DE2103737B2 - Magnetische axiallagerung fuer elektrizitaetszaehler - Google Patents
Magnetische axiallagerung fuer elektrizitaetszaehlerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Axiallagerung für Elektrizitätszähler mit zwei sich mit
gleichnamigen 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 Pole 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.
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
ίο Lagerung zur Verfügung steht, ist begrenzt. Müssen
große axiale Lagerkräfte, wie sie z. 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 der Magnete, die sich mit dazwischen liegendem Luftspalt gegenüberstehen, aufmagnetisiert
sind, verhältnismäßig groß.
Der Platzbedaif macht es vielfach unmöglich, Elektrizitätszähler einer vorhandenen Type nachträglieh
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 gewordeil, 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 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 Tragrahmenteil 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 Mangel 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, 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.
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
Umfangsfläche 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 Umfangsfliiche
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 Polo konzentrisch auf der Stirnfläche des Magneten aufmagnetisiert sind.
Erfindungsgemäß wird gerade der entgegengesetzte Weg gegenüber den bekannten magnetischen Lagerungen
beschriften und auf die Anordnung der Lagermagnete in die Kraftlinien zum Luftspalt leitenden
Eisentöpfen verzichtet Es 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 auf, die eine unerwünscht hohe Belastung der Führungslager hervorrufen.
Demgegenüber wird bei der erfindungs&emäß 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.
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 f es stehenden
Dauermagneten z. 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 F i g. 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 nicht dargestellten
Zählerwelle befestigt. Eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Lageranordnung in eingebautem Zustand
wird später anhand der F i g. 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 Λ/ 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 Umfangsfläche 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 4 geleitet so daß auf der den Luftspalt begrenzenden
Fläche jedes Magnetsystems ein konzentrisches Ringpolpaar vorhanden ist In dem dargestellten Beispiel
stehen sich am Luftspalt 4 innen Nardpole und außen Südpole gegenüber, so daß sich die beiden Magnetsysteme
gegenseitig abstoßen.
In Fig.2 ist ein Diagramm dargestellt, aus dem die
Abstoßungskraft Fin Newton in Abhängigkeit von dem gegenseitigen axialen Abstand 1 in mm der Magnetsysteme
der Lageranordnung I hervorgeht Bekanntlich nimmt die Abstoßungskraft mit wachsendem axialen
Abstand der Magnete ab. In welchem Maße diese Abnahme vor sich geht kann man aus dem Kurvenzug
entnehmen.
Aus dem Diagramm in F i g. 3 ist die für die Lageranordnung I ermittelte radiale Kraft Frin 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 4 gegenüberstehen. Die beiden Lagermagnete sind so
magnetisiert daß sich der Nordpol N auf den gegenüberliegenden Stirnflächen 7 und der Südpol 5 auf
der Umfangsfläche 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
aufmagnetisiert 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 aufmagnetisierten 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 Il nach Fig.4 dargestellt Fig.6 zeigt das gleiche Diagramm wie
F i g. 3, jedoch bei der Lageranordnung II gemäß F i g. 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 mm und einen Innendurchmesser von etwa 3 mm. Vergleicht man den
Kurvenzug der F i g. 2 mit demjenigen der F i g. 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 erkennt man bei einem Vergleich der F i g. 3 und 6, daß
bei der Lageranordnung II gemäß der Erfindung die auftretende radiale Kraft bei einer Seitenverschiebung
der beiden Magnete gegeneinander wesentlich geringer ist als bei der Lageranordnung 1. Hierzu sei bemerkt,
daß die radialen Kräfte bei einer Luftspaltlänge von etwa 1 mm ermittelt wurden.
In Fig.7 ist eine bekannte Lageranordnung III
dargestellt, bei der sich zwei ringscheibenförmige Dauermagnete 9 und 10 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 5 gekennzeichnet. Aus der
Zeichnung ist ersichtlich, daß sich gleichnamige Ringpole jedes Magneten gegenüberstehen. Diese
Lageranordnung weist einen größeren Außendurchmesser 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 F i g. 9, dargestellt
Wie aus Fig.9 ersichtlich ist, liegen bei der
Lageranordnung HI 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 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
(F i g. 4 bis 6) die gleichen Tragkräfte erzielt werden wie bei der bekannten Lageranordnung I (F i g. 1 bis 3), bei
der die Lagermagnete in einem topfförmigen Körper angeordnet sind, was einen zusätzlichen 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 F ig. 1.
Durch die Erfindung gelingt es, die Vorteile der bekannten Lagerungen auszunutzen, jedoch ihre Nachteile
wie starke Radialkräfte und große Abmessungen zu vermeiden.
