DE1441162B2 - Magnetlager für den Rotor eines Elektrizitätszählers - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Magnetlager für den tischen Felder der Lagerung ergibt, wenn andere

Rotor eines Elektrizitätszählers, bestehend aus min- Kräfte eine geringe Dezentrierung verursachen, ver-

destens zwei sich abstoßend axial gegenüberstehen- hältnismäßig niedrig ist.

den ringscheibenförmigen Magnetkörpern aus hoch- Magnetlager, deren Magnetkörper nur an den ein-

koerzitivem, permanent magnetisierbarem Werkstoff, 5 ander zugekehrten Stirnseiten je zwei konzentrische

deren jeder mindestens ein Paar in einer gemeinsa- Polflächen von entgegengesetzter Polarität aufweisen,

men Ebene liegende, konzentrische Pole besitzt und sind zwar an sich durch die japanische Patentschrift

wovon der eine am Rotor und der andere am Zäh- 125 777 bekannt. Dabei handelt es sich jedoch nicht

lerrahmen befestigt ist. um ringscheibenförmige Magnetkörper, sondern um

Obwohl die magnetische Lagerung besonders hin- io solche mit einer Hufeisen-Rotationsform. Auch sind

sichtlich der Verminderung bzw. Aufhebung von die Polflächen von entgegengesetzter Polarität beim

Reibungskräften ideal zu sein scheint, konnte sie bis- Magnetlager nach der japanischen Patentschrift ver-

her die bei Elektrizitätszählern gestellten hohen An- schieden groß.

forderungen an die Stabilität nicht erfüllen. Bekannte Durch die nachstehend beschriebene und in der magnetische Lagerungen sind empfindlich und stör- 15 Zeichnung veranschaulichte Erfindung werdeipin der anfällig. Eine Änderung der Lage kann eine Ände- Fachwelt als sehr wesentlich erachtete technische rung der Kraftausübung auf die Meßscheibe verur- Fortschritte erzielt, die angesichts der zahlreichen Sachen, was die Genauigkeit des Meßvorgangs nach- bekannten Magnetlager kaum noch für erreichbar geteilig beeinflußt. halten wurden. Es wurde jedoch durch eingehende

Bei einer weichen Lagerung erzeugt eine gering- 20 Versuche und kritische Beurteilung der erzielten Wir-

fügige Änderung der magnetischen Kraft eine ver- kungen die Erkenntnis gewonnen, daß es auf das

hältnismäßig große Änderung der Lage. aufeinander abgestimmte Zusammenwirken mehrerer,

Eine andere, bisher nicht bewältigte Schwierigkeit an sich zunächst noch nicht bedeutungsvoll erschei-

besteht in der zu geringen seitlichen Stabilität. Wenn nender Maßnahmen und Bemessungen ganz entschei-

sich der Rotor etwas dezentriert bewegt, ergibt sich 25 dend ankommt, und daß auf diesem Wege doch noch

eine seitliche magnetische Kraft. Dadurch wird ein unerwartete Vorteile erzielt werden konnten.

Zentrierlager erforderlich, das jedoch Reibungskräfte An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nach-

auf die sich drehende Welle ausübt und unter ande- stehend näher erläutert. Es zeigt

rem auch Schwierigkeiten auf Grund von Abnut- Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Elek-

zungserscheinungen mit sich bringt. 30 trizitätszählers mit einer magnetischen Lagerung ge-

In der Praxis haben sich ferner weitere Schwierig- maß der Erfindung,

keiten ergeben, wie z. B. die Empfindlichkeit gegen- Fig. 2 eine Aufsicht eines Magnets, die einem

über Temperaturänderungen und äußeren Magnet- Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 entspricht,

feldern. Wenn ferner beide Magnetfelder irgend- Fig. 3 und 4 senkrechte Schnitte durch ein an-

welche Unregelmäßigkeiten der Feldstärke um die 35 deres Ausführungsbeispiel einer magnetischen La-

Achse aufweisen, führt dies zur Erzeugung uner- gerung.

