DE2341766A1 - Magnetische vorrichtung - Google Patents

Description

TEIBIX GmbH 6900 Heidelberg
Grenzhöfer Veg 36

Heidelberg, den 16. Aug. 1973 G/Pt-Sch/Pr Ξ-300

Magnetische Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Vor-?· richtung, insbesondere für einen als Hohlzylinder ausgebildeten Rotor, enthaltend auf dem Rotor angeordnete Perinanent-Magnetringe mit radialer Magnetisierungsrichtung sowie auf dem Stator angeordnete radial magnetisierte oder magnetisierbar Magnetringe zur radialen Lagerung des Rotors.

Stand der Technik

Eine derartige magnetische Torrichtung ist bekannt geworden aus: Philip's Technische Rundschau 1960/61, ITr. 7» Seite 252 ff, vfobei zur berührungsfreien Lagerung einer Welle auf dieser Permanent-Magnetringe vorgesehen sind.

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Diese Magnetr.vige sind radial magnetisiert, wobei in axialer Richtung nebeneinander liegende Magnetringe entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Diesen gegenüberliegend sind auf dem die Welle umgebenden, feststehenden (Teil der Vorrichtung (Stator) weitere radial magnetisierte Magnetringe zugeordnet, die jeweils in der entgegengesetzten Richtung radial magnetisiert sind. Somit werden in dem Luftspalt zwischen den genannten Innen- und Außenringeneinander abstoßende magnetische Kräfte wirksam, welche die Welle stabil in ihrer zum Stator konzentrischen Lage halten. Dies gilt jedoch nur für die radiale Richtung. Bei einer axialen Auslenkung der Welle treten Kräfte auf, mit der Tendenz diese Auslenkung noch zu vergrößern, so daß in axialer Richtung nur ein labiles Gleichgewicht herrscht. Zur axialen Stabilisierung der Welle wurde daher vorgeschlagen, an den beiden Enden der Welle axial magnetisierte Magnetseheiben anzuordnen und diesen auf dem Stator gegenüberliegend von Strom durchflossene Wicklungen zuzuordnen. Durch Steuern der Wicklungsströme in Abhängigkeit der axialen Position der Welle konnte mit dem derart ausgebildeten elektromagnetischen Servokreis die Welle auch in axialer Richtung stabilisiert werden. Diese Art der Stabilisierung in axialer Richtung kann jedoch bei einem als Hohlzylinder ausgebildeten Rotor nur mit einem entsprechend großen Aufwand angewendet werden, da insbesondere wegen der dann erforderlichen Umwandlung der Magnetscheibe in einen axial magnetisieren Ring außer den erforderlichen axialen Magnetkräften zusätzlich radial gerichtete Hagnet-Kräfte auftreten können. Für die Lagerung einer hohlzylindrischen Spindel ist eine derartige Vorrichtung schon allein aus Platzgründen nicht anwendbar.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine konstruktiv einfache Vorrichtung zur magnetischen Lagerung, insbesondere

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eines hohlzyiindrischen Rotors, zu schaffen. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Vorteile

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in vorteilhafter Weise außer der bekannten radialen Stabilisierung eines magnetisch gelagerten Rotors auch die axiale Stabilisierung nach dem Prinzip eines Tauchankers mit einem minimalen Aufwand erreicht. Ist der Rotor als Hohlzylinder ausgebildet, so kann dessen Wandstärke und somit auch das Trägheitsmoment äußerst gering gehalten werden, da das erforderliche Magnetvolumen für die axiale Stabilisierung in axialer Richtung verteilt angeordnet werden kann. Infolge seiner linearen Kraft-/Wegabhängigkeit werden zur axialen Stabilisierung" nur sehr geringe Energiemengen benötigt. Der Rotor wird nämlich normalerweise mittels der Magnetringe zur radialen Lagerung in der axialen Richtung in einer, wenn auch nur labilen Gleichgewichtslage, gehalten, so daß lediglich bei Bewegungen aus dieser Gleichgewichtslage eine Energiezufuhr erforderlich ist, um den Rotor wieder in diese Gleichgewichtslage zurück zu bringen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die schematische Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt einen als Hohlzylinder ausgebildeten Rotor 1, welcher koaxial innerhalb eines Stators 2 angeordnet ist. An den beiden Enden des Rotors sind Gruppen von Permaiient-Magnetringen 4 bzw. 6 vorgesehen, wobei jeweils nebeneinander liegende Magnetringe in entgegengesetzter Richtung radial magnetisiert sind. Die Hagnetisierungsrichtung sei durch die kleinen Pfeile angedeutet. Den genannten Magnetringen sind gegen-

