DE2213470B2

DE2213470B2 - Magnetisches Lager

Info

Publication number: DE2213470B2
Application number: DE2213470A
Authority: DE
Inventors: Karl 7991 Oberteuringen Boden; Dietrich Dipl.-Ing. Dr. 7990 Friedrichshafen Scheffer
Original assignee: PADANA AG ZUG (SCHWEIZ)
Current assignee: PADANA AG ZUG (SCHWEIZ)
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1972-03-20
Publication date: 1980-04-10
Also published as: DE2213470C3; JPS5858528B2; US3890019A; JPS496334A; DE2213470A1; FR2331254A5; GB1424072A

Description

Die Erfindung betrifft ein mcpietisches Lager nach

dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Aus der US-Patentschrift 31 «2 962 ist ein magnetisches Lager bekannt geworden, das in einer radialen Lagerebene Lagerteile besitzt. Die Lagerteile bestehen aus nahezu zu einem Ring zusammengebogenen Hufeisenmagneten aus Permanentmagnetmaterial, die eine elektrische Wicklung tragen, die das Magnetfeld des Permanentmagneten schwächen oder stärken soll. Diese Ringe, deren Achse parallel zur Rotorachse liegt, erzeugen ein dew Rotor durchsetzendes Magnetfeld, das sehr starke Polausbildung zeigt und daher hohe Ummagnetisierungsverluste hervorruft.

Bei dem bekannten Lager ist der magnetische Feldwiderstand für das elektromagnetisch erzeugte Feld außerordentlich groß. Es gibt nur einen einzigen

5; magnetischen Kreis, d. h. der Verlauf der magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten stimmt mit denen des elektromagnetischen Feldes überein. Daher wird dieses Feld (mit Ausnahme des zu lagernden Körpers) ausschließlich durch Medien mit großem magnetischen Feldwiderstand geleitet, da das permanentmagnetische Material im stabilen Bereich seiner magnetischen Kennlinie geringe Permeabilitätswerte besitzt (μμ in der Größenordnung von I). Zur Erzeugung von Regelkräften sind demnach enorm hohe elektromagnetische Durchflutungen (Ampere-Windungszahlen) notwendig. Zu hohe Amplituden des elektromagnetischen Regel-Feldes können zur Entmagnetisierung des Permanentmagneten führen. Aus diesen Gründen ist die bekannte

Lagerung für die wirtschaftliche Nutzung sehr nachteilig.

In der DE-PS 22 10 995 ist ein elektromagnetisches Lager der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art vorgeschlagen worden, das an einem nicht ferromagnetischen Stator elektrische Lagerspulen besitzt, die mit ferromagnetisch rückgeschlossenen Permanentmagneten am als Außenläufer ausgebildeten Rotor zusammenwirken. Die Permanentmagneten sind mit über den Rotorumfang abwechselnder Polung to angeordnet Nachteil dieser Lagerung ist es, daß der Rotor aufgrund der Notwendigkeit, daran Permanentmagnete anzuordnen, kompliziert aufgebaut ist. Insbesondere bei hohen Drenzahlen und bei einer eventuellen Ausbildung als Innenläufer treten Schwierigkeiten bei der Anbringung der Permanentmagneten auf, damit sie den Fliehkräften standhalten.

Aufgabe der Erfindung ist ein Lager der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß mit ihm auf einen zu lagernden Körper große mechanische Energien bei geringem Aufwand an elektrischer Energie, kleinern Volumen und einfachem Aufbau übertreten werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst

Der permanentmagnetische und der elektromagnetische Kreis verlaufen nun zumindest teilweise getrennt, wobei sie jedoch teilweise parallel bzw. einander entgegengesetzt verlaufen. Im elektromagnetischen Kreis ist das ferromagnetische Material hoher Permeabilität vorhanden, das für einen geringen Feldwiderstand in diesem Kreis sorgt und damit gegenüber der bekannten Anordnung Regelenergie span. Durch die permanentmagnetische Vormagnetisierung wird im Verhältnis zur aufgewendeten elektrischen Energie eine J5 sehr große mechanische Anziehungskraft auf den Körper ausgeübt. Im Luftspalt überlagert das Regelfeld die Vormagnetisierung. Es wird dabei der Effekt ausgenutzt, daß die Anziehungskraft vom Quadrat der magnetise.'.en Induktion d abhängig ist. Wenn man diese Erscheinung einmal unabhängig von allen Randerscheinungen theoretisch betrachtet, so kann man sich die krafterhöhende Wirkungen folgendem Beispiel klarmachen: Es sei angenommen, daß im Luftspalt ein permanentmagnetisches Feld mit einer Induktion einer Vergleichsgröße 10 herrscht. Diesem Feld wird ein Regelfeld, das elektromagnetisch erzeugt wird, in der Größe 2 überlagert Wenn beide Felder in der gleichen Richtung verlaufen, so ergibt sich die resultierende Induktion 12, während bei entgegengerichteten Feldern die Induktion 8 im Luftspalt herrscht. Die daraus resultierenden Kräfte entsprechen dem Quadrat der Induktion, d. h. sie betragen 144 bzw. 64, und ihre Differenz beträgt 80. Hätte man dagegen die Regelgröße von ±2 ohne Vormagnetisierung aufgebracht, so hätte man lediglich eine Kraft in der Größe 4 erhalten. Bei solcher Strombelastung ein und derselben Spule wird folglich die erzeugbare Kraft mit ansteigender Vormagnetisierung größer. Für die Vormagnetisierung muß keine ständige Energie aufgebracht werden, so daß mil im wesentlichen gleichbleibendem Aufwand an elektrischer Energie größere magnetische Feldenergien und damit Anziehungskräfte erreicht werden.

