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Magnetisches Schwebelager Bei magnetischen Lagern fUr stehende Wellen,
beispielsweise Pur dis Läuferwelle von Elektrizitätszahlern, wird das Gewicht der
Welle und aller mit ihr eine bewegliche Baueinheit bildenden Teile durch Magnetfelder
teilweise oder auch ganz kompensiert. Im Falle der vollständigen Kompensierung wird
die Welle magnetisch in der Schwebe gehalten, bei teilweiser Kompensierung wird
der Druck der Welle auf ein sie tragendes Lager verringert. Eine schwebende Lagerung
einer Welle ist jedoch nicht ohne zusätzliche Stabilisierungamittel möglich, die
die Welle-in ihrer senkrechten Stellung unkippbar festhalten.
In
der Regel bestehen diese Stabilisierungsmittel aus Führuagslagem für die Welle.
Ein einziges Meßsystem ist bekannt (deutsche Patentschrift 976 997), bei dem die
Welle beruhrungsfrei stabilisiert wird : zur Stabilisierung dient hier ein an der
Welle befestigter diamagnetischer Körper, der im inhomogenen Feld eines feststehenden
Magneten schwebt. Ein Schwebezustand eines paramagnetischen Körpers, also z. B.
eines Eisenkörpers, in einem Magnetfeld ist ohne Stabilisierungsmittel physikalisch
unmöglich.
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Die Wirkungsweise des vorgenannten bekannten Meßsystems sei an Fig.
1 der Zeichnung erläutert. Ein in der Schwebe zu haltender Läufer eines Elektrizitätszählers
besteht hier aus einer Läuferscheibe 1 und einer Welle 2. Am oberen Ende der Welle
2 ist ein Magnetring 3 befestigt-, der sich über einem feststehenden Magnetring
4 befindet. Die beiden Magnetringe stehen sich mit einer solchen Polarität gegenüber,
daß sie sich gegenseitig abstoßen und damit die Welle 2 nach oben drucken. Auch
am unteren Ende der Welle 2 ist ein Ring 5 angebracht ; dieser besteht aber im Gegensatz
zu dem Ring 3 nicht aus einem paramagnetischen, sondern einem diamagnetischen Stoff.
Er befindet sich im inhomogenen Spaltfeld eines starken Topfmagneten 6. Das Feld
des Magneten 6 drängt den diamagnetischen Ring 5 von sich weg. Da dieses Wegdrängen
an jeder Umfangsstelle des Magnetspaltes bzw. des Ringes mit der gleichen Stärke
geschieht, so schwimmt der Ring 5 stets genau über dem Feldspalt des Magneten 6
und stets genau in waagerechter Lage, womit auch die Welle 2 stets in ihrer senkrechten
Stellung erhalten wird.
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Ein solches Meßsystem bietet durch die beruhrungsfreie Stabilisierung
den Vorteil der völligen Reibungsfreiheit der in der Schwebe zu
haltenden
Welle, abgesehen von der Luftreibung. Selbst letztere läßt sich im Vakuum vermeiden.
Der bauliche Aufwand eines solchen Maßsystems ist aber beträchtlich groß : Da diamagnetische
Kräfte außerordentlich klein sind, wird bei dem genannten MeBoystem zur Stabilisierung
des diamagnetischen Körpers ein sehr starkes Magnetfeld und somit ein sehr starker
und sehr großer Magnet benötigt.
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Dadurch ist die Lagerung auch gegen kleine Xnderungen der Krifte noch
sehr empfindlich. Die Anwendung des bekannten Me9systeme wird sich daher auf Sonderfälle
beschränken müssen, bei denen die vorgenannten Mängel in Kauf genommen werden können.
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Auch die Erfindungerreichteinenberührungsfreien Schwebezustand einer
senkrechten Welle bei einem magnetischen Schwebelager, aber mit einem weit geringeren
Aufwand und auch unter Ausschaltung der Empfindlichkeit der Lagerung gegen kleine
Kräfteänderungen. Auch sie erreicht dieses Ziel naturgem§ß nicht ohne Stabilisierungsmittel,
aber sie ist nicht auf die Verwendung diamagnetischer Mittel angewiesen. Sie erreicht
das Ziel bei einem magnetischen Schwebelager fUr eine stehende Welle, insbesondere
die Läuferwelle eines Elektrizitätszählers, mit einem die Welle in ihrer senkrechten
Stellung erhaltenden magnetischen Stabilisierungsmittel, erfindungageB dadurch,
daß das Stabilisierungsmittel aus einem Magneten runden Querschnitts und einer diesem
Magneten im Abstand vorgelagerten, weichmagnetischen, runden Scheibe besteht, wobei
der eine dieser beiden Toile an der Welle angebracht und der andere festatehend
angeordnet ist, und daß der Magnet mit einem auf Hdhenänderungen der Welle ansprechenden,
die Höhenstelluhg der Welle durch Beeinflussung seiner magnetischen Einwirkung auf
die Scheibe selbst~ tätig einhaltenden Regelmittel versehen ist. l) as Schwebelager
nach
der Erfindung bedient sich also im Gegensatz zu dam erwähnten
bekannten Meßsystem ausschließlich paramagnetischer Kräftet statt eines diamagnetisohen
Systems verwendet sie als Stabilisierungsmittel eine magnetische Stabilisierungs-Regelung.