wünschter Verriegelungskräfte, so daß die Welle eine Die in der Zeichnung beispielsweise dargestellten, besondere Winkellage einnimmt und dem Beginn nachstehend noch eingehend beschriebenen Magneteiner Drehung Kräfte entgegensetzt. körper — nämlich der Stator-Stützmagnet 35 in

Ein bekanntes Magnetlager, das die geschilderten 40 F i g. 1 und 2, der Stator-Stützmagnet 74 in F i g. 4, der Nachteile aufweist, zeigt beispielsweise die USA.- Stator-Zentriermagnet 90 in Fig. 4, der Rotor-Stütz-Patentschrift 2 560 260. Dieses Magnetlager besteht magnet 30 in Fig. 1 und 3 sowie der kombinierte aus zwei axial gegenüberliegenden, ringscheibenför- Rotor-Stütz- und Zentriermagnet 82 in Fig. 4 — bemigen Magnetkörpern, die radial magnetisiert sind stehen aus einem eine hohe Koerzitivkraft, vorzugs- und sich gegenseitig abstoßen. 45 weise mindestens 650 Oersted, aufweisenden Magnet-Gemäß der Erfindung können die Nachteile der werkstoff. Besonders geeignet ist ein an sich bebekannten Magnetlager dadurch behoben werden, kannter Magnetwerkstoff, der aus kunstharzgebundedaß die ringscheibenförmigen Magnetkörper so ma- nem, isotropem Magnetpulver der folgenden Zusamgnetisiert sind, daß die zwei konzentrischen Pol- mensetzung in Gewichtsprozenten besteht: Co 24, flächen von entgegengesetzter Polarität annähernd 50 Ni 18, Al 8,5, Ti 5, Cu 3,25, Fe Rest,
gleiche Fläche besitzen, daß der Außendurchmesser In den Fig. 1 und 2 ist ein Teil eines Elektrizitätsder beiden Magnetkörper höchstens 19 mm und der Zählers dargestellt, der einen Rahmen 10 und eine axiale Abstand zwischen denselben höchstens 3 mm vertikale rotierende Welle 11 aufweist, die eine beträgt, daß der mittlere radiale Abstand der Pol- Scheibe 11' trägt. Die zugeordneten Elemente der flächen entgegengesetzter Polarität höchstens 5,5 mm 55 Meßeinrichtung, wie der Antrieb und die Verzögebeträgt, daß die Polflächen der Magnetkörper durch rungsmagnete, sind an sich bekannt und deshalb eine Rille von höchstens 3 mm radialer Breite von- nicht dargestellt. Das obere Ende der Welle 11 wird einander getrennt sind und daß die Magnete aus von einem Stift 16 geführt, der in einem Graphitlager einem Magnetwerkstoff mit einer Koerzitivkraft von 24 läuft. Das Gewicht der Welle wird durch eine mindestens 650 Oersted bestehen. 60 magnetische Abstoßung zwischen den Stützmagneten

Durch Befolgung dieser Magnetisierungs- und Be- 30 und 35 aufgenommen. Der Rotormagnet ist an

messungsregehi kann ein Magnetlager geschaffen der Welle 11 und der Statormagnet 35 ist an dem

werden, bei welchem die maximale Stablänge des Halter 13 befestigt.

magnetischen Kreises in engen Grenzen gehalten und Die Magnete 30 und 35 sind im wesentlichen gleich der Magnetwerkstoff optimal ausgenutzt ist, so daß 65 ausgebildet. Alle permanentmagnetischen Poloberdie Abstandsänderung der Magnetkörper in Abhän- flächen weisen in eine axiale Richtung, sind nahe zugigkeit von der Laständerung klein bleibt und die einander angeordnet und besitzen dieselbe Flächendezentrierende Seitenkraft, die sich durch die magne- größe. Gleiche Pole liegen einander direkt gegen·

