DE2341766B2 - Magnetische Lagerung - Google Patents

Description

Magnetvolumen für die axiale Stabilisierung in axialer Richtung verteilt angeordnet werden kann. Infoige 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.

Die Erfindung soll anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieies näher erläutert werden. Die sc"iematische Darstellung gemäß den Figuren zeigt einen als Hohlzylinder ausgebildeten Rotor 1, welcher koaxial innerhalb eines Stators 2 angeordnet ist. An den beiden Enden des Rotors sind Gruppen von Permanent-Magnetringen 4 bzw. 6 vorgesehen, wobei jeweils nebeneinander liegende Magnetringe in entgegengesetzter Richtung radial magnetisiert sind. Die Magnetisierungsrichtung sei durch die kleinen Pfeile angedeutet. Den genannten Magnetringen sind gegenüberliegend auf dem vorzugsweise ferromagnetischen Stator Magnetringe 5, 7 angeordnet, wobei die jeweils einander gegenüberliegenden Magnetringe die entgegensesetzte Magnetisierungsrichtung aufweisen sollen. Die Magnetringe 4, 6 sind auf einem zylindrischen Rohr 8 angeordnet, welches 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 2 sind zwischen den genannten Magnetringgruppen 4, 6 weiterhin magnetisierte, radiaie Permanent-Magnetringe 10 vorgesehen, welche einen gewissen axialen Abstand voneinander aufweisen. Auch diese Mapnctringe sind abwechselnd in entgegengesetzter Richtung magnetisiert, so daß aufgrund der geradzahligen Anzahl (Beispielsweise vier) wiederum der Streufluß sehr klein gehalten wird. Den Magnetringen 10 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 2 ist weiterhin ein Sensor 13 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, welche über einen Regler 14 zur Ansteuerung der Ringwicklungen 12 verwendet wird. Es ist nur ein einziger derartiger Sensor erforderlich, doc'n können aus Gründen der Redundanz auch mehrere Sensoren verwendet 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 e>o um die Längsachse übernehmen. Dieser Antrieb kann weiterhin zusätzlich zur Zentrierung des Rotors verwendet werden. Hierzu sind Steliungsgeber (nicht dargestellt) für den Rotor vorgesehen, über deren Signale in Abhängigkeit von 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 magnetisierbarem 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 gute elektrische Leitfähigkeit auf, so werden infolge der bei Rewegungen 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 um den Abstand d verschobene Position ein. Der Rotor 1 liegt auf der Ringschulter 9 des Stators auf. Wird nun die Regeleinrichtung eingeschaltet, so wird mittels des Sensors 13 ein Signal erzeugt, welches über die Regeleinrichtung 14 einen derartigen Strom erzeugt, daß der Rotor 1 aufgrund der wirksamen axial nach oben geachteten Magnetkräfte angehoben wird. Hat der Rotor seine dargestellte Nullage erreicht, so verschwindet auch das Sensorsignal. Da die einander gegenüberliegenden Magnetringe 4, 5 bzw. 6, 7 jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind, befindet sich der Rotor wie 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 Sensorsignal für die Normallage sowieso Null wird. Radiale Auslenkungen des Rotors, welche für jeweils gleiche axiale Auslenkungen auch verschieden große Sensorsignale 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 Bewegungskomponenten 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche: keit aufweisenden Material besteht und eine glaue Oberfläche aufweist.

1. Magnetische Lagerung bestehend aus einem Radiallager, bei dem auf den beiden Enden von Rotor und Stator je wenigstens ein Paar sich gegenüberliegender Magnetringe mit radialer Magnetisierungsrichtung angeordnet ist, die als Permanentmagnete ausgebildet sind, wobei die Magnetringe jedes Paares entgegengesetzt magnetisiert sind und einem zwischen den beiden an den Enden angeordneten Radiallagerteilen angeordneten Axiallager, das wenigstens einen auf den Rotor angeordneten weiteren Permanentmagnetring aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Permanentmagnetring (10) radial magnetisiert ist, daß auf dem Stator (2), dem weiteren PermanEntmagnetring (lö) in radialer Richtung gegenüberliegend, eine Ringspule (12) angeordnet ist, und daß ein die axiale Lage des Rotors (1) sensierendes Element (13) vorgesehen ist, das in Abhängigkeit von der Abweichung von einer axialen Sollage ein Lagesignal erzeugt, das einem Regler (14) zugeführt wird, der den Strom durch die Ringspule (12) so steuert, daß der Rotor in die Sollage eingeregelt wird.

2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer weiterer Magnetringe (10) zur axialen Stabilisierung diese in geradzahliger Anzahl vorgesehen sind, wobei benachbart angeordnete Magnetringe (10) jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind.

3. Magnetische Lagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetringe (10) in einem gewissen axialen Abstand voneinander angeordnet sind.

4. Magnetisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Magnetring.-? (4, 6) für die radiale Lagerung diese und die weiteren Magnetringe (10) des Rotors (1) auf einem zylindrischen Tragkörper (8) aus permeablem Material angeordnet sind.

5. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetringe (5, 7) für die radiale Lagerung und die Ringwicklungen (12) des Stators (2) auf einem zylindrischen Tragkörper (9) aus permeablem Material angeordnet sind.

6. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Magnetringen (10) gegenüberliegenden Ringspulen (12) derart von Strom durchflossen sind, daß sämtliche durch den Strom bewirkte Kraftkomponenten des Elektromagneten (12) die gleiche Wirkungsrichtung haben.

7. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor (1) radial magnetisierte Permane.n-Magnete (15) mit in Umfangsrichtung abwechselnder Polarität vorgesehen sind, welchen auf dem Stator Wicklungen (16) zugeordnet sind zum Antrieb des Rotors (1) nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors.

8. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden zylindrischen Flächen des Rotors (1) und des Stators (2) mit einer dünnen Schicht (18, 19) versehen sind, welche aus einem nicht magnetischen und gute elektrische Leitfähig-Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Erfindung geht von einer Lagerung gemäß

ίο DE-OS 2136 371 aus. Dort ist eine magnetische Lagerung beschrieben, bei der sowohl die axiale als auch die radiale Stabilisierung des Rotors lediglich mittels Permanentmagnetringen erreicht werden soll. Eine solche Lagerung ist jedoch bekannterweise aufgrund des Earnshaw-Theorem nicht realisierbar.

Ferner ist aus »Philip's Technische Rundschau 1960/61, Nr. 7, Seite 252 ff« eine magnetische Lagerung bekannt, wobei zur berührungsfreien Lagerung einer Welle in radialer Richtung auf dieser Permanent-Magnetringe vorgesehen sir.d.

Diese Magnetringe sind radial magnetisiert, wobei in axialer Richtung nebeneinander liegende Magnetringe entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen aufwel· sen. Diesen gebenüberliegend 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 Außenringen einander 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 Scheiben aus permeablem Material 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 wegen der dann erforderlichen Umwandlung der Scheibe in einen Ring außer den erforderlichen axialen Magnetkräften zusätzlich radial gerichtete Magnetkräfte auftreten können. Für die Lagerung einer hohlzylindrischen Spindel ist eine derartige Vorrichtung schon allein aus Platzgründen nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache und raumsparende magnetische Lagerung zu schaffen, die insbesondere zur Anwendung bei einem hohlzylindrischen Rotor geeignet ist. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in vorteilhafter Weise außer der bekannten radialen Stabilisierung ;ines 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