DE2420814A1

DE2420814A1 - Magnetisches lagerelement, insbesondere axiallagerung

Info

Publication number: DE2420814A1
Application number: DE2420814A
Authority: DE
Inventors: Karl Boden; Werner Geweke
Original assignee: Padana AG
Current assignee: Padana AG
Priority date: 1974-04-30
Filing date: 1974-04-30
Publication date: 1975-11-13
Also published as: DE2420814C3; JPS5833935B2; CH587423A5; JPS5129650A; US4037886A; GB1504757A; DE2420814B2

Description

PATENTANWALT 24208 H

Dipl.-Ing. EIDENEIER Dipl.-Chem. Dr. RUFF Dipl.-Ing. J. BEIER

7 STUTTGART 1 Neckarstraße SO Telefon CO71O 23 70

29. April 1974- JE/Rie

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Anmelderin: Firma.Padana AG

CH 6300 Zug/schweiz, Baarer Straße 57

"Magnetisches Lagerelement, insbesondere Axiallagerung"

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Lagerelement, insbesondere eine Axiallagerung, mit wenigstens einem an einem Teil der Lagerung angeordneten Magneten mit im wesentlichen konstantem Magnetfeld, der mit ferromagnetischem Material am anderen Lagerungsteil zusammenarbeitet und eine in der Richtung des festzulegenden Freiheitsgrades stabilisierende und in einer dazu senk-

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rechten Richtung destabilisierende Wirkung auf die Lagerung ausübt, wobei sein Magnetfeld in eiern ferromagnetischen Material im wesentlichen in Richtung des festzulegenden Freiheitsgrades verläuft und an Absätzen im ferroma^ne ti sehen Material ein- bzw. austritt.

In der deutschen Offenlegungsschrift 2 213 522 ist eine derartige Lagerung beschrieben. Es handelt sich um eine Lagerung eines Rotors in einem Stator, bei dem die Radiallagerung durch ein über Fühler, ein gleichstromgespeistes Steuergerät und Lagerspulen aktiv geregeltes guerlager erfolgt. Je ein Querlager ist auf jeder Seite des Rotors angebracht und die Axiallagerung wird von einem axial magnetisierten Permanentmagneten übernommen, der mit einem vorstehenden Bund im ferromagnetischen Material aes Rotors zusammenwirkt.

Diese Art der Lagerung arbeitet sehr gut und ist für viele Zwecke vollauf zufriedenstellend. Für einige Anwendungsgebiete ist es jedoch erforderlich, sehr große axiale Federsteifigkeiten des Lagers zu verwirklichen, d.h. die vom Lager einer axialen Auslenkung entgegengesetzte Kraft je Auslenkungseinheit soll sehr groß sein. Auch bei anderen magnetischen Lagerungen ist häufig eine hohe Federsteifigkeit der Lagerung erwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein magnetisches Lagerelement der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem mit einem relativ geringen Aufwand an Magnetmaterial und ferromagnetische«! Material am Rotor hohe Federsteifigkeiten und eine Erhöhung der axialen Tragkräfte bei einem im Prinzip ungeregelten, d.h. passiven Lager geschaffen werden können.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das ferromagnetische Material durch zwei zueinander gekehrte, in Abstand voneinander befindliche Absätze, die im Bereich des Magnetfeldes liegen, in wenigstens zwei Abschnitte aufgeteilt ist, die von zwei entgegengesetzt orientierten magnetischen Kreisen durchflossen sind.

Die Lagerung ist besonders vorteilhaft, wenn die Abschnitte voneinander abgekehrte äußere Endflächen haben, die im Bereich des Magnetfeldes des wenigstens einen Magneten liegen.

Obwohl es möglich ist, die Erfindung auch bei einer Liniearlagerung, d.h. einer Lagerung von nicht zueinander drehbaren Teilen,einzusetzen, wird sie jedoch in den. meisten "Fällen und besonders vorteilhaft als Lagerung zueinander drehbarer Teile verwendet werden. Daher wird in der folgenden Beschreibung von den Lagerteilen als von Rotor und Stator gesprochen. Die Lagerung eignet sich auch besonders gut für hohe Drehzahlen. Trotzdem ist sie auch auf die Lagerung von zueinander stillstehenden Gegenständen einzusetzen. Normalerweise wird auch der Magnet am feststehenden Teil bzw. am Stator und das ferromagnetische Material am beweglichen Teil bzw. am Rotor angebracht sein, obwohl auch die entgegengesetzte Anordnung möglich ist.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform können die Absätze zwischen den beiden ferromagnetischen Abschnitten als eine Lücke zwischen zwei ferromagnetischen, an dem als Rotor ausgebildeten anderen Lagerteil angeordneten Kreisringen bzw. Scheiben ausgebildet sein. Wenn hier von Absätzen oder Lücken im ferromagnetischen Material