Nach einem vorteilhaften Merkmal des Anspruches 2 vereinigen sich zwei innerhalb des Lagerteils im wesentlichen getrennte magnetische Kreise im Luftspalt und werden dann durch den zu lagernden Körper geschlossen. Bei der vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 5, ist es mit einem einzigen Teil, das auch nur eine einzige Wicklung besitzen muß, möglich, Kräfte in zwei Orientierungen zu erzeugen, d. h. einen Freiheitsgrad vollständig aktiv festzulegen.

Bei den weiteren bevorzugten Ausführungsformen nach den Ansprüchen 8 ff, trifft in den beiden die ungleichnamigen Pole der nebeneinander angeordneten Permanentmagnete rückschließenden Bauteilen ein jeweils einander entgegengesetzt orientierter magnetischer Fluß auf, der diese bis zur Sättigung magnetisiert. In dem einen Bauteil addiert sich das permanentmagnetische Feld mit dem magnetischen Regelfeld, das von der Wicklung herrührt, während sich die Felder in dem anderen Bauteil subtrahieren. Das bedeutet, daß das eine Bauteil weiter in den Bereich der Sättigung hinein getrieben wird, während das andere aus diesem Bereich herauskommt. In dem ersten Ist der magnetische Leitwert sehr gering (bzw. der magnetische Widerstand sehr hoch), während in dem anderen die entgegengesetzte Erscheinung auftritt Das !fiztere bleibt also im Bereich des Ferrornagnetismus. Entsprechend verhalten sich die durch den Strom der elektrischen Wicklung erzeugten magnetischen Felder, so daß in den benachbarten Luftspalten entsprechend niedrige bzw. hohe Feldstärken vorhanden sind.

Merkmale der Erfindung von weiteren bevorzugten Ausführungsformen gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, teilgeschnittene Seitenansicht eines berührungslos magnetisch gelagerten rotierenden Körpers,

F i g. 2 eine schematische Ansicht eines magnetischen Axiallagers,

Fig.3 einen schematischen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines magnetischen Axiallagers.

Fig.4 eine schematische perspektivische Teilansicht eines magnetischen Linearlagers,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines anderen Linearlagers,

Fig. 6 einen schematischen Teilschnitt, der zur Erläuterung eines Lagerprinzips dient,

F i g. 7 und 8 zwei schematische perspektivische Teilschnitte von Linearlagern,

F i g. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in F i g. 8,

Fig. 10 einen schematischen perspektivischen Teilschnitt einer Linearlagerung, die gleichzeitig die aktive Stabilisierung in einem rotatorischen Freiheitsgrad erlaubt,

Fig. II einen perspektivischen Teil-Längsschnitt eines Axiallagers und

Fig. 12 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Axiallagers.

Zu den Zeichnungen ist zu bemerken, daß sie zur Verdeutlichung sehr schematisch gehalten sind. Der Freiheitsgrad bzw. die Freiheitsgrade, die mit dem jeweiligen Lager'eil begrenzt werden, sind durch Pfeile angedeutet. Die nur schematisch dargestellten Wicklungen sind in ihrer Wicklungsrichtung und Stromlaufrichtung durch einen Punkt im Kreis (Pfeilspitze) bzw. Kreuz im Kreis (Pfeilende) gekennzeichnet.

Ferner sind teilweise strichliert die magnetischen Kreise bzw. der magnetische Feldlinienverlauf angedeutet. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete ist durch Angabe ihrer Pole (N, S) angedeutet. In Fig. 1 ist ein Körper 13 in Form eines Rotors

dargestellt, der um eine vertikale Drehachse 14 drehbar gelagert ist. Er wird von einer magnetischen Lagerung berührungsfrei gelagert, die aus zwei am oberen und am unteren Teil des Rotors 13 angreifenden Radiallagern 15 und einem Axial-Stabilisierungsmagneien 16 besteht. Eine derartige Lagerung ist in der deutschen Offenlegungsschrift 17 50 602 beschrieben. Dementsprechend besteht der Axial-Stabilisierungsmagnet aus einem ringförmigen Permanentmagneten, der im Zusammenwirken mit einer Kante 17 des ferromagnetischen Rotors eine axial stabile, jedoch radial destabilisierte Lage des Rotors herbeiführt. Der destabilisierenden Wirkung, sowie allen übrigen Radialkräften und -schwingungen wirken die Radiallager 15 entgegen, die aus elektromagnetischen Mitteln gebildet sind, die in den in der Zeichnung angedeuteten zwei horizontalen Freiheitsgraden aktiv geregelte Kräfte auf den Rotor aufbringen. Dazu werden die elektromagnetischen ser Wegaufnehmer ist und am Stator 20 derart angebracht ist, daß er Abweichungen des Rotors von seiner axialen Sollposition feststellt und in Fühlersignale umsetzt. Es können an sich bekannte induktive,

ί kapazitive oder lichtelektrische Fühler verwendet werden. Auch die Verwendung von galvanomagnetischen Bauelementen ist bei entsprechender Ausbildung möglich.
Das Regelgerät 27 wird mit Gleichstrom gespeist und

ίο besitzt einen Verstärker und einen Phasenschieber. In ihm werden die Fühlersignale verstärkt und in Ausgangssignale umgesetzt, die den Fühlersignalen um einen Betrag zwischen Null und einer Viertel Schwingungsperiode der Fühlersignale vorauseilend phasenverschoben sind. Die Ausgangssignale sind Gleichstromsignale, d. h. die Abweichungen in Strom- bzw. Spannungsamplituden sind lediglich von Abweichungen oder Schwingungen des Rotors verursacht, es wird

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gespeist, die diese Ausgangssignale in Abhängigkeit von Fühlersignalen erzeugen, die von Fühlern 19 erzeugt werden, die auf den jeweiligen Abstand des Rotors zu ihnen ansprechen. Das Regelgerät 18 ist gleichstromgespeist und enthält einen Verstärker und einen Phasenschieber, der die Ausgangssignale gegenüber den Fühlersignalen zeitlich um einen gewissen Betrag vorauseilend phasenverschoben abgibt, der normalerweise zwischen Null und einer Viertel Schwingungsperiode der Fühlersignale (und damit des Rotors) liegt.

