DE2103737A1

DE2103737A1 - Magnetische Axiallagerimg für Elektrizitätszähler

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Publication number: DE2103737A1
Application number: DE19712103737
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-01-27
Filing date: 1971-01-27
Publication date: 1972-08-10
Also published as: CH547495A; CA939425A; DE2103737C3; ES399207A1; FR2123315B1; FR2123315A1; AT320070B; IT948339B; GB1312425A; DE2103737B2; US3899223A

Description

MAX BAERMANN 506BENsberg bezirk KÖLN» 13·1«

Scha/Lg 241/71

Magnetische Axiallagerung für Elektrizitätszähler

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Axiallagerung für Elektrizitätszähler mit zwei sich mit gleichnamigen A Polen gegenüberstehenden zylinderförmigen Dauermagneten, von denen der eine an der Welle und der andere am Gestell eines Elektrizitätszählers befestigt ist. Derartige Lagerungen dienen zur Aufnahme axialer Kräfte von drehbaren Systemen und bezwecken, die Gesamtlagerreibung zu verringern.

Die meisten der bekannten magnetischen Lagerungen bestehen aus scheiben-, ring- oder zylinderförmigen Magneten, die so magnetisiert sind, daß gleichnamige oder ungleichnamige Po- „ Ie gegenüberstehen, so daß sie einmal die abstoßende Wirkung gleichnamiger und zum andern die anziehende Wirkung ungleichnamiger Pole, die sich gegenüberstehen, oder beide kombiniert ausnutzen.

Es ist z.B. ein dauermagnetisches Lager bekannt, bei welchem zwei sich abstoßend axial gegenüberstehende, ringscheibenförmige Dauermagnete, von denen jeder mindestens ein Paar .ringscheibenförmige konzentrische Pole besitzt, vorhanden sind.

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Mit diesen Lagern lassen sich gute Tragkräfte bei relativ kleinen Radialkräften erzielen. Sie weisen jedoch einen verhältnismäßig großen Durchmesser auf, so daß sie einen ziemlich großen Raum einnehmen. Sie können deshalb nicht in alle Zählerkonstruktionen eingebaut werden.

Der Raum, der in derartigen Geräten für eine solche Lagerung zur Verfügung steht, ist begrenzt. Müssen große axiale Lagerkräfte, wie sie m.B. bei Drehstromzählern vorhanden sind, aufgenommen werden, so wird der Lagerdurchmesser bei Verwendung von scheiben- oder zylinderförmigen Magneten, bei denen die Pole konzentrisch auf den Flächen de» Magnete, die sich mit dazwischen liegendem Luftspalt gegenüberstehen, aufmagnetisiert sind, verhältnismäßig groß. Der Platzbedarf macht es vielfach unmöglich, Elektrizitätszähler einer vorhandenen Type nachträglich mit einem magnetischen Lager zu versehen, ohne die vorhandenen Typenabmessungen des Zählers, insbesondere des Zählertragrahmens, zu ändern.

Es ist auch bereits ein magnetisches Lager bekannt geworden, das geringe Abmessungen, insbesondere einen kleinen Durchmesser der Magnete aufweist. Bei diesem Lager befindet sich jeder der beiden einander gegenüberstehenden axial magnetisierten Magnete in einem Eisentopf, so daß der eine Pol dieses Systems vom Magneten selbst, der andere vom Rand

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des Eisentopfes gebildet wird. Zwischen dem Eisentopf und dem Magneten befindet sich ein kleiner Luftspalt, der meistens durch einen unmagnetischen Werkstoff ausgefüllt ist. Der untere Magnet der Lageranordnung ist z.B. von einem Lagergehäuse umgeben, welches höhenverstellbar von unten in den waagerechten Tragrahraenteil eingesetzt werden kann.