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überliegeiyl aui dem vorzugsweise ferrpmagnetischen Stator Magnetringe 5» 7 angeordnet, wobei die jeweils einander gegenüberliegenden Magnetringe die entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung aufweisen sollen. Die Magnetringe 4, 6 sind auf einem zylindrischen Rohr 8 angeordnet, weiches vorzugsweise aus ferromagnetischem Material besteht und somit zum magnetischen Rückschluß der genannten Magnetringe dient. Die Anzahl der Magnetringe 4-, 6 sowie 5» 7 ist jeweils geradzahlig, da somit der magnetische Streufluß auf ein Minimum reduziert ist. Auf dem Rotor Jr sind zwischen den genannten Magnetringruppen 4-, 6 weiterhin magnetisierte, radiale Perinanent-Magnetringe 10 vorgesehen, welche einen gewissen axialen Abstand voneinander aufitfeisen. Auch diese Magnetringe sind abwechselnd in entgegengesetzter Richtung magnetisiert, so daß aufgrund der geradzahligen Anzahl (Beispielsweise vier) wiederum der Streufluß sehr klein gehalten wird. Den Magnetringen gegenüberliegend sind auf dem Stator Ringwicklungen 12 angeordnet. Werden diese Wicklungen 12 von Strom durchflossen, so werden auf den Rotor Kräfte in axialer Richtung wirksam. Auf dem Stator >K ist weiterhin ein Sensor vorgesehen, zur Erfassung der axialen Position des Rotors. Der Sensor ist vorzugsweise als ein bekanntes Feldplatten-Element ausgebildet und befindet sich exakt in der Mitte zwischen zwei Ringwicklungen.Bei einer Verschiebung des Rotors aus der dargestellten Normallage werden somit Signale erzeugt, Vielehe über einen Regler 14 zur Ansteuerung der Ringwicklungen 12 verwendet wird. Es ist nur ein einziger derartiger Sensor erforderlich, doch können aus Gründen der Redundanz auch mehrere Sensoren vervjendet werden. Auf dem Rotor sind weiterhin Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung abwechselnder Polarität vorgesehen, welche zusammen mit Statorwicklungen 16 in bekannter Weise ähnlich einem bürstenlosen Gleichstrommotor den Antrieb des Rotors um die Längsachse übernehmen. Dieser Antrieb kann weiterhin zusätzlich zur Zentrierung des Rotors verwendet werden. Hierzu sind Stelliuagsgeber (nicht dargestellt) für den Rotor vorgesehen, über deren Signale in

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Abhängigkeit voii der momentanen Rotorstellung die Ströme der Wicklungen 16 derart beeinflußbar sind, daß auch. Kräfte in radialer Richtung auf den Rotor ausübbar sind. Der Rotor ist außerdem an seiner zylindrischen Außenfläche versehen mit einer dünnen Schicht aus nicht magnetisierbarer! Material und glatter Oberfläche (z.B. verchromtes Kupfer). Auch die Innenfläche des Stators ist mit einer dünnen Schicht eines derartigen Materials versehen, so daß auch bei Störungen im Lager beispielsweise aufgrund von kurzzeitigen Überlastungen keine Zerstörung erfolgt, sondern der Rotor bezüglich des Stators auf den genannten Schichten gleitet. Weist das Material der genannten Schicht des Rotors zudem noch eine gu.te elektrische Leitfähigkeit auf, so werden infolge der bei Bewegungen induzierten Wirbelströme in sehr vorteilhafter Weise die genannten Bewegungen gedämpft.