Die Radiallager 15 und der Axialstabilisierungsmagnet 16 sind an einem allgemein als St.uor 20 oder feststehendes Teil bezeichneten Gehäuse angebracht.

Am oberen Teil besitzt der Rotor eine umlaufende Ausnehmung 21, in die ein Lagerteil 22 eingreift, das im vorliegenden Falle als Axial-Lagerteil ausgebildet ist und im einzelnen, beispielsweise die anhand von Fig. 12 beschriebene Ausbildung haben kann. Zwischen der Kante 17 und dem Lagerteil 22 bzw. zwischen einer oberen, der Ausnehmung 21 zugekehrten Fläche 23 eines oberen Rotorteils 24 und dem Lagerteil 22, bilden sich zwei Luftspalte 25,26, in denen das Lagerteil 22 ein geregeltes Magnetfeld erzeugt, das den Rotor in einer axial genau positionierten Lage hält. Es sei dazu bemerkt, daß der Rotor 13 an sich durch den Axial-Stabilisierungsmagneten 16 in einer axial stabilen Lage gehalten wird, wobei bei der vorliegenden Lagerung mit vertikaler Drehachse die Schwerkraft eine entsprechende Gegenkraft liefert. Auch die Dämpfungsenergien in axialer Richtung, die durch Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Läufer aufgebracht werden, reichen in den meisten Fällen aus, wenn es auf die axiale Positionierung nicht so genau ankommt und in dieser Richtung keine wesentlich veränderlichen Kräfte wirken. Wenn es jedoch auf die genaue Einhaltung einer axialen Position des Läufers ankommt, so ist es angebracht ein Axial-Lagerteil 22 vorzusehen. Dieses bringt, wie bereits gesagt, ein geregeltes Magnetfeld auf. Darunter wird in erster Linie ein aktiv geregeltes Magnetfeld verstanden, d. h. ein automatisch lageabhängig geregeltes Magnetfeld. Es ist jedoch auch denkbar, das Lagerteil 22 bei geringeren Anforderungen lediglich nachstellbar zu machen, indem beispielsweise eine Nachregelung der axialen Lage von Hand erfolgt

In F i g. 1 ist eine aktive Regelung vorgesehen. Dazu ist an das Lagerteil 22 ein Regelgerät 27 angeschlossen, das im wesentlichen den bereiis beschriebenen Regelgeräten 18 entsprechen kann. Es wird mit Fühlersignalen von einem Fühler 28 beaufschlagt der ein berührungslose) Regelung, die auch bei den Radiallagern 15 benutzt wird, hat den großen Vorteil erheblich geringerer Ummagnetisierungsverlustc im Rotor. Es ist daher möglich, daß, wie dargestellt, der Rotor aus beliebigem ferromagnetischem Material, beispielsweise normalem

2Ί Baustahl, besteht. Eine Rotorblechung oder andere Maßnahmen zur Senkung der Ummagnetisierungsverluste können meist unterbleiben.

Die A-^angssignale des Steuergerätes 27 lassen bei ihrer Umsetzung in den Lagerteilen in magnetische Felder, die auf den Rotor 13 einwirken, auf dem Rotor Krafteinwirkungen entstehen,die ir zwei Komponenten eingeteilt werden können, nämlich eine Rückstell-Kraftkomponente, die mit den Fühlersignalen phasengleich liegt und für eine Rückstellung des Rotors aus einer von der Sollposition abweichenden Lage in die Sollposition sorgt, und eine Dämpfungs-Kraftkomponente, die Schwingungen des Rotors dämpft und gegenüber den Fühlersignalen um eine Viertel Schwingungsperiode der Fühlersignale vorauseilend phasenverschoben ist.

In Fig. 2 ist ein Axial-Lagerteil 22 dargestellt. Der nur teilweise dargestellte Rotor 13 besitzt einen umlaufenden Bund 29, dessen obere und untere Flächen 30, 31 den oberen und unteren Luftspalt 25, 26 begrenzen. Die jeweils feste Begrenzung des Luftspaltes bildet ein ringförmig umlaufendes ferromagnetisches Bauteil 32, das aus einem hoch permeablen Werkstoff besteht (μκ > 1000). Es kann aus Eisen bzw. Stahl entsprechender Eigenschaft, einem hoch permeablen Preßmaterial oder in Sonderfällen auch aus einzelnen, elektrisch voneinander isolierten Blechen (Dynamobleche) bestehen. Wichtig ist jedenfalls, daß das Baute" 32 für ein magnetisches Feld gut leitend ist. Alle übrigen Forderungen sind von den jeweiligen Verwendungszwecken abhängig.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat das Bauteil

32 im wesentlichen Ringform mit einem nach innen offenen U-Querschnitt Dadurch bildet sich ein Kernteil

33 in Form eines äußeren Ringes und daran anschließender, die Schenkel des U bildender scheibenförmiger Polteile 34, 35. Diese bilden gleichzeitig die festen Begrenzungen der Luftspalte 25,26.

Das Bauteil 32 ist am nur abgebrochen dargestellten Stator 20 befestigt Die übrige Lagerung des Rotors 13 kann der nach F i g. 1 entsprechen.