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die Rede ist, so bedeutet das stets, daß sich an dieser Stelle die ferromagnetische Wirkung möglichst stark ändern soll. Es muß also in der ferromagnetischen Wirkung eine Unstetigkeit vorliegen. Diese wird im einfachsten Fall durch Endflächen von Ringen, Scheiben etc. gebildet. Es ist auch nicht nötig, daß ein sichtbarer Absatz vorhanden ist, da beispielsweise an eine Endfläche eines ferromagnetischen Ringes ein nicht ferromagnetischer Ring unmittelbar anschließen kann.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform können zwei Magneten vorgesehen sein, die in Richtung des festzulegenden Freiheitsgrades hintereinander mit in dieser Richtung verlaufender, jedoch einander entgegengesetzt gerichteter Magnetisierungsorientierung in Abstand voneinander angeordnet sind und die Absätze zwischen den ferromagnetischen Abschnitten können im Bereich des Abstandes zwischen den Magneten liegen. Bei dieser Ausführungsform tritt eine besonders große Verstärkung der Federsteifigkeit und Tragkr"°te in Richtung dieses Freiheitsgrades, vorzugsweise also in axialer Richtung, auf. In dem Bereich zwischen den beiden Magneten tritt infolge der einander zugekehrten gleichnamigen, d.h. sich abstoßenden Pole eine Feldlinienverdichtung auf, die im Bereich der Lücke im ferromagnetischen Material eine besonders große magnetische Kraftliniendichte hervorruft.

Es ist ferner bevorzugt, im Magnetfeld des bzw. der zur Axiallagerung angeordneten Magneten die Lagerspule eines aktiv geregelten, elektromagnetischen guerlagers anzuordnen, das von beiden magnetischen Kreisen durchflossen ist. Die Lagerspulen von aktiv geregelten elektromagnetischen Querlagern, insbesondere solchen, die von ihrem Steuergerät mit geregeltem Gleichstrom beaufschlagt werden, sind in ihrer Wirksamkeit besonders hoch, wenn sie einer

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Vormagnetisierung ausgesetzt sind, κine hohe Vormagnetisierung mit einem im wesentlichen konstanten Magnetfeld, das auch permanentmagnetisch erzeugt sein kann, sorgt dafür, daß mit geringen elektrischen Regelleistungen hohe rückstellende bzw. dämpfende Kräfte bei geringen Verlustleistungen erzielt werden können. Durch die Anordnung der Lagerspule im Magnetfeld des Lagers nach der Erfindung wird die zur Axiallagerung benötigte Magnetfeldstärke zur Vormagnetisierung des Querlagers herangezogen. Die erhöhte Wirkung des Axiallagers erhöht also gleichzeitig auch die Wirkung des Radiallagers, so daß hier eine besonders vorteilhafte Lagereinheit entsteht. Die zur Lagerung den Luftspalt zwischen Stator und Rotor durchsetzenden Magnetfelder sind also für Axial- und Radiallagerung die gleichen und werden lediglich durch die Lagerspule moduliert. Wenn vorstehend von einem im wesentlichen konstante'n Magnetfeld de^c; Magneten, der vorzugsweise ein Permanentmagnet ist, gesprochen v/urde, so ist darunter zu verstehen, daß zu seiner Hauptfunktion keine Änderung des konstanten Magnetfeldes notwendig ist. Selbstverständlich ändert sich das Magnetfeld bei einer axialen Auslenkung und andererseits ist es auch möglich, durch Elektromagneten oder Kombination von Elektro- und Permanentmagneten eine aktive Machsteilung oder Nachregelung der axialen Lage des Rotors zu bewirken.

Vorteilhaft kann die Lagerspule in magnetischer Flußrichtung zwischen dem bzw. den Magneten und den an die Absätze zwischen den ferromagnetischen Abschnitten angrenzenden Bereichen liegen. So ist eine magnetische Durchflutung der Lagerspulen sichergestellt.