In F i g. 10 ist ein Unterlager 12 eines Elektrizitätszählers
dargestellt. Die eigentliche magnetische Lagerung besteht aus dem oberen Lagermagneten 13, der direkt
ίο am unteren Ende der Läuferwelle 14 befestigt ist, und
dem unteren Lagermagneten 15, der in der Lagerhülse 16 aus unmagnetischem Material fest angeordnet ist.
Die Läuferwelle 14 trägt die Läuferscheibe 17 und ist gegen radiale Verschiebung in einem hier nicht
dargestellten Oberlager gelagert. Die Lagerhülse 16 ist höhenverstellbar in dem nur teilweise gezeigten
waagerechten Tragrahmenteil 18 angeordnet und mittels einer Stellschraube 19 festklemmbar. Innerhalb
der Lagerhülse 16 befindet sich die Lagernadel 20, die mit ihrem unteren Ende in der Lagerhülse befestigt ist.
Im Inneren des Magneten 13 ist ein Führungsring 21 eingesetzt, der in bekannter Weise aus Kunststoff
Graphit od. dgl. bestehen kann und in welchen die Führungsnadel 20 eingreift. Ferner ist die Läuferwelle
mit einer Bohrung 22 versehen, in die die Lagernadel mi) ihrem oberen Ende hineinragt, wobei die Bohrung ir
ihrer Länge so gewählt ist, daß sie als Anschlag dient um eine axiale Verschiebung der Läuferwelle in
bestimmten Grenzen zu halten. Die Lagerhülse 16 weisl einen rohrförmigen Fortsatz 23 auf, der den oberer
Magneten 13 teilweise umgibt. Er dient als Anschlag gegen seitliche Verschiebung, die durch von außer
einwirkende Stöße hervorgerufen werden kann. Di« beiden Lagermagnete sind erfindungsgemäß so magne
tisiert, daß sich auf ihren Stirnflächen, die den Luftspall begrenzen, der eine Pol und auf ihren Umfangsflächer
der andere Pol befindet. Bei dem vorliegender Ausführungsbeispiel befinden sich auf den gegenüberliegenden
Stirnflächen der beiden Magnete 13 und 15 dei Nordpol, der mit N gekennzeichnet ist, und auf der
Umfangsflächen der Südpol, der mit 5 gekennzeichnet ist.
Die Dauermagnete bestehen aus einer Mischung eines anisotropen Alnico-Pulvers, dessen Koerzitivfeld
stärke 1 900 Oersted beträgt, und einem thermoplasti sehen Bindemittel und sind unter Einwirkung eine!
magnetischen Richtfeldes durch Pressen oder Spritzer hergestellt. Bei einer nach der Erfindung gebauter
magnetischen Lagerung, die sich bewährt hat, weiser die beiden sich gegenüberstehenden Magnete einei
Außendurchmesser von 9 mm, einen Innendurchmessei von etwa 3 mm und eine axiale Länge von etwa 5 mn
auf.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Magnetische Axiallagerung für Elektrizitätszähler mit zwei sich im wesentlichen koaxial 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 (5, 6; 13, 15) derart
magnetisiert sind, daß sich der eine Pol auf der Stirnfläche (7) und der andere Pol auf der
Umfangsfläche (8) des Magneten befindet.
2. Magnetische Axiallagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächeninhalte der
auf der Stirn- (7) und der Umfangsfläche (8) liegenden Pole etwa gleich groß sind und der auf der
Umfangsfläche liegende Pol je nach der gewünschten Lagerungscharakteristik mehr oder weniger zu
oder weg von der Stirnfläche (7) verschoben aufmagnetisiert ist.
3. Magnetische Axiallagerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand ^zwischen dem auf der Umfangsfläche (8) der Magnete (5,6; 13,15) aufmagnetisierten Pol und
dem auf der Stirnfläche liegenden Gegenpol wenigstens 1 mm beträgt.
4. Magnetische Axiallagerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dauermagnete (5, 6; 13, 15) aus anisotropem, pulverförmigem Dauermagnetwerkstoff mit einer
Koerzitivfeldstärke von wenigstens 1 500 Oersted und einem thermo- oder duioplastischen Bindemittel
bestehen und unter Einwirkung eines magnetischen Richtfeldes durch Pressen oder Spritzen
hergestellt sind.
5. Magnetische Axiallagerung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als
Dauermagnetwerkstoff eine anisotrope Alnicolegierung vorgesehen ist.
6. Magnetische Axiallagerung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Dauermagnetwerkstoff aus einer Legierung der seltenen Erden besteht.
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