Auf dem Kernteil ist eine elektrische Wicklung 36 vorgesehen, die im vorliegender. Beispie! innen und außen auf dem Kernteil 33 vorgesehen ist und das Bauteil ganz umfaßt Hier sei gleich bemerkt daß für die

Wicklung 36 die verschiedenartigsten Formen möglich sind, indem beispielsweise die Wicklung nur innen oder außen vorgesehen ist oder in Einzelspulen aufgelöst ist. Wesentlich ist lediglich, daß die Wicklung in der Lage ist. in dem Kernteil 33 ein veränderliches magnetisches ·, Feld zu erzeugen, dessen Feldlinien von einem Polteil zum anderen verlaufen. Dieser Feldverlauf ist im folgen.'trn als elektromagnetischer Kreis 37 bezeichnet und jtrichliert angedeutet. Pfeile kennzeichnen die Flußrichtung. Die Wicklung ist in nicht dargestellter Weise an ein Regelgerät 27 angeschlossen. Auch der zugehörige Fühler 28 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Er kann auch mit jedem beliebigen l^äuferteil zusammenarbeiten, das eine Feststellung der axialen Lage ermöglicht. Der elektromagnetische Kreis 37 verläuft durch das Kernteil 33 und schließt sich über die Polteile 34, 35, die Luftspalte 25, 26 und den ferromagnetischen Bund 29.

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zu Tragfunktionen mit heranzieht. Energiesparender wäre jedoch, wenn man diese Aufgabe einem Permanentmagneten überträgt. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Anordnung der beiden Permanentmagnete natürlich eine destabilisierende Wirkung auf die axiale Lage des Rotors hat. Durch die aktive Regelung wird jedoch diese wieder aufgehoben, so daß erstaunlicherweise keine negativen Erscheinungen auftreten.

Vor allem ist aber zu erkennen, daß der elektromagnetische Kreis 37 mit einem Minimum an Feldwiderstand geleistet wird, indem er nahezu vollständig in dem hoch permcablen Rauteil 32 und dem ebenfalls ferromagnetischen und vorzugsweise hoch permeablen Rotorteil 29 auftritt. Er hat lediglich die Luftspalte 25,26 zu überbrücken, die, wie auch in den übrigen Zeichnungen, hier übertrieben groß dargestellt sind. Es sei jedoch bemerkt, daß bei dieser Art der Regelung die Luftspalte ohne wesentliche Nachteile um vieles größer

Kreis 37 in dieser Form vorhanden wäre, in beiden Luftspaltcn 25, 26 im wesentlichen gleich große magnetische Felder auftreten wurden, so daß zwischen dem ferromagnclischen, aber nicht permanentmagnetischen Bund 29 und den Polteilen 34, 35 gleich große, einander entgegengesetzt gerichtete Anziehungskräfte auftreten würden. Eine Lageregelung wäre auf diese Weise nicht möglich.

In axialer Richtung außen an den Polteilen 34, 35 sind Permanentmagnete 38, 39 angeordnet. Sie haben die Form von Ringmagneten aus einem ferritischen in Prcßm terial und sind axial magnetisiert. Sie erzeugen je einen permanentmagnetischen Kreis 40, 41, dessen ungefährer Verlauf und Richtung ebenfalls strichliert und durch Pfeile angedeutet ist. Wenn von »Kreisen« 37, 40 oder 41 gesprochen wird, so ist darunter ein in is sich geschlossener Magnetfeldverlauf zu verstehen, der durchaus nicht geometrische Kreisform haben muß. In den vorliegenden Fällen sind die »Kreise« eher tooridförmig.

Die Permanentmagnete 38, 39 sind so angeordnet. daß jeweils gleichnamige Pole den Polteilen 34, 35 zugekehrt sind, im vorliegenden Beispiel die Nordpole. Der entstehende magnetische Feldverlauf ist also derart, daß in dem oberen Luftspalt 25 das durch den Kreis 40 symbolisierte Vormagnetisierungsfeld gestärkt wird, wenn durch entsprechende Strombeaufschlagung der Wicklung 36 der elektromagnetische Kreis 37 die in Fig. 2 skizzierte Richtung bzw. Orientierung hat. Dagegen wird der permanentmagnetische Kreis 41 durch den elektromagnetischen Kreis 37 überlagert, so daß also eine verstärkte Anziehungskraft in dem Luftspalt 25 und eine abgeschwächte Anziehungskraft im Luftspalt 26 auf den Rotor ausgeübt wird und dieser aufwärts gezogen wird. Bei Umkehrung der Stromrichtung in der Wicklung 36 würde das Entgegengesetzte eintreten, d. h. das Vormagnetisierungsfeld im Luftspalt 26 wird verstärkt, während es im Luftspalt 25 geschwächt wird. Es ist also eine aktive Steuerung der Rotorlage mittels des Lagerteils 22 möglich.

Es ist zu erkennen, daß das Lagerteil 22 mit außerordentlich geringer elektrischer Regelenergie auskommt So ist es beispielsweise nicht zwingend notwendig, daß die Wicklung 36 von einem konstanten Vorstrom durchflossen wird, dessen Amplitude geregelt wird, sondern es ist auch die natürlich energiesparendste

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permanentmagneiische Kreis 40 läuft im wesentlichen überall getrennt vom elektromagnetischen Kreis. Lediglich in den Luflspalten 25, 26 verlaufen beide Kreise parallel und gemeinsam, so daß eine gegenseitige Verstärkung oder Schwächung möglich ist. Auf den elektromagnetischen Kreis 37 wirkt sich daher die geringe Permeabilität des Materials der Permanentmagneten 38, 39 nicht nachteilig aus. Es besteht auch keine Neigung, daß die Permanentmagneten 38, 39 durch größere und stark wechselnde magnetische Felder im Kreis 37 entmagnetisiert werden.