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Wenn bei einer Ausführung mit zwei Magneten die Lagerspule in dem zwischen beiden Magneten gebildeten Abstand liegt, dann liegt sie im Bereich der stärksten Flußkonzentration und ist somit am stärksten vormagnetisiert.

Die Abschnitte können in Richtung des festzulegenden Freiheitsgrades vorteilhaft eine größere Erstreckung haben als die Magneten und/oder gegenüber den Magneten zur Lagermitte hin versetzt angeordnet sein. Durch diese Maßnahme vird neben den oben erwähnten Vorteilen eine optimale Erfassung des Magnetflusses erreicht und Streuverluste werden gesenkt.

Durch dia Erfindung wird ein außerordentlich kompaktes Lagerelement geschaffen, das bei geringem Bauvolumen und Materialeinsatz eine in einem Freiheitsgrad nach beiden Orientierungen hin stabile Lagerung mit großer Federsteifigkeit gewährleistet. Dabei sei bemerkt, daß die Erhöhung der Federsteifigkeit und der Tragfähigkeit des Lagers größer ist als man es rechnerisch aus den Vergleichswerten bei bekannten Lagern ermitteln kann. Es handelt sich also nicht nur um eine reine Verdoppelung der bekannten Lager, sondern zwischen beiden Lagern findet ein funktionelles und die Tragfähigkeit überproportional erhöhendes Zusammenwirken statt.

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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine berührungsfreie elektromagnetische Lagerung mit zwei im wesentlichen identischen Lagereinheiten, die jeweils aus einem passiven magnetischen Axiallager und einem aktiven, d.h. geregelten elektromagnetischen Querlager bestehen,

Fig. 2 die elektromagnetische Lagerung eines Rotors, bei der die Lagereinheiten als Innenlager ausgebildet sind,

Fig. 3 die Darstellung einer Lagereinheit, die im wesentlichen der in Fig. 1 entspricht, im Zusammenwirken mit einem anders ausgebildeten Rotorabschnitt,

Fig. 4 eine geänderte Ausbildung der Lagereinheit, Fig. 5 eine weitere Variante einer Lagereinheit,

Fig. 6 ein permanentmagnetisches Axiallager mit einer elektromagnetischen Axialregelmöglichkeit und

Fig. 7 eine Einheit aus regel- bzw. beeinflußbarem Axial- und Radiallager.

In Fig. 1 ist die Lagerung eines Rotos 11 an einem Stator 12 dargestellt. Diese bilden die beiden zueinander zu lagernden Teile. Der Rotor 11 hat eine horizontale Drehachse 13 und besteht aus nicht ferromagnetischem Material, beispielsweise Aluminium o. dgl.. Im Bereich seiner beiden Enden ist jedoch ferromagnetisches Material angeordnet, und zwar

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in zwei Abschnitten 14, 15, die die Form von Ringen oder Rohrstücken haben, die auf dem Kotor mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die ringförmigen Abschnitte 14, besitzen also zwei aufeinander zu gerichtete Absätze 16 im ferromagnetischen Material, die im vorliegenden Beispiel durch die einander zugekehrten Endflächen der beiden Abschnitte 14, 15 gebildet sind. Der zwischen den Absätzen gebildete Abstand zwischen den beiden Abschnitten 14, 15 ist geringer als die axiale Erstreckung der Abschnitte 14, 15 selbst. Es sei bemerkt, daß die Abschnitte 14, 15 aus irgendeinem ferromagnetischen Material bestehen können, und zwar braucht aufgrund der im folgenden noch beschriebenen Eigenschaften des Lagers meist kein besonderes Material, wie beispielsweise aus voneinander isolierten Einzelblechen aufgebautes oder als Preßmasse hergestelltes Material, verwendet zu werden, sondern es genügt meist einfacher Stahl. In keinem Falle ist es aber notwendig, bei dem beschriebenen Aufbau permanentmagnetisches Material am Rotor anzubringen.

Im Bereich der Abschnitte 14,15 sind am Stator 12 miteinander übereinstimmende Lagereinheiten 17 angeordnet, die die Abschnitte 14, 15 umgeben. Diese Lagereinheiten enthalten ein in diesem Falle passives, d. h. ungeregeltes. Axiallager, das im dargestellten Beispiel je Lagereinheit zwei Permanentmagneten 18 enthält und ein elektromagnetisch aktiv geregeltes Radial- oder Querlager 19.