über. Deshalb besitzen die äußeren Poloberflächen 38 und 41, die dasselbe Vorzeichen haben, dieselbe Flächengröße wie die inneren Poloberflächen 39 und 42, während die Rillen oder Abstände 40 und 43, die jeweils zwischen den beiden Poloberflächen eines Magnets verlaufen, ziemlich schmal sind. Diese Anordnung ergibt mit einer geeigneten Magnetisierung, um das Drehelement mit dem zwischen den Magneten 30 und 35 dargestellten Spalt (von etwa 1,3 mm Breite) zu lagern, eine sehr stabile Lagerung, bei der die seitlichen magnetischen Kräfte, die von geringfügigen Verschiebungen erzeugt werden, sehr klein sind. Während des normalen Betriebs begrenzen der Stift 19 und der Graphitring 25 die seitliche Bewegung des Magnets 30 auf so geringfügige seitliche Verschiebungen, daß die seitlichen magnetischen Kräfte äußerst niedrig sind.

Der Rahmen 10, von dem nur hervorragende Vorsprünge dargestellt sind, trägt einen oberen Befestigungsteil 12 und einen unteren Befestigungsteil 13. Jeder dieser Teile besitzt einen kreisförmigen Querschnitt. Sie sind in geeignete Öffnungen in Ansätze des Rahmens 10 eingesetzt und werden durch Kopfschrauben 14 gehaltert. Der Teil 12 besitzt eine axial verlaufende zylindrische Bohrung 15, durch die sich ein sehr kleiner Zentrierstift 16 entlang der Achse der Bohrung erstreckt. Der Stift 16 wird von einem Gußstopfen 17 gehaltert. In ähnlicher Weise weist der Teil 13 eine Bohrung 18 auf, durch die ein Zentrierstift 19 entlang deren Achse verläuft. Dieser Stift wird durch einen Gußstopfen 20 gehaltert. Die Stifte 16 und 19 sind genau zentriert, indem sie bei dem Eingießen der Stopfen 17 und 20 zentriert gehaltert wurden.

An jedem Ende der Welle 11 sind Hohlräume 22 bzw. 23 vorgesehen. Die Hohlräume 22 und 23 sind zylindrisch ausgebildet. Ihre Achsen fallen mit der Achse der Welle 11 zusammen. Am einen Ende der Welle 11 ist am Mundstück des Hohlraums 22 ein Graphitlager 24 befestigt, dessen Öffnung mit der Achse der Welle 11 ausgerichtet ist. In dieser Öffnung ist der Stift 16 drehbar gelagert. Ein entsprechendes Lager 25 ist am unteren Ende der Welle 11 an dem Mundstück des Hohlraumes 23 befestigt.

Nahe dem unteren Ende der Welle 11 ist ein gerändelter Abschnitt 27 vorgesehen, um eine zuverlässige Lageeinstellung des Magnets 30 zu gewährleisten. Während der Rotormagnet 30 genau zentriert auf der Welle 11 gehaltert wird, wird das Verbindungsmetall 29 an Ort und Stelle eingegossen. Wahlweise kann der Magnet 30 an einem Bund 29' angekittet werden (wie in Fig. 3), der durch eingepaßte Teile zentriert wird, bündig auf die Welle 11 paßt und daran durch Setzschrauben befestigt wird.

Der untere Statormagnet 35 ist an dem Teil 13 durch eingegossenes Metall 36 befestigt, das zur gleichen Zeit wie der Stopfen 20 eingegossen werden kann.

Es ist natürlich sehr wichtig, daß die Ebene der Pole 38 und 39 senkrecht zu der Achse des Halters 13 verläuft. Die in Fig. 1 dargestellten Merkmale erleichtern die Erzielung dieser Ergebnisse bei der Herstellung.