In Fig. 3 ist eine Ausführung eines Lagerteils 22 dargestellt, die in ihrem Grundaufbau und ihrer Funktionsweise mit dem nach Fig. 2 vollständig übereinstimmt. Es wir! daher auf eine nochmalige detaillierte Beschreibung verzichtet, und lediglich die Unterschiede werden hervorgehoben. Gleiche bzw. entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Rotor 13 ist mit einem Bund 29 versehen, der bei diesem Ausführungsbeispiel nach innen gerichtet ist. Dementsprechend hat das Bauteil 32 die Form einer Spule, d. h. eines Ringes mit nach außen offenem U-förmigcn Querschnitt. Die Wicklung 36 ist auf dem Spulengrund angeordnet. Das Lagerteil 22 ragt durch eine Öffnung 42 in den Rotor teilweise hinein und ist oben am Stator 20 befestigt.

In F i g. 4 ist die Anwendung des Lagerprinzips auf ein Linearlager dargestellt. Das Bauteil 32 hat hier die Form einer langgestreckten U-förmigen Schiene, die einen Strombelag bzw. eine Wicklung 36 an ihrem den U-Bogen bildenden Kernteil 33 trägt. Auch die Permanentmagneten 38, 39 sind langgestreckt und leisiinförmig ausgebildet. Der zu lagernde Körper 13 hat hier ebenfalls die Form einer Leiste oder Schiene, die in das U-förmige Bauteil 32 hineinragt. Das ganze System hat eine bestimmte endliche Länge, die jeweils von den Verhältnissen bestimmt wird. Die Wicklung 36 kann eine langgestreckte »ovale« Wicklung sein.

Es sei bemerkt, daß das hier dargestellte Lagerteil die Stabilisierung in einem in der Zeichnung angedeuteten horizontalen Freiheitsgrad, jedoch in seinen beiden Orientierungen (rechts, links) ermöglicht. Dazu müßten Fühler zwischen irgendwelchen festen und beweglichen Teilen in diesen Richtungen angreifen. Wenn der Körper 13 jedoch so lang ist, daß er jeweils mindestens im Bereich von zwei getrennten Lagerteilen sich

dieser beiden Lagerteile 22 auch eine Stabilisierung in einem rotativen Freiheitsgrad möglich, dessen Achse im

vorteilhaft Regelung mit Vorstrom ist natürlich ebenfalls möglich, wobei man vorteilhaft den Vorstrom

dargestellten Beispiel senkrecht steht.

Es sei außerdem bemerkt, daß gerade bei einem Linearlager, jedoch auch grundsätzlich bei rotativen Lagern die Umkehrung zwischen statorfesten und rotorfesten Teilen möglich ist. So könnte beispielsweise das Lagerteil 22 sich auch am beweglichen Teil befinden, während der Körper 13 feststehend ist.

F i g. 5 zeigt eine gegenüber F i g. 4 sozusagen verdoppelte Ausfülirungsform, bei der das Bauteil 32 nicht U-förmig, sondern T-förmig ausgebildet ist. Dabei bildet das Kernteil 33 den Steg, während die Polteile 34, 34' und 35, 35' die Flansche bilden. Die Permanentmagneten 38, 39 sind in Form von für jede Seite durchgehenden breiten Platten ausgebildet, können jedoch auch nur aus Leisten bestehen, die lediglich ein Polteil überdecken. In den beiden Ausnehmungen zwischen den Polteilen 34, 35 bzw. 34', 35' sind Körper 13, 13' angeordnet, die die freien Enden einer insgesamt ■ . ψ j~\ r WT\ ■ tv^%^^ ^fc r* ^T * π Π a*

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Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen sind bei den Linearlagern nach F i g. 4 und 5 im wesentlichen die gleichen wie bei den Axiallagern nach den F i g. 2 und 3 oder anderen denkbaren Anwendungsmöglichkeiten. In jedem Falle entsteht ein in Umfangs- bzw. Bewegungsrichtung homogenes Vormagnelisierungsfeld, dem lediglich die Regelfelder überlagert werden. Dadurch treten kaum Ummagnetisierungsverluste auf, die sich auf den Körper 13 bremsend und erwärmend auswirken könnten. Der Aufbau ist in allen Fällen besonders einfach, und die Ausnutzung der elektrischen Regelenergie, ebenso wie des permanentmagnetischen Werkstoffes, ist sehr gut.

Auf den gleichen Grundvoraussetzungen zweier im wesentlichen voneinander getrennter magnetischer Kreise bauen die Ausführungsformen nach den F i g. 6 bis 12 auf. Anhand von Fig. 6 werden diese in ihren Grundzügen erläutert. Von dem ferromagnetischen Körper 13 sind lediglich zwei an das Lagerteil 52 angrenzende Abschnitte dargestellt. Diese begrenzen auch die Luftspalte 25, 26. Das Lagerteil 52 besitzt Permanentmagneten 68, 69, von denen in Fig. 6 zwei dargestellt sind. Sie sind nebeneinander derart angeordnet, daß ihre Polflächen 44 in einer Ebene liegen, jedoch mit jeweils entgegengesetzten Polen. Sie sind also mit paralleler Magnetisierungsachse, jedoch unterschiedlicher Orientierung der Magnetisierung nebeneinander angeordnet.