Bei diesen magnetischen Lagerungen treten jedoch verhältnismäßig starke Radialkräfte auf, die sich ungünstig in Bezug ™ auf Reibung und Verschleiß auf die Zentrierlager der Welle auswirken können. Um die Radialkräfte klein zu halten und die vorstehenden Mängel zu vermeiden, ist eine sehr hohe Präzisionsarbeit erforderlich, die die Herstellung verteuert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und eine magnetische Lagerung zu schaffen, die bei hohen Tragkräften kleine Abmessungen, M insbesondere einen kleinen Durchmesser der Lagermagnete aufweist, und bei der nur kleine Radialkräfte bei einer seitlichen Verschiebung der Magnete auftreten. Gelingt es, Lagermagnete mit kleinem Durchmesser bei möglichst hohen Tragkräften und kleinen Radialkräften zu schaffen, so entstehen insbesondere bei gegossenen oder gesinterten Dauermagneten bei eventuell auftretenden Inhomogenitäten der Magnetisierung sehr kleine Haltemomente, die nicht nachteilig wirken.

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Die gestellte Aufgabe wird bei einer magnetischen Lagerung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden sich mit gleichnamigen Polen gegenüberstehenden, zylinderförmig ausgebildeten Magnete derart magnetisiert sind, daß sich der eine Pol auf der Stirnfläche und der andere Pol auf der Umfangsflache des Magneten befindet. Bei dieser besonderen Magnetisierung verlaufen die Kraftlinien, die aus dem Nordpol austreten, der z.B. auf der Zylinderstirnfläche liegt, im Bogen um den Magneten herum und treten in den z.B. auf der Umfangsflache liegenden Südpol wieder ein.

Durch diese Magnetisierung wird ein Magnet geschaffen, der bei kleinem Durchmesser in seiner Wirkungsweise jedoch etwa einem Magneten entspricht, der einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist und bei dem die beiden Pole konzentrisch auf der Stirnfläche des Magneten aufmagnetisiert sind.

Erfindungsgemäß wird gerade der entgegengesetzte Weg gegenüber den bekannten magnetischen Lagerungen beschritten und auf die Anordnung der Lagermagnete in die Kraftlinien zum Luftspalt leitenden Bisentöpfen verzichtet. Bs wurde nämlich gefunden, daß bei derartigen Magnetanordnungen mit kleinem Polabstand sich ein steiler Feldverlauf ergibt. Da die magnetischen Lagerungen unter Ausnutzung von abstoßenden Kräften sich radial im labilen Zustand befinden, treten bei einem steilen Feldverlauf starke Kräfte in radialer Richtung

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auf, die eine unerwünscht hohe Belastung der Führungslager hervorrufen.

Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Magnetisierung eine verhältnismäßig flache magnetische Feldverteilung erzielt, wobei die sich gegenüberstehenden Scheitelpunkte der Kraftlinienkreise Jedes Polpaars außerhalb der Umfangsflächen der Magnete liegen, was in der Wirkungsweise einem großen Polabstand gleichkommt. Dadurch, werden bei kleinem Magnetdurchmesser hohe Tragkräfte erzielt und die in radialer Richtung wirkenden Kräfte auf ein Minimum herabgesetzt«

Es wurde in überraschender Weise festgestellt, daß bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lagerung bei etwa gleichen Tragkräften wesentlich geringere Radialkräfte auftreten als bei den bekannten Lagerungen mit Dauermagnetsystemen gleichen Durchmessers und Eisenrückschluß.

Je nach der gewünschten Charakteristik der Lagerung kann der auf der Umfangsfläche des Magneten liegende Pol mehr oder weniger nach oben oder unten verschoben aufmagnetisiert werden. Der auf der Umfangsfläche des Magneten aufmagnetisierte Pol sollte wenigstens 1 mm von dessen Stirnfläche, auf der sich der Gegenpol befindet, entfernt sein. Es kommt nur darauf an, daß die Flächeninhalte der auf der Stirn- und der Umfangsfläche liegenden Pole etwa gleich groß sind.

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Mit der Erfindung gelingt es, eine magnetische Lagerung zu schaffen, die sich aufgrund ihrer geringen Abmessungen und bestimmten Magnetisierung samt ihrem Lagergehäuse in die vorhandenen verschiedensten Typen von Elektrizitätszählern nachträglich einsetzen läßt, ohne.die Typenabmessungen des Zählers zu ändern.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lagerung wird man in vorteilhafter Weise den feststehenden Dauermagneten ■. B. am Zählergestell in einer Büchse aus unmagnetischem Werkstoff befestigen.