Diese Radiallager sind in ihrem Grundprinzip in der deutschen Auslegungsschrift 1 750 602 beschrieben. Sie bestehen aus berührungslosen Wegaufnehmern oder Fühlern 20, die Auslenkungen des Rotors messen und ihre Meßsignale an ein elektronisches Steuergerät 21 abgeben, das an eine

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äußere Gleichstromquelle 22 angeschlossen ist, das die Meßsignale verstärkt und in ihrer Phase verschoben als Ausgangssiynale in Form eines geregelten Gleichstomes an elektromagnetische Mittel abgibt, die im dargestellten Beispiel die Form einer Ringspule 23 haben, die in ihrer genauen wirkung und in ihren Einzelheiten in der deutschen Offenlegungsschrift 2 213 465 beschrieben ist. Die Ringspule besitzt einen ringförmigen ferromagnetischen Kern 24, dessen Querschnitt von einer Wicklung 25 wendelförmig umgeben ist. Die Wicklung ist so in Bereiche unterteilt, daß Spulen unterschiedlichen und/oder einander entgegengesetzt gerichteten magnetischen Flusses in dem ferromagnetischen Kern gebildet werden, die nach Art der Flußverdrängung mit den ferromagnetischen Teilen des Rotors zusammenwirkende Magnetfelder erzeugen. Durch diese magnetischen Felder wird der Rotor in radialer Richtung stabilisiert. Alle von den Fühlern 20 (es sind mehrere am Umfang vorgesehen) gemessenen Abstandsänderungen infolge von Schwingungen oder Auslenkungen des Rotors werden in dem Steuergerät derart umgesetzt, daß als Auswirkung in der Spule 23 Magnetfelder erzeugt werden, die die Schwingungen dämpfen und die Auslenkungen zurückstellen.

In axialer Richtung wird der Rotor durch die aus den Permanentmagneten 18 im Zusammenwirken mit den Abschnitten 14, 15 gebildete Axiallagereinheit stabilisiert. Die beiden Magneten 18, die im dargestellten Beispiel Permanentmagneten sind, haben die Form von den Rotor umgebenden Ringmagneten, die axial magnetisiert sind. Sie sind mit einem Abstand 26 voneinander derart angeordnet, daß gleichnamige Pole, in diesem Falle die Südpole, einander zugekehrt sind. In dem Abstand 26 zwischen den Magneten 18 ist die bereits beschriebene Spule 23 angeordnet, so daß ihr ferromagne-

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tischer Kern 24 zur magnetischen Flußleitung im Bereich zwischen Leiden Magneten Id herangezogen ist.

Infolge der einander entgegengesetzten Magnetisierungsrichtung der Magneten 18 wird der magnetische Fluß in diesem Mittelbereich verstärkt und tritt verdichtet in die ferromagnetischen Abschnitte 14, 15 des Rotors über. In diesem von dem Abstand 26 eingenommenen Mittelbereich liegt auch die zwischen den beiden Absätzen 16 der Abschnitte 14, 15 gebildete Lücke im ferromagnetischen Material. Durch diese und unterstutzt durch die das Feld konzentrierende Wirkung der einander entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen der Magneten 18 tritt eine starke Feldkonzentration im Bereich der Lücke zwischen den Absätzen 16 auf. In den Abschnitten 14,15 aus ferromagnetischem Material sind die magnetischen Flußrichtungen einander entgegengesetzt und gehören zu zwei in Fig. 1 strichliert angedeuteten ferromagnetischen Kreisen 27, 28.

Im dargestellten Beispiel haben die Abschnitte 14, 15 eine Länge, die zwar größer ist als die axiale Erstreckung der Magneten 18, jedoch ist ihre Länge derart, daß unter Einbeziehung des relativ geringen Abstandes zwischen den Absätzen 16 ihre äußeren Endflächen 29, 30 normalerweise noch in dem von den Magneten 18 umgebenen Bereich liegen. An diesen Endflächen 29, 30 tritt der magnetische Fluß aus den Abschnitten 14, 15 wieder in die Magneten 18 über.

Bei einer auf den Rotor in axialer Richtung wirkenden Kraft stellt sich eine gewisse axiale Auslenkung ein, die die beschriebene Feldverteilung verändert. Infolge der starken Feldänderung im Bereich der Absätze 16 und der Endflächen 29, 30 wirkt eine sehr starke Magnetkraft

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dieser Auslenkung entgegen. Das Lager hat' also eine große axiale "Federsteifigkeit" in seiner Axiallagerung .