Die Polflächen 44 werden von ferromagnetischen Bauteilen 62, 63 überdeckt, für deren Material das gilt, was vorstehend für das Bauteil 32 gesagt wurde. Diese auch als Leitbleche bezeichneten Bauteile 62,63 sind mit relativ geringen Querschnitten ausgeführt, so daß der permanentmagnetische Kreis 70. der, wie aus F i g. 6 zu erkennen ist, über den Permanentmagneten 68, das Bauteil 62, den Permanentmagneten 69 und das Bauteil 63 sich schließt, die Bauteile 62, 63 bis in den Bereich ihrer magnetischen Sättigung magnetisiert. Im Bereich der Stoßstellen zwischen beiden Magneten wird diese Sättigung am ehesten erreicht werden. Die magnetische Durchflutung sollte so stark sein, daß schon relativ geringe durch Elektromagnetismus aufgebrachte magnetische Felder in den Bauteilen 62, 63 eine Magnetisierung über die Sättigung hinaus bewirken würden. Auf dem Lagerteil 52, d.h. außen auf den Bauteilen 62,63, angrenzend an die Luftspalte 25,26, ist eine Wicklung 66 angeordnet Sie kann auf verschiedene Weisen angeordnet sein. Wichtig ist lediglich, daß sie in der aus Permanentmagneten und Bauteilen bestehenden F.inheit ein elektromagnetisches Feld aufbauen kann, das in den Bauteilen 62, 63 parallel zu dem Feld verläuft, das durch den permanentmagnetischen Kreis 70 erzeugt wird. Diese elektromagnetischen Kreise 57, 67 sind wiederum in Fig. 6 angedeutet. Eis ist zu erkennen, daß bei dem angedeuteten Beispiel in dem Bauteil 62 die Feldlinien der Kreise 57, 70 zwar parallel, jedoch gegeneinander verlaufen, während in dem Bauteil 63 die entsprechenden Kreise 67, 70 parallel

ίο zueinander verlaufen. Dadurch wird das Bauteil 62 wieder in den Bereich unterhalb der Jtältigung »zurückgeholt«, während im Bauteil 63 die magnetische Feldstärke über die in einzelnen Bereichen dieses Leitblechs bereits durch die permanentmagneiische

π Magnetisierung erreichte .Sättigungsfeldstärke hinaus weiter ansteigt. Der magnetische Leitwert dices Bauteils 63 ist daher sehr gering (die Permeabilität ist nahezu gleich der des Vakuums — μι? ca. I). Der durch m!C ,, !CniUng w CrZCligiC rMiigriCiiSCuC i'iüu ,Si uutiCr JPi

>(i dem Leitblech 63 sehr gering und dafür in dem Leitblech 62 sehr groß, da dieses wieder im Bereich des Ferromagnetismus mit Permeabilitäten von μα etwa 1000 arbeitet. Durch den erheblich kleineren magnetischen Leitwiderstand in dem Leitblech 62 ist dort die

>-, aufgrund der elektromagnetischen Erregung d<;r Wicklung 66 entstehende Feldstärke sehr groß und dementsprechend auch die magnetische Feldstärke in dem angrenzenden Luftspalt 25. Der Rückschluß der elektromagnetischen Kreise erfolgt über den Körper 13.

ίο Die Anziehungskraft ist daher im Bereich des Luftspaltes 25 wesentlich höher als die im Luftspalt 26. Bei Stromrichtungsumkehr der Wicklung 66 tritt die entgegengesetzte Erscheinung auf.

E: sei bemerkt, daß auch in diesem Falle die Kraft

ji erhöhende und Energie sparende Wirkung der Vormagnetisierung benui/i werden kann. Bei Erhöhung der permanenten Vormagnetisierung über die Sättigung hinaus entsteht nämlich die Luftspalte durchsetzendes vormagnetisierendes permanentmagnetisches Feld, das

w dann in der bereits vorstehend beschriebenen Weise lediglich von den elektromagnetischen Kreisen überlagert wird. Es ist zu erkennen, daß auch hierbei die Felder in der erwünschten Weise zur gegenseitigen Verstärkung bzw. Abschwächung zusammenwirken. Die Vor-

ü magnetisierung durch den gesonderten permanentmagnetischen Kreis 70 hat also zwei Funktionen: Sie dient erstens zur Magnetisierung der Leitbleche in den Bereich der Sättigung hinein, was für die Funktion dieser Ausführung notwendig ist, und ferner zur

w Schaffung einer permanenten Vormagnetisierung im Luftspalt, die zu den erwähnten Einsparungen an Regelenergie führt.

In Fig.7 ist ein Lagerteil 52 dargestellt, das zur Schaffung eines Linearlagers dient. In der Ausnehmung

ü eines schienenförmigen langgestreckten Körpers 13 mit U-förmigem Querschnitt ist das Lagerteil 52 angeordnet. Die beiden Permanentmagneten 68,69 mit einander entgegengesetzter Polung sind übereinander angeordnet, d. h. in der durch den strichpunktierten Doppelpfeil

bo angeordneten Bewegungsrichtung 45 des Linearlagers sind jeweils zwei Permanentmagneten 68, 69 parallel angeordnet Ihre Stoßfuge 46 verläuft im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung 45. Die Bauteile 62, 63 überdecken die seitlich angeordneten Pole der Perma-

6* nentmagneten und sind außen mit der Wicklung 66 versehen, die in diesem Falle die ununterbrochene Baulänge des Lagerteils 52 begrenzt Es ist zu erkennen, daß hier in Bewegungsrichtung 45 keine sich ändernden

oder gar abwechselnden magnetischen Felder auftreten. Das Feld ist weitgehend homogen, so daB die Hysterese- und Wirbelstromverluste im Körper 13 sehr gering sind.