In der nachfolgenden Beschreibung sind anhand der Zeichnungen und Diagramme zwei bekannte magnetische Lagerungen einem Ausführungsbeispiel der Lagerung gemäß der vorliegenden Erfindung gegenübergestellt.

In Fig.1 ist eine bekannte Lageranordnung I dargestellt, die aus einem unteren und einem oberen Magnetsystem besteht. Das untere Magnetsystem ist an dem hier nicht dargestellten unteren waagerechten Tragrahmenteil eines Elektrizitätszählers, und das obere Magnetsystem an der hier ebenfalls

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nicht dargestellten Zählerwelle befestigt. Eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Lageranordnung in eingebautem Zustand wird später anhand der Fig.10 erläutert.

Jedes Magnetsystem der Lageranordnung I besteht aus einem zylinderförmigen Dauermagneten 1, welcher in axialer Richtung magnetisiert ist derart, daß an der einen Stirnfläche der Nordpol N und an der gegenüberliegenden Stirnfläche der Südpol S vorhanden ist. Der zylindrische Dauermagnet ist in einem topfförmigen Körper 2 aus einem weichmagnetischen Werkstoff so angeordnet, daß er mit der einen Stirnfläche an dem Topfboden anliegt, und seine Umfangsflache einen geringen Abstand zu den inneren Seitenwänden des topfförmigen Körpers hat. Der so gebildete Hohlraum 3 ist mit einem unmagnetischen Werkstoff z.B. durch Eingießen einer Zinnlegierung ausgefüllt. Die Kraftlinien des am Topfboden anliegenden Poles des Magneten werden zum Luftspalt k geleitet, sodaß auf der den Luftspalt begrenzenden Fläche jedes Magnetsystems ein konzentrisches Ringpolpaar vorhanden ist. In dem dargestellten Beispiel stehen sich am Luftspalt 4 innen Nordpole und außen Südpole gegenüber, sodaß sich die beiden Magnetsysteme gegenseitig abstoßen.

Xn Fig.2 ist ein Diagramm dargestellt, aus dem die Abstossungskraft F in Newton in Abhängigkeit von dem gegenseitigen axialen Abstand 1 in mm der Magnet/^systeme der Lageranord-

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nung I hervorgeht. Bekanntlich nimmt die Abstoßungskraft mit wachsendem axialen Abstand der Magnete ab. Xn welchem Maße diese Abnahme vor sich geht, kann man aus dem Kurvenzug entnehmen.

Aus dem Diagramm in Fig.3 ist die für die Lageranordnung I ermittelte radiale Kraft F in Newton in Abhängigkeit von der gegenseitigen Seitenverschiebung S in mm ersichtlich. Der Kurvenverlauf ist verhältnismäßig steil, d.h., daß schon bei einer geringen Seitenverschiebung eine hohe radiale Kraft auf die Führungslager wirksam wird.

In Fig.4 ist die Lageranordnung II gemäß der Erfindung dargestellt. Diese Lageranordnung besteht aus den beiden zylinderförmigen Lagermagneten 5 und 6» die sich mit einem dazwischen liegenden Luftspalt h gegenüberstehen. Die beiden Lagermagnete sind so. magnetisiert, daß sich der Nordpol N auf den gegenüberliegenden Stirnflächen 7 und der Südpol S auf der Umfangsflache 8 der Magnete befindet. Selbstverständlich können die Magnete auch so magnetisiert sein, daß sich auf der Stirnfläche der Südpol und auf der Umfangsfläche der Nordpol befindet. Es kommt nur darauf an, daß sich die beiden Magnete mit gleichnamigen Polen gegenüberstehen. Die Lage/ der Pole ist durch eine verstärkte Linie gekennzeichnet. Je nach der gewünschten Charakteristik der Lagerung kann der auf der Umfangsfläche des Magneten liegende Pol mehr oder weniger nach oben oder unten verschoben auf-

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magnetisiert werden. Es kommt jedoch darauf an, daß die Flächeninhalte der auf der Stirn- und der Umfangsfläche liegenden Pole etwa gleich groß ist. Der Abstand a zwischen dem auf der Umfangsfläche des Magneten aufmagnetisiert en Pol und dem auf der Stirnfläche liegenden Gegenpol soll wenigstens 1 mm betragen.