Hier sei bemerkt, daß das beschriebene Axiallager, da-s für die. axiale Stabilisierung eines Körpers keine aktive Regelung benötigt, eine relativ starke destabilisierende Kraft in radialer Richtung erzeugt. Mit anderen Worten: Eine Auslenkung des Rotors 11 aus seiner in radialer Richtung neutralen Lage erzeugt eine radiale Kraft, die den Rotor weiter aus dieser neutralen Lage auszulenken sucht. Es ist jedoch, wie nachgewiesen wurde, ohne weiteres möglich, mit der beschriebenen Querlagerung diese destabilisierenden Kräfte auszugleichen.

Es ist nun ein besonderer Vorteil der beschriebenen Lagereinheit 17, daß sie nicht nur eine besonders wirksame Axiallagerung schafft, sondern auch dazu beiträgt, daß die Radiallagerung 19 besonders wirkungsvoll arbeitet. Es ist schon in der deutschen Offenlegungsschrift 2 213 465 beschrieben worden, daß die Vormagnetisierung der Ringspule (und auch aller anderen eventuell zur Radiallagerung benutzten elektromagnetischen Elemente) die Wirksamkeit und auch den Wirkungsgrad, d. h. die auf den Rotor ausgeübte Kraftwirkung im Vergleich zu der dafür aufgewendeten Regelenergie, wesentlich erhöht. Durch die zur Regelung von Dämpfungen oder Auslenkungen benötigten Magnetfelder wird über den Umfang des Luftspaltes 31 zwischen Rotor und Stator eine Inhomogenität erzeugt, die zu Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverlusten im Rotor führt und auf diesen bremsend einwirken würde (magnetische Lagerreibung). Im dargestellten Beispiel wird ein wesentlicher Teil des zur Axial-

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lagerung benötigten Feldes durch die Ringspule 23 hindurchgeleitet und bildet somit eine Vormagnetisierung für das Querlager 19. Dabei wirkt sich auch vorteilhaft aus, daß der ferromagnetische Ringkern eine gute magnetische Flußleitung schafft. Dieser hohen Vormagnetisierung werden nun die Regelausschläge, die von den Regelsignalen aus dem Steuergerät 21 bewirkt werden, überlagert. Wegen der Abhängigkeit der ausgeübten Kraftwirkungen von der Gesamtgröße des magnetischen Flusses brauchen diese Regelausschläge nur sehr klein zu sein, so daß auch die lediglich von der Amplitude der Ausschläge abhängende "magnetische Lagerreibung" sehr gering ist.

Als weiterer Vorteil des Lagers ergibt sich, daß trotz eines großen Verhältnisses Axialkraft zu axialer Auslenkung (Federsteifigkeit) der nutzbare Bereich der axialen Auslenkung relativ groß ist. Vor allem bleibt der Luftspalt 31 in seiner Wirkung auf das Querlager 19, selbst bei größeren axialen Auslenkungen, im wesentlichen konstant.

Die Gesamtlänge der Abscnnitte 14, 15 und der Abstand 26 zwischen den Permanentmagneten 18 hängt von den geforderten Lagereigenschaften bzw. den auf das Lager wirkenden Kräften ab. Häufig wird eine Stabilisierung nur nach einer Seite hin, d. h. in einer Orientierung gefordert, wenn beispielsweise ein Rotor mit vertikaler Achse zu lagern ist und keine größeren axialen Kräfte verlangt werden als der Rotor durch seine Schwerkraft ohnehin aufbringt. In dem Falle braucht dann das Lager immer nur in eine Richtung zu wirken, was auch einen Einfluß auf die Gestaltung der ferromagnetischen Abschnitte haben kann. Es sei noch bemerkt, daß im Falle einer horizontalen Lagerung wie bei Fig. 1 zur Aufnahme der hier als Querk'raft wirkenden Schwerkraft-

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komponente ebenfalls die Magnetkräfte des Axiallagers, d. h. der Permanentmagneten 18, benutzt werden können, indem der Rotor 11 durch die Radiallager 19 in einer derartigen Lage festgehalten wird, daß die destabilisierenden Kräfte des Axiallagers 18 die Schwerkraft gerade aufheben. Wegen des außerordentlich guten Zugriffs des Radiallagers ist eine solche Dejustierung ohne weiteres aufrecht zu erhalten. Im dargestellten Beispiel würde es also bedeuten, daß der-Rotor in einer etwas