Die Funktionsweise der Vorrichtung sei nachfolgend kurz erläutert. Ist die Regeleinrichtung 14 und der Strom durch die Wicklungen 12 abgeschaltet, so nimmt der Rotor bei vertikaler Längsachse eine nach unten aus der dargestellten Normallage Aim den Abstand d Verschobene Position eiu. Der Rotor /. liegt auf der Ringschulter 9 des Stators auf. Wird nun die Regeleinrichtung eingeschaltet, so wird mittels des Sensors 15 ein Signal erzeugt, welches über die Regeleinrichtung 14 einen derartigen Strom erzeugt, daß der Rotor 1 aufgrund der wirksamen axial nach oben gerichteten Magnetkräfte angehoben wird. Hat der_%'Rotor seine dargestellte Nullage erreicht, so verschwindet auch das Sensorsignal. Pa die einander gegenüberliegenden Magnetringe 4, 5 bzw. 6, 7 jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind, befindet sich der Rotor vrie leicht nachgewiesen werden kann, in einer labilen Gleichgewichtslage. Die Energieaufnahme ist daher äußerst gering.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß für die axiale Stabilisierung der absolute Betrag des Sensorsignales bei einer bestimmten axialen Auslenkung keine Bedeutung hat, da das

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Sensorsignal für die Eormallagc sowieso Null wird. Radiale Auslenkungen des Rotor3,welche für jeweils gleiche axiale Auslenkungen auch verschieden große Sensorsignales-erzeugen, haben daher auf die axiale Stabilisierung praktisch keinen Einfluß. Diese Unabhängigkeit von axialer und radialer Stabilisierung gestattet einen äußerst einfachen Aufbau des Reglers 14-, da keine Verknüpfungen von verschiedenen Bewegungskoiaponenten zu berücksichtigen sind.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine Vorrichtung mit einem Innenrotor beschrieben. Es liegt im Rahmen der Erfindung die Vorrichtung derart auszubilden, daß ein innenliegender Stator von einem Außenrotor umgeben ist; die Stabilisierung in radialer und axialer Richtung erfolgt auch dabei entsprechend der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorrichtung.

- Patentansprüche -

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Magnetische Vorrichtung, insbesondere für einen als Hohlzylinder ausgebildeten Rotor,-enthaltend auf dem Rotor angeordnete Permanent-Magnetringe mit radialer Magnetisierungsrichtung, sowie auf dem Stator angeordnete radial magnetisierte oder magnetisierbare Magnetringe zur radialen Lagerung des Rotors, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise zwischen den genannten, an den beiden Enden des Rotors angeordneten Magnetringen wenigstens ein weiterer, radial magnetisierter Permanen t-Magnetring angeordnet ist, welchem auf dem Stator gegenüberliegend eine stromdurchflossene Ringwicklung zugeordnet ist zur Erzeugung von axialen Kräften auf den Rotor.

   2. Megnetische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei nebeneinander liegende Magnetringe jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind und auf Rotor und Stator gegenüberliegende Magnetringe ebenfalls entgegengesetzt magnetisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stator wenigstens ein Sensor zur Erfassung der axialen Position des Rotors vorgesehen ist und daß eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, mit welcher in Abhängigkeit der Sensorsignale die Ströme der Wicklungen derart beeinflußbar sind, daß der Rotor in axialer Richtung stabilisiert wird.

   5. Magnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetringe des Rotors auf einem zylindrischen Rotor aus ferromagnetischeic Material angeordnet sind.

   4. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Magnetringe sowohl die Magnetringe ^ur radialen als auch die zur axialen Stabilisierung jeweils in einer geradzahligen Anzahl vorgesehen sind.

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   5· Magnetischs Vorrichtung nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Magnetringe zur axialen Stabilisierung in einem gewissen axialen Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die benachbart angeordneten Magnetringe jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind und daß benachbart liegende Ringwicklungen jeweils in der entgegengesetzten Richtung von Strom derart durchflossen werden können, daß sämtliche axialen Kraftkomponenten gleichgerichtet sind.

   6. Magnetische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor radial magnetisierte Permanent-Magnete mit in Umfangsrichtung abwechselender Polarität vorgesehen sind, welchen auf fern Stator Wicklungen zugeordnet sind zum Antrieb des Rotors nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotores.

   7· Magnetische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite des Rotors sowie die Innenfläche des Stators mit einer dünnen Schicht versehen sind, welche aus einem nicht magnetischen Material mit glatter Oberfläche besteht.

   8. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Material der genannten Schicht eine gute .elektrische Leitfähigkeit aufweist.

   Heidelberg, den 16. August 1973
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