In Fig.5 ist das gleiche Diagramm wie in Fig.2 jedoch bei der Lageranordnung II nach Fig.k dargestellt. Fig.6 zeigt das gleiche Diagramm wie Fig.3» jedoch bei der Lageranordnung II gemäß Fig.4.

Der Außendurchmesser der Magnete gemäß der Lageranordnung II ist gleich dem Außendurchmesser des Magnetsystems gemäß der Lageranordnung I.

Die Lageranordnungen I und II, mit denen die vorliegenden Werte ermittelt wurden, besaßen einen Außendurchmesser von etwa 9 rim und einen Innendurchmesser von etwa 3 mm. Vergleicht man den Kurvenzug der Fig.2 mit demjenigen der Fig.5» so erkennt man, daß diese Kurven nahezu den gleichen Verlauf aufweisen, was besagt, daß diese Lageranordnungen etwa die gleichen Abstoßungs- bzw. Tragkräfte in Abhängigkeit vom Luftspalt besitzen. Demgegenüber erkannt man bei einem Vergleich der Fdguren 3 und 6, daß bei der Lageranordnung II gemäß der Erfindung die auftretende radiale Kraft bei einer

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Seitenvers chi ebting der beiden Magnete gegeneinander wesentlich geringer ist als bei der Lageranordnung I. Hierzu sei bemerkt, daß die radialen Kräfte bei einer Luftspaltlänge von ca. 1 mm ermittelt wurden.

In Fig.7 ist eine bekannte Lageranordnung III dargestellt, bei der sich zwei ringscheibenförmige Dauermagnete 9 und mit einem dazwischen liegenden Luftspalt 4 gegenüberstehen. Jeder der beiden Magnete besitzt auf seiner dem Luftspalt zugekehrten Fläche 11 ein konzentrisches Ringpolpaar. Die Pole sind durch die Buchstaben N und S gekennzeichnet. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß sich gleichnamige Ringpole jedes Magneten gegenüberstehen. Diese Lageranordnung weist einen größeren Außendnrchmesser auf. Die Messungen wurden mit einer Lageranordnung durchgeführt, bei welcher jeder Magnet einen Außendurchmesser von 15 mm aufwies.

Die mit der Lageranordnung III ermittelte Abstoßungskraft in Abhängigkeit von dem gegenseitigen axialen Abstand ist in dem Diagramm gemäß Fig. 8, und die Radialkraft in Abhängigkeit von der Seitenverschiebung in Fig.9 dargestellt.

Wie aus Fig.9 ersichtlich ist, liegen bei der Lageranordnung III die auftretenden radialen Kräfte in tragbaren Grenzen. Sie entsprechen etwa denen, wie sie bei der Lageranordnung II auftreten. Man muß allerdings berücksichtigen, daß bei der Lageranordnung III die Magnete einen

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größeren Durchmesser gegenüber den Lageranordnungen I und II aufweisen und wegen ihres Platzbedarfs nicht in jede vorhandene Zählertype eingebaut werden können.

Aus dieser Gegenüberstellung ergibt sich, daß bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lageranordnung (Fig. 4-6) die gleichen Tragkräfte erzielt werden wie bei der bekannten Lageranordnung I (Fig. 1-3)> bei der die Lagermagnete in einem topfförmigen Körper angeordnet sind, was einen zu- ™ sätzlichen Aufwand und damit höhere Herstellungskosten erfordert. Demgegenüber treten bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lageranordnung bei gleichem Durchmesser wesentlich kleinere radiale Kräfte auf als bei der Lageranordnung I gemäß Fig.1.

Durch die Erfindung gelingt es, die Vorteile der bekannten Lagerungen auszunutzen, jedoch ihre Nachteile wie starke Radialkräfte und große Abmessungen zu vermeiden.