Dagegen läßt sich die Ausführungsform nach den F i g. 8 und 9 sehr einfach herstellen. Es ist zu erkennen, daß dort die Magneten 68, 69 in Bewegungsrichtung 45 hintereinander angeordnet sind, wobei jedoch bei der dargestellten Lage ihre Magnetisierungsrichtungen horizontal liegen und jeweils entgegengesetzt gepolte Magneten aufeinanderfolgen. Es sind in einem Lagerteil 52 zahlreiche Magneten hintereinander angeordnet. Zwei leistenförmige Bauteile 62, 6.1 überdecken die Polflachen 44 der Magnete. Die Wicklung 66 ist im Gegensatz zu der Wicklung bei Fig. 7 ringförmig um den aus den Permanentmagneten 68 und den Bauteilen 62, 63 bestehenden »Sandwich« derart angeordnet, daß im wesentlichen ein in Bewegungsrichtung 45 verlaufendes Wende! Cr«i5iChi. Durch entsprechende Bewicklung b/w. Schaltung ist jedoch, wie aus F i g. 9 zu erkennen ist, die Wict-iung 66 in jeweils längs aufeinanderfolgende Abschnitte 47, 48 unterteilt, die jeweils einander entgegengesetzte Stromlaufrichtungen aufweisen. Die Abschnitte 47, 48 sind jeweils symmetrisch zu den in diesem Falle quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden Stoßfugen 46 zwischen den Magneten angeordnet.

Der Grund für die unterschiedlichen Stromlaufrichtungen in der Wicklung ist zu erkennen, man die in F i g. 9 eingezeichneten magnetschen Kreise 57, 57', 67, 67' und 70, 70' betrachtet. Durch die wechselnde Richtung der permanentmagnetischen Kreise müssen auch die elektromagnetischen Kreise entsprechend ihre Richtung ändern, damit eine gleiche Wirkung auftritt.

Während in Fig. 7 die Feldlinien den Körper 13 im wesentlichen senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung 45 durcliströmen, indem sie beispielsweise oben eintreten und im Bereich des Endes des U-Schenkels des Körpers 13 wieder in das Lagerteil 52 eintreten, verlaufen die Feldlinien bei der Ausführung nach Fig. 8 im wesentlichen längs der Bewegungsrichtung 45. Dabei wechseln jedoch die Richtungen des magnetischen Feldes bei jedem Abschnitt 47, 48 einander ab, so daß bei einer Bewegung Ummagnetisierungsverluste in dem Körper 13 auftreten. Diese Ausführungsform wird daher vorzugsweise dann gewählt werden, wenn es auf derartige Verluste nicht ankommt, beispielsweise bei langsamen Bewegungen oder geringen Kräften.

In Fi g. 10 ist eine Ausführung dargestellt, die sich von Fig. 8 lediglich dadurch unterscheidet, daß in der Ausnehmung des Körpers 13, die entsprechend tiefer ist, zwei im wesentlichen identische Lagerteile 52 angeordnet sind. Durch diese Anordnung ist es möglich, bei Beaufschlagung der beiden Lagerteile von unterschiedlichen Regelgeräten und Fühlern her außer einem horizontal liegenden translatorischen Freiheitsgrad auch noch einen rotatorischen Freiheitsgrad zu lagern, und zwar einen, dessen Achse in Bewegungsrichtung 45 verläuft.

In den Fig.7 bis 10 sind Linearlager dargestellt worden, die nach dem anhand von F i g. 6 veranschaulichten Prinzip arbeiten. In den Fig. 11 und 12 ist nunmehr die Anwendung dieses Prinzips auf Axiallager drehbarer Körper dargestellt. Dabei benutzt die Ausführung nach Fig. Il das anhand der Fig. 8 und 9 erläuterte System mit η Bewegungsrichtung hintereinander angeordneten Permanentmagneten. In F i g. 11 ist das Lagerteil nach Fig. 8 «zu einem Kreis zusammengebogen«. Diese Ausführung, bei der die Permanentmagneten jeweils aufeinanderfolgend in Art von Kreissegmenten angeordnet sind, wird entsprechend seiner größeren Ummagnetisierungsverluste für langsame Drehungen eingesetzt werden. Das in Fig. 12 dargestellte Axiallager baut dagegen auf dem anhand von F i g. 7 erläuterten Prinzip auf. Die Permanentmagneten bestehen aus zwei ineinander angeordneten konzentrischen Ringen, die jeweils entgegjngesetzte, axial gerichtete Magnetisierung aufweisen. Die beiden Stirnseiten der Magneteinheit sind mit den Bauteilen 62, 63 in Form von Scheiben belegt, die im vorliegenden Fall leicht U-förmig ausgebildet sind, so daß sie eine Ausnehmung 49 bilden, in der eine Ring- bzw. Spirai-Wicklung 66 iiegt. Die beschriebene Form der Bauteile 62,63 ermöglicht kleinere wirksame Luftspalte, da die U-Sohenkel nach Art von Poh;chuhen wirken. Bei diesem Axiallager sind die Magnetfelder in den Luftspalten 25, 26 homogen, d. h. es treten bei Drehurg des Rotors im wesentlichen nur Magnetfeldänderungen durch Regeleinflüsse auf. Insbesondere das starke Vormagnetisierungsfeld ist vollständig rotationssymmetrisch, so daß es keine Ummagnelisierungsverluste erzeugt. Bei den F i g. 11 und 12 ist die Rotorausbildung im wesentlichen die gleiche, wie sie anhand von F i g. 1 beschrieben wurde.