Der Magnet des Stabilisierungsmittels kann wie bei dem bekannten MeSsystem beiepieloweiee
ein elektrisch erregter Topfmagnet sein. Für die Wahl doe'Regelmittels gibt es viele
Möglichkeiten ; ein besonders einfaohes und fUr den vorliegenden Zweck besondera
vorteilhaftes Regelmittel ist aber eine elektrische Feldplatte. Die Vorteile und
weiters Einselheiten des Erfindungsgegenstandes werden an in Fig.
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2 bis 5 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erlOuterte
80tolet die Einzelteile dieser Beispiele den Einzelteilen in Fig. 1 enteprechen,
sind sie mit den gleichen Bosugszetohen wie dort verhan.
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In Fig. 2 ist am oberen Ende der Welle 2 wie in Fig. 1 ein Dauermagnet
3 angebracht, der von einem feststehenden Magnetring 4 bei der singezeichneten Polarität
nach oben gedrängt wird. Zusätzlich 1* noch ein zweiter Dauermagnet 30 mit solcher
Polarität dargettwilt, daß die auf die Magnete 3 und 30 wirkenden Kräfte gegenein-Mdergwriohtwt
sind. Die auf den Magnet 30 wirkende Kraft iat aber viel kleiner als die auf don
Magnetring 3 wirkende Kraft. Mindestens wiBwr dar beiden Magnete 3 und 30 ist entlang
der Welle z. B. mittels Owwinde verstellbar, so daß die resultierende Kraft auf
die Welle einstellbar ist. Der Magnet 30 kann aber auch fortgelassen werden. ka
der Läuferscheibe 1 sind noch zwei nicht nicher bezeichnete Triebsystems des Zihlere
andeutungsweise eingezeichnet.
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Unter dem unteren Ende der Welle 2 befindet sich wie in Fig. 1 wiederum
ein Topfmagnet 6. Statt des diamagnetischen Rinces 5 in Fig. 1 iat aber in Fig.
2 eine einfache Weicheisenscheibe 7, also eine Scheibe aus weichmagnetischem Werkstoff,
übar dem Topfmagneten an der Welle 2 angebracht. Die Scheibe 7 wird von dem Magneten
6 im Gegensatz zum diamagnetisohen Ring 5 in Fig. 1 nicht abgestoßen, sondern angezogen.
Da die Anziehungskraft an dem ganzen Umfang des Topfmagneten 6 gleich groß ist,
so wirkt sie auf die Scheibe 7 und damit auf die Welle 2 genau so stabil4sierend
wie in Fig. 1 die Abstoßungskraft des Topfmagneten 6 auf den Ring 5. Außerdem ist
auf den Mittelkern des Topfmagneten 6 eine elektrische Feldplatte 8 aufgesetzt.
Diese befindet sich damit in dem Magnetfeld zwischen dem Topfmagnet 6 und der Scheibe
7. Außerdem liegt sie, wie aus Fig. 2 ersichtlich, in Reihenschaltung mit der Erregerwicklung
9 des Topfmagneten 6 über eine Gleichrichteranordnung 10 an einer Wechselspannungsquelle
11.
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Zum Verständnis der Wirkungsweise der dargestellten Anordnung sei
daran erinnert, daß sich der elektrische Widerstand der Feldplatte 8 in einem Magnetfeld
etwa nach Fig. 3 ändert : Ihren kleinaten elektrischen Widerstand hat eine Feldplatte,
wenn kein Feld auf sie einwirkt ; je großer die Feldinduktion ist, um so größer
ist ihr elektrischer Widerstand. Der Widerstand nimmt etwa linear mit der Feldinduktion
zu, und zwar unabhängig von der Richtung dea Feldea.
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In Fig. 2 befindet sioh die Feldplatte, wie erwahnt, im Feld zwischer
dem Magneten 6 und der Scheibe 7. Es sei angenommen, daß sich die
Welle
2 samt der Scheibe 7 im schwebenden Ruhezustand befindet.
