischen dem einen verjüngten Ende der Systemachse und
dem von diesem ber-uhrt.en-.P.oJschuh des Magneten; Fig. 5 zeigt eine schematische
Ansicht der erfindungsgemäßen, verbesserten, magnetisch, praktisch reibungslos gelagerten,
bezüglich Drehung um ihre Längsachse in,indifferentem Gleichgewicht. befindlichen
Systemachsemit Andeutung des bezüglichen Bewegungs- und Kräftespieles.
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In der F i g. 1 ist mit 1 ein .in einem nicht dargestellten
Gehäuse oder Träger fest gelagerter Hufeisenmagnet bezeichnet, welcher zwei koaxiale
Polschuhe 2 und 3 mit gegeneinandergerichteten, verjüngten Enden besitzt.
Zwischen den verjüngten Enden der Polschuhe 2 und 3 ist eine rotationssymmetrische
Achse 4 aus magnetisch hochdurchlässigem # Material. schwebend gehalten, welche
verjüngte Enden 5 und 6 besitzt. Das eine verjüngte Ende der Achse
4, im dargestellten Fall das Ende 5,
berührt das ihm zugeordnete verjüngte
Ende des Polschulies 2, w ' ährend ihr anderes verjüngtes Ende
6
durch einen möglichst kleinen Zwischenraum S vom Polschuh
3 getrennt ist.
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Durch die radial inhomogenen Magnetkräfte in den senkrecht zur Verbindungsgeraden
der verjüngten Enden der Polschuhe 2 und 3 stehenden Schnittebenen durch
die Polschuhe 2 und 3 und die senkrecht nach unten wirkende Gewichtskomponente
G
der Achse 4 werden' die verjüngten Enden 5 und 6
der Achse
4 gegenüber der Verbindungsgeraden der verjüngten Enden der Polschuhe 2 und
3 in eine praktisch stabile Gleichgewichtslage gebracht, wie es aus der F
i g. 2 ersichtlich ist. Da nach der F i g. 2 der Berührungspunkt
7 der Achse 4 nicht auf ihrer Längsachse 5-6 liegt, erhält man für
den Fall, daß die Haftreillung im Berührungspunkt 7 nicht überschritten wird,
ein stabilisierendes Moment der Größe
wobei (p der Drehwinkel der Achse 4 ist. Wird je-
doch die Haftreibung im
Berührungspunkt 7 überschritten, so tritt eine Nullpunktverschiebung dieses
stabilisierenden Momentes Mt"b auf, welche sich scheinbar als hystereseartiker Störfaktor
bemerkbar macht. Um diese Störung ausschalten zu können, muß der Radius r. auf Null
gebracht werden. Dies gelingt dann, wenn z. B. das Gewicht G der Achse 4
aufgehoben wird. Zu diesem Zweck kann der Magnet 1, wie in der F i
g. 1 dargestellt ist, z. B. mit zwei Streupolen 8 und 9 ausgerüstet
sein, welche so dimensioniert und angeordnet sind, daß die Summe der von ihnen auf
die Achse 4 ausgeübten Kräfte B, und B , dem Gewicht der Achse 4 entspricht.
Die Achse 4 stellt sich in diesem Fall nach der F i g. 3
ein, falls an der
Berührung#stelle des verjüngten Endes 5 der Achse 4 am verjüngten Ende des
Polschuhes 2 keine Reibungskräfte wirken. Wird jedoch auch die Reibung berücksichtigt,
so ergibt sich nach der F i g. 4, daß sich das am verjüngten Ende des Polschuhes
2 anliegende verjüngte Ende 5 der Achse 4 auf einem Kreis mit dem Radius
r" im indifferenten Gleichgewicht aufhalten kann. Dieser Radius r 3 ist abhängig
von den Polmaterialien, von der Formgebung der Polschuhe und vom Reibungskoeffizienten
zwischen den sich berührenden Flächen bzw. Punkten. Störend. an dieser unstabilen
Lage ist jedoch nu * r der -Radius r" welcher außer.- li#oin Radius r. noch
vom Radius r.. abhängig ist, nach der Gleichung
Dieser Radius r. wird erfahrungsgemäß so klein,. daß er für die meisten Anforderungen
nicht berücksichtigt zu werden braucht.