In Fig.10 ist ein Unterlager 12 eines Elektrizitätszählers dargestellt. Die eigentliche magnetische Lagerung besteht aus dem oberen Lagermagneten 13, der direkt am unteren Ende der Läuferwelle 14 befestigt ist, und dem unteren Lagermagneten 1 5, der in der Lagerhülse 16 aus unmagnetischem

Material fest angeordnet ist. Die Läuferwelle 14 trägt die Läuferscheibe I7 und ist gegen radiale Verschiebung in einem hier nicht dargestellten Oberlager gelagert. Die Lagerhülse 16 ist höhenverstellbar in dem nur teilweise gezeigten

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waagerechten Tragrahmenteil 18 angeordnet und mittels einer Stellschraube 19 festklemmbar. Innerhalb der Lagerhülse 16 befindet sich die Lagernadel 2O₁ die mit ihrem unteren Ende in der Lagerhülse befestigt ist. Xm Inneren des Magneten 13 ist ein Führungsring 21 eingesetzt, der in bekannter Weise aus Kunststoff, Graphit oder dergl. bestehen kann, und in welchen die Führungsnadel 20 eingreift. Ferner ist die Läuferwelle mit einer Bohrung 22 versehen, in die die Lagernadel mit ihrem oberen Ende hineinragt, wobei die Bohrung in ihrer Länge so gewählt ist, daß sie als Anschlag dient, um eine axiale Verschiebung der Läuferwelle in bestimmten Grenzen zu halten. Die Lagerhülse 16 weist einen rohrförmigen Fortsatz 23 auf, der;! den oberen Magneten I3 teilweise umgibt. Er dient als Anschlag gegen seitliche Verschiebung, die durch von außen einwirkende Stöße hervorgerufen werden kann. Bie beiden Lagermagnete sind erfindungsgemäß so magnetisiert, daß sich auf ihren Stirnflächen, die den Luftspalt begrenzen, der eine Pol, und auf ihren Umfangsflächen der andere Pol befindet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich auf den gegenüberliegenden Stirnflächen der beiden Magnete 13 und 15 der Nordpol, der mit N gekennzeichnet ist, und auf den Umfangsflächen der Südpol, der mit S gekennzeichnet ist.

Die Dauermagnete bestehen aus einer Mischung eines anisotropen Alnico-Pulvers, dessen Koerzitivfeidstärke I900 0er-

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sted beträgt, und einem thermoplastischen Bindemittel und sind unter Einwirkung eines magnetischen Richtfeldes durch Pressen oder Spritzen hergestellt. Bei einer nach der Erfindung gebauten magnetischen Lagerung, die sich bewährt hat, weisen die beiden sich gegenüberstehenden Magnete einen Außendurchmesser von 9 mm» einen Innendurchmesser von etwa 3 mm und eine axiale Länge von etwa 5 nun auf.

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Claims

Patentansprüche

Π V/Magnetische Axiallagerung für Elektrizitätszähler mit zwei sich mit gleichnamigen Polen gegenüberstehenden, zylinderförmigen Dauermagneten, von denen der eine an der Zählerwelle und der andere am Gestell des Elektrizitätszählers befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden sich mit gleichnamigen Polen gegenüberstehenden, zylinderförmig ausgebildeten Dauermagnete derart magnetisiert sind, daß sich der eine Pol auf der Stirnfläche und der andere Pol auf der Umfangsflache des Magneten befindet.
2) Magnetische Axiallagerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Flächeninhalte der auf der Stirn- und der Umfangsflache liegenden Pole etwa gleich groß sind und der auf der Umfangsflache liegende Pol je nach der gewünschten Lagerungscharakteristik mehr oder weniger nach oben oder unten verschoben aufmagnetisiert ist.
3) Magnetische Axiallagerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen dem auf der Umfangsfläche des Magneten aufmagnetisierten Pol und dem auf der Stirnfläche liegenden Gegenpol wenigstens 1mm betragt. 209833/0286
k) Magnetische Axiallagerung nach, den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete aus anisotropem, pulverförmigem Dauermagnetwerkstoff mit einer Koerzitivfeidstärke von wenigstens I5OO Oersted und einem thermo- oder duroplastischen Bindemittel bestehen und unter Einwirkung eines magnetischen Richtfeldes durch Pressen oder Spritzen hergestellt sind.
5) Magnetische Axiallagerung nach den Ansprüchen 1 bis k_f dadurch gekennzeichnet, daß als Dauermagnetwerkstoff eine anisotrope Alnicolegierung vorgesehen ist.
6) Magnetische Axiallagerung nach den Ansprüchen 1 bis h_t dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnetwerkstoff aus einer Legierung der seltenen Erden besteht.

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