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Sinkt die Scheibe 7 durch irgendwelche störenden Einflteße etwa abwarts,
so nahert sie sich dem Magneten 6, so daß die FeldstErke zwischen Magnet und Scheibe
und damit auch in der Feldplatte 8 ansteigt. Mit steigender Feldstärke aber steigt
gemäß Fig. 3 auch der Widerstand der Feldplatte. Diese Widerstandszunahme hat eine
Sahwkohung der 3rregung 9 des Topfmagneten 6 zur Folge und damit ein Nachlassen
der Anziehungskraft des Magneten 6 auf die Scheibe 7, bis die Aufwärtskraft an dem
Magnet 3 die Welle 2 wieder ins Gleichgewicht der Kräfte bzw. in die ursprüngliche
Höhenstellung ihrer Sohwebelage zuriickbringt. Wenn sich dagegen die Scheibe 7 durch
irgendwelche störenden Einflüsse aufwärts bewegt, so wird ihr Abstand vom Magnet
6 großer, die Feldstärke und der elektrische Widerstand der Feldplatte 8 wird kleiner
und die Erregung der Erregerwicklung 9 größer, und damit wird auch die Anziehungskraft
des Magneten 6 auf die Scheibe 7 größer, so daß die Scheibe 7 selbattätig wieder
abwärts gezogen wird, bis zum Wiedererreichen der Gleichgewichtslage.
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Da die selbsttätige Regelung schon auf kleinste Kräfteänderungen,
bei kleinsten Höhenänderungen der Welle 2, anspricht und diese Anderungen selbattätig
wieder rückgängig macht, so braucht der Magnet 6 nicht besonders stark zu sein.
Er kann ganz bedeutend schwächer sein als ein Magnet, der, wie in Fig. 1, einen
diamagnetischen Körper in der Schwebe zu halten hat.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 ist die Feldplatte 8 unterhalb
des beweglichen Magneten 3 feststehend angeordnet. Sie befindet sich im Feldbereich
diesel Magneten, und die auf sie einwirkende Poldstdrke Jet damit von der H6henlage
des*N6gneten 3 abhängig. i Alle übrigen Teile in Fig. 4 haben die gleiche Anordnung
und Ausbildung wie in Fig. 2. Auch die Schaltung der Feldplatte tat die gleiche.
Die Wirkungaweiae ergibt sich sinngemäß aus der voretehenden ErlOuterAng zu Fig.
2, wenn man beriiokaichtigt, daß sich auch hier bei einem Abainken der Welle 2 bzw.
des Magneten 3 die Feldatbrko an der Feldplatte und damit auch der Feldplattenwideratand
erhöht, während bei einem Steigen des Magneten 3 der Wideratand der Feldplatte kleiner
wird.
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In Fig. 5 ist eine Stabiliaierungaregelung in Diffarentialanordaung
gezeigt. Hier eind die Magneto 3 und 4 sowie die Toile 6 bis 9 dappelt vorgesehen,
einmal am oberen und einmal am unteren Ende der Welle 2. Die doppelt vorhandenen
Magnete 3 und 4 wirken gleichsinnig, die Summe ihrer Aufwärtakräfte auf die Welle
2 entspricht der Aufwärtekraft der Magnete 3 und 4 in Fig. 2 und 4. Die doppelt
vorhandenen Toile 6 bis 9 dagegen aind gegensinnig vorgesehen: Am @nteren Ende der
Welle 2 wird die Scheibe 7 vom Magneten 6 wis in Fig 2 bis 4 abwärte gesogen, während
am oberen Wellsnende die Seheibe omMagMM6MeMt<WMgaawird.zbanMaidd<.abeiden
Faldpl@@@ten 8gegensinnig angeordnet@ Am unteren Wellenende ist Feldp'"'waterhalbdeabeweglichenMtgB<$aa3
angeordnet, während am oberen Wellenende die Feldplatte 8 oberhaib d bewegliche"Magneten3angeordnetiat.SohaltungamMigliegen
die beiden Feldplatten 8 zueinander parallel an dem Gleichrichter 10 un uber diesen
am Netz 11. Die Wirkungsweise ergibt sich wiederum
unter Heranziehung
des Schaubildes in Fig. 3 : Sinkt die Welle 2 beispielsweise abwärts, so ergibt
sich am unteren Wellenende wie in Fig. 4 eine Widerstandserhöhung der Feldplatte
und damit eine geringere Abwärtskraft an der unteren Scheibe 7, während sich am
oberen Wellenende eine Widerstandsverringerung und damit eine stärkere Aufwärtskraft
an der oberen Scheibe 7 ergibt. Hiermit werden beide Scheiben 7 wieder aufwärts
bewegt und damit auch die Welle 2 wieder in ihre ursprüngliche Gleichgewichtslage.
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5 Figuren 5 Patentansprüche