Vorteilhaft ist die Verwendung einer deformierbaren ringförmigen Rippe 120 nahe dem Hohlraum 18 des Körpers 13. Beim Gießen wird die Form, die an den Polen 38 und 39 angreift, und die ebenso in die zentrale Bohrung des Magnets 35 paßt, um diesen zu zentrieren, mit großer Kraft, beispielsweise mit 45 kg, auf den Teil der Form gepreßt, der den Körper 13 genau zentriert haltert. Diese Kraft reicht aus, um die Rippe 120 zu deformieren. Der Körper 13 besteht aus Aluminium. Wenn also irgendeine geringfügige Unregelmäßigkeit vorhanden ist, die einen ungleichen Abstand zwischen dem Magnet 35 und dem Körper 13 erzeugt, wird die ringförmige Rippe 120 so deformiert, daß sie sich dieser Unregelmäßigkeit anpaßt. Während die Teile so in geeigneter Beziehung gehalten werden, wird das Gußmetall eingespritzt. Die Rippe 120 dient zum Abdichten des fließenden Metalls, so daß dieses nicht in den Vorraum 18 eindringt, der später von der Welle 11 eingenommen wird.

Um den Spritzgußteil 36 durch dieselbe Einspritzung wie den Stopfen 20 herzustellen, ist eine Bohrung 121 quer durch den Körper 13 vorgesehen. Deshalb kann das Metall von einer Stelle zu allen dargestellten Punkten fließen. Natürlich ist das Formstück, das den Magnet 35 hält, mit einem Ansatz versehen, der den inneren Umriß des Gußmetalls bildet, das den Bodenteil des Hohlraums 18 darstellt.

Fig. 4 zeigt den unteren Teil einer Welle 67, die im allgemeinen der Welle 11 entspricht. Das obere Ende der Welle 67 (nicht dargestellt) kann in einem Lager angeordnet sein, das dem oberen Lager der Welleil entspricht. Von der Unterseite der Welle

67 ragt ein Stift 68 hervor, der ziemlich steif sein kann. Er ist kürzer und kann einen größeren Durchmesser als die Stifte 16 und 19 aufweisen. Der Stift

68 erstreckt sich in einen Hohlraum 69 in einem Stützblock 70. Der Stützblock 70 kann auf einem geeigneten Rahmen, wie beispielsweise dem Rahmen 10 in Fig. 1, angeordnet sein.

Über dem Hohlraum 69 befindet sich ein vergrößerter Hohlraum 71, auf dessen Unterseite ein Graphitlager 72 eingesetzt ist. Das Lager 72 weist eine axiale Öffnung 73 auf, die den Stift 68 ziemlich lose aufnimmt. Das untere Ende der Welle 67 wird von einem Stützmagnet 74 umgeben, der identisch mit dem Magnet 35 in Fig. 1 sein kann. Der Magnet 74 weist eine äußere ringförmige Poloberfläche 75 und eine innere ringförmige Poloberfläche 76 auf, die den Poloberflächen 38 bzw. 39 entsprechen. Die Pole 75 und 76 sind durch eine Rille 77 getrennt.

Der Rotormagnet 82 ist um einen gerändelten Abschnitt 80 der Welle 67 herum durch Metall 81 befestigt, das an Ort und Stelle eingegossen wurde. Der Magnetkörper 82 ist zylindrisch ausgebildet. Seine untere Ebene ist mit einem äußeren ringförmigen Pol 83 und einem inneren ringförmigen Pol 84 versehen, die durch eine Rille 85 getrennt sind. Die Gestalt und Größe der Pole 83 und 84 entsprechen denjenigen der Pole 75 und 76.

Um den Umfang des Magnetkörpers 82 sind angrenzend an dessen oberes Ende zwei entlang dem Umfang angeordnete Pole 87 und 88 vorgesehen, die durch eine Rille 89 getrennt sind. Ein ringförmiger Statormagnet 90 weist zwei innere Pole 91 und 92 entlang des Umfangs auf, die durch eine Rille 93 getrennt sind.