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* Soll jedoch das Achssystem noch höheren Anforderungen zu
genügen vermögen, kann die Achse 4 vor jeder Inbetriebnahme durch eine besondere
Vorrichtung zentriert werden. Zu diesem Zweck sind, wie aus der F i g. 1
ersichtlich ist, auf zwei im Gehäuse oder Träger fest angeordneten Achsen
10 und 11 zwei Winkelhebel 12 und 13 gelagert, deren eine Schenkel
je eine Bohrung zur Aufnahme je eines der verjüngten Enden
5 bzw. ' 6 der Achse 4, besitzen. In Ruhestellung, wenn die Achse
4 nicht durch die Winkelhebel 12 und 13 gehalten und zentriert ist, liegen
die anderen Schenkel dieser Winkelhebel 12 und 13 an je einem Anschlag
14 bzw.. 15 an. Durch Zug Z auf die Enden der an den Anschlägen 14 bzw.
15 anliegenden Schenkel der Winkelhebel 12 und 13
kommen die Bohrungen
in den anderen Schenkeln der Winkelhebel 12 und 13 auf die verjüngten Enden
5 bzw. 6 der Achse 4 zu liegen, wodurch die Achse 4 zentriert wird.
Damit die Verschwenkungswege der beiden Winkelhebel 12 und 13 unter Kontrolle
gehalten werden können, sind noch zwei weitere einstellbare Anschläge
16 und 17 vorgesehen.
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Durch die. Erfindung soll nun in erster Linie der störende Einfluß
des Radius r. wesentlich verkleinert und praktisch zum Verschwinden gebracht werden.
Dies wird bei der erfindungsgemäßen Systemachse nach der F i g. 5 in der
Weise erzielt, daß auf die verjüngten Enden der Polschuhe 2 und 3 Kappen
18
aus magnetisch möglichst wenig isolierendem Material großer Härte, z. B.
künstlichem Saphir, mit plangeschliffenen, polierten Endflächen 19 aufgekittet
sind. Die Dicke d dieser Kappen 18 an den Spitzen der verjüngten Enden
der Polschuhe 2 und 3 ist möglichst klein gehalten, damit die maximale Feldstärke
nicht zu stark beeinträchtigt wird. Der Radius ri ist wieder durch den Winkel a
und den Radius r 5 bedingt, nach der Gleichung
Durch Reduktion des Spieles S zwischen dem verjüngten Ende der Achse 4 und
dem verjüngten Ende des Polschuhes 3 bzw. der dieses überdeckenden Kappe
18 kann aber der Winkel a sehr klein gehalten werden. Ferner bewirkt die
radiale Zunahme der Dicke der Kappen 18, daß die Feldstärke nach außen rascher
abfällt, d. h., daß das magnetische Feld besser zentriert ist, als wenn keine
solchen Kappen 18
vorgesehen sind.
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Wird auf die Richt-ungsstabilität der Systemachse kein großer Wert
gelegt, kann der Radius ri auch dadurch verkleinert werden, daß die Kuppen der Polschuhe
2 und 3 im Bereich des Radius
(F i g. 4) einen genügend großen Radius r im Extremfall oo, erhalten. Zweckmäßigerweise
wird man diesen Radius r ein wenig größer machen als r. - tgß.
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Wird die ' beschriebene Systemachse für t-rans" portable Instrumente
ode.r-Gerä.te.verwendet,.,werden
die verjüngten Enden
5 und 6 der Achse 4 zweckmäßig mit Spitzen 5' bzw.
6' (F i g. 1) aus besonders hartem Material, das aber den Magnetfluß
nicht oder nur in ganz geringem Maße beeinflußt, bestückt, damit diese verjüngten
Enden 5 und 6 durch beim Transport auftretende Stöße oder Schläge
nicht zerstört werden. Wolframkarbid hat sich als geeignetes Material für diese
Spitzen 5' und 6' erwiesen. Gegebenenfalls können auch die verjüngten
Enden der Polschuhe 2 und 3 mit derartigen Spitzen 2' und 3'
versehen
werden.