Es wird also ein Lagerteil für magnetische Lagerungen geschaffen, das einen einfachen Aufbau hat und insbesondere wenig komplizierte elektrische Teile besitzt. Es besitzt daher eine hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit. Es ist besonders als Axiallager geeignet, wobei es vorteilhaft ist, daß die Axialkräfte in beiden Axialrichtungen bzw. -Orientierungen an nur einer Stelle des Rotors aufgenommen werden können. Vor allem ist die Regelung in zwei Richtungen mit nur einem Lagerteil mit einer wirksamen Wicklung möglich. Durch die Möglichkeit, sehr homogene Felder zu schaffen, sind auch am Rotor keine besonderen Maßnahmen bezüglich des Werkstoffes zu tre'fen, und die Anforderungen an spezielle Formgebungen des Rotors sind gering. Vor allem kann der Rotor frei von Permanentmagneten gehalten werden, die nicht nur zusätzliches Gewicht, sondern auch verringerte Drehzahlfestigkeit bedingen Sowohl durch die Auslegung und Ausbildung des Regelgerätes als auch durch die Wahl der Vormagnetisierung sind Rückstellkräfte, Dämpfung und Federsteifigkeit weitgehend variierbar. Eine genaue axiale Einstellung ist sowohl mechanisch wie auch elektrisch möglich. Das Verhältnis von Nutzinduktivität zu Streuinduktivität ist sehr groß, was insbesondere für die Linearlager im Verhältnis zu bisher Bekanntem große Vorteile bringt. Wenn vorstehend dieses Lagerteil bei der Anwendung bei völlig berührungsfreien magnetischen Lagerungen beschrieben wurde, so ist dies das bevorzugte Anwendungsgebiet. Es ist jedoch auch eine Anwendung bei Lagerungen möglich, die noch nicht ganz auf mechanische Berührung mit dem Stator verzichten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetisches Lager mit einem Lagerteil, das zur magnetischen Lagerung mit einem zu lagernden Körper zusammenwirkt, wobei das Lagerteil von einer Regel- oder Steuereinrichtung gespeiste, ein elektromagnetisches Feld erzeugende elektrische Wicklungen und wenigstens einen eine Vormagnetisierung erzeugenden Permanentmagneten aufweist, wobei ein auf ferromagnetische Teile an dem zu lagernden Körper einwirkender, geregelter Magnetkreis erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Lagerteil (22,52) die Permanentmagnete (16, 38, 39, 68, 69) und elektrische Wicklungen (36, 66, 47, 48) zur Erzeugung wenigstens zweier teilweise parallel und gemeinsam verlaufender magnetischer Kreise (37,40,41,57,67, 70) vorhanden sind, von denen wenigstens einer ein von wenigstens einem Permanentmagneten (16,38, 39, 68,5Ü) erzeugter permanentmagnetischer Kreis (40,41, Tu) und ein anderer der von den elektrischen Wicklungen (36,66,47,48) erzeugter elektromagnetischer Kreis (37,57,67) ist, daß der Lagerteil (22,52) ferromagnetische Bauteile (20, 32, 62, 63) hoher Permeabilität besitzt, die zumindest in einem vom elektromagnetischen Kreis (37,57,67) durchsetzten Bereich angeordnet sind.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Kreis (37, 57, 67) den oder die Permanentmagneten) (38, 39; 68, 69) nicht durchsetzt.

3. Lager nach einem der Ansprüche I oder 2, dadurch gekennzeichnet, oaß das von den elektrischen Wicklungen (36, 47, 48, 66) erzeugte elektromagnetische Feld in si.ner Richtung umkehrbar ist.

4. Lager nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kreise (37, 57, 67, 40, 41, 70) den bzw. die Luftspalte (25, 26) zwischen Körper (13) und Lagerteil (22, 52) im wesentlichen parallel und gemeinsam durchsetzen.

5. Lager nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zu lagernden Körper (13) und dem Lagerteil (22, 52) zwei Luftspalte (25, 26) vorhanden sind, in denen Magnetfelder erzeugbar sind, die unterschiedlich starke und einander entgegengesetzt gerichtete Anziehungskräfte auf den Körper (13) entstehen lassen.

6. Lager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Luftspalt (25, 26) ein separater pennanentmagnetischer Kreis (40, 41) zugeordnet ist.

7. Lager nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Luftspalte (25,26) in zueinander parallelen Ebenen verlaufen.

8. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetische Kreis (70) über die ferromagnetischen Bauteile (62, 63) rückgeschlossen ist und die ferromagnetischen Bauteile dabei zumindest teilweise bis in den Bereich der magnetischen Sättigung magnetisiert sind und daß das elektromagnetische Feld in den Bauteilen (62, 63) im wesentlichen die gleiche Richtung wie das permanentmagnetische Feld hat, und in wenigstens einem Bauteil (63) auch die gleiche Orientierung aufweist, während es in einem anderen Bauteil (62) entgegengesetzt orien-

tiert ist wie das Magnetfeld des permanentmagnetischen Kreises (70).

9. Lager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetische Kreis (70) wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Permanentmagneten (68,69) mit einander entgegengesetzter Magnetisierungs-Orientierung aufweist.

10. Lager nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Bauteile (62, 63) zu beiden Seiten der Permanentmagneten (68, 69) angrenzend an deren Pole angeordnete Bleche sind, auf denen die elektrische Wicklung (66) angeordnet ist

11. Lager nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer Permanentmagnete (68, 69) mit jeweils entgegengesetzter Magnetisierungs-Orientierung die elektrischen Wicklungen (66) in Abschnitte (47, 48) eingeteilt sind, die jeweils einander entgegengesetzt gewickelt bzw. geschaltet sind, und daß die Abschnitte (47.48) jeweils zwei Permanentmagnete (68,69) bis etwa zu deren Mitte überdecken.

12. Lager nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldstärke der Permanentmagnete (68,69) derart bemessen ist, daß trotz Rückschluß durch die ferromagnetischen Bauteile (62. 63) ein die Luftspalte (25, 26) durchsetzendes Vormagnetisierungsfeld vorhanden ist.

13. Lager nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (68, 69) in bezug auf die Bewegungsrichtung des Körpers (13) gegenüber dem Lagerteil (52) nebeneinander angeordnet sind.