Die Pole 87 und 91 besitzen dieselbe Polarität, während die Pole 88 und 92 die entgegengesetzte Polarität besitzen. Deshalb ist das magnetische Feld zwischen dem oberen Magnet des Körpers 82 und dem Ringmagnet so ausgebildet, daß diese Magnete einander abstoßen und dazu dienen, die Welle 67 zu

-χ τ ι

zentrieren, so daß diese mit der vertikalen Achse der Pole 91 und 92 zusammenfällt. Die Pole 83 und 75 besitzen ebenfalls dieselbe Polarität, während die Pole 76 und 84 die entgegengesetzte Polarität haben. Deshalb wird der untere magnetische Teil des Magnetkörpers 82 von der abstoßenden Magnetkraft zwischen diesem Magnetkörper und dem Magnet 74 getragen. Wenn die auf das rotierende Element, von dem die Spindel 67 ein Teil ist, ausgeübten Kräfte hinreichend klein oder gut ausbalanciert hinsichtlich seitlicher Kräfte auf die Spindel 67 sind, kann der Stift 68 normalerweise nicht das Lager 72 berühren, so daß der normale Reibungswiderstand gleich Null ist.

Um die Vorteile der Erfindung am besten auszunutzen, ist zu beachten, daß die Breite der Rillen 40 und 43 in radialer Richtung verhältnismäßig klein ist, jedenfalls nicht größer als 3 mm. Ferner sollte die Größe den unten angegebenen Abmessungen entsprechend oder noch niedriger sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die Magnete 30 und 35 einen Gesamtdurchmesser von 14,3 mm und einen Durchmesser der Bohrung von 3,96 mm. Die Breite der Rillen 40 und 43 beträgt in radialer Richtung 1,09 mm. Die Poloberfläche 39 hat eine radiale Abmessung von 2,72 mm und die Poloberfläche 38 von 1,37 mm. Die Dicke der Magnete entlang der Achse der Welle 11 gemessen kann 4,75 mm betragen.

Die Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 wurde als durchaus zufriedenstellend zum Lagern von rotierenden Elementen mit 16 Gramm Gewicht festgestellt, die beispielsweise für einphasige Meßeinrichtungen Verwendung finden. Mit Elementen mit 32 g (zwei Scheiben) wird eine größere magnetische Seitenkraft durch geringfügige exzentrische Verschiebungen hervorgerufen, die jedoch immer noch innerhalb eines zulässigen Bereichs liegen, wobei die Lagerung für diesen schwereren Rotor ebenfalls zufriedenstellend ist.

Es ist wichtig, darauf zu achten, daß der Gesamtdurchmesser der Magnete klein gehalten werden soll. Dies ist teilweise deshalb wünschenswert, damit sich eine raumsparende und nicht kostspielige Einheit ergibt. Ferner wird dadurch der Arm des Drehmoments irgendeiner Kraft verkürzt, die sich aus einem Mangel der Perfektion hinsichtlich der Gleichförmigkeit ergeben könnte, so daß eine derartige mangelnde Gleichförmigkeit von geringerer Bedeutung ist, als wenn der Arm des Drehmoments länger wäre. Nach Möglichkeit soll der Außendurchmesser der Magnete kleiner als 19 mm gehalten werden. Wenn größere Hebekräfte erforderlich sind, wäre es besser, mehrere in axialer Richtung voneinander getrennt angeordnete Magnetpaare zu verwenden, als ein Magnetpaar mit größerem Durchmesser. Der Außendurchmesser wird möglichst klein gehalten, indem beide Poloberflächen eines Magnets dieselbe Flächengröße aufweisen, und indem die trennende Rille in radialer Richtung klein gehalten wird.

Es ist außerdem zu beachten, daß die axialen Abstände länger als die Breite der Rille sind, die die Polflächen trennt. Als Regel gilt, daß der axiale Spalt mindestens so groß sein sollte, daß er an- 6g genähert gleich der Breite der Rille ist.

Versuche haben gezeigt, daß die Einrichtung gemäß der Erfindung eine überraschend geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen zeigt. Diese Lagerung wurde bei einem Rotor von 32 g Gewicht verwandt, der sich in axialer Richtung nur um etwa 0,08 mm oder weniger bei einer Temperaturänderung von — 40 bis + 90° C bewegt. Dies liegt natürlich weit außerhalb des Bereichs, dem z. B. ein üblicher Elektrizitätszähler ausgesetzt wird. Im Vergleich zu einer der besten bisher bekantnen magnetischen Lagerungen ist zu bemerken, daß bei derselben Temperaturänderung mindestens die dreifache vertikale Ausdehnung als in dem obenerwähnten Beispiel zu erwarten ist.

Ferner hat sich die magnetische Lagerung gemäß der Erfindung als weitgehend unabhängig von zeitweiligen oder ständigen magnetischen Änderungen auf Grund äußerer magnetischer Felder gezeigt, die darauf entweder als Ergebnis beabsichtigter Beeinflussungen, die zu falschen Meßergebnissen führen, oder als Ergebnis von Ladeströmen auf Grund von Blitzeinschlägen in die Ubertragungsleitungen ausgeübt werden. Zum Beispiel wurde festgestellt, daß bei einem handelsüblichen Gerät mit magnetischer Lagerung unter Verwendung von abstoßenden Kräften ein üblicher Magnet, wenn dieser an einer geeigneten Stelle der Hülle der Meßeinrichtung gebracht wird, so die Magnete der magnetischen Aufhängung beeinflußt, daß der Rotor mindestens um 0,5 mm abfällt, oder daß die Polflächen aneinander angreifen, wodurch starke Reibungskräfte erzeugt werden. Bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung hatte ein entsprechend angewandter Magnet nur einen Abfall des Rotors von 0,1 mm oder weniger zur Folge.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Magnetlager für den Rotor eines Elektrizitätszählers, bestehend aus mindestens zwei sich abstoßend axial gegenüberstehenden ringscheibenförmigen Magnetkörpern aus hochkoerzitivem magnetisierbarem Werkstoff, deren jeder mindestens ein Paar in einer gemeinsamen Ebene liegende konzentrische Pole entgegengesetzter Polarität besitzt und wovon der eine am Rotor und der andere am Zählerrahmen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei konzentrischen Polflächen (38, 39; 41, 42; 75, 76; 83, 84) von entgegengesetzter Polarität annähernd gleiche Fläche besitzen, daß der Außendurchmesser der beiden Magnetkörper (30, 35 und 74, 82) höchstens 19 mm und der axiale Abstand zwischen denselben höchstens 3 mm beträgt, daß der mittlere radiale Abstand der Polflächen entgegengesetzter Polarität höchstens 5,5 mm beträgt, daß die Polflächen der Magnetkörper durch eine Rille von höchstens 3 mm radialer Breite voneinander getrennt sind und daß die Magnete aus einem Magnetwerkstoff mit einer Koerzitivkraft von mindestens 650 Oersted bestehen.

2. Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetwerkstoff aus kunstharzgebundenem, isotropem Magnetpulver der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozenten besteht: Co 24, Ni 18, Al 8,5, Ti 5, Cu 3,25, Fe Rest.

3. Magnetlager nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Breite der Rillen (40, 43 und 77, 85) 1 mm, der axiale

Abstand zwischen den beiden Magnetkörpern (30, 35 und 74, 82) 1,2 bis 1,8 mm und der Außendurchmesser des Rotormagnetkörpers (30 und 82) rund 14 mm beträgt.

4. Magnetlager nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnetkörper (30 und 82) an der WeIIe(Il und 67) durch Gußmetall (29 und 81) befestigt ist.

5. Magnetlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (11 und 67) an der von Gußmetall (29 und 81) zu umschließenden

Stelle einen gerändelten Abschnitt (27 und 80) aufweist.

6. Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Statormagnetkörper (35) durch Gußmetall (36) an einem Querbohrungen (121) aufweisenden Halter (13) befestigt ist.

7. Magnetlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Aluminium bestehende Halter (13) am oberen Rande seines zentralen Hohlraumes (18) eine ringförmige Rippe (120) aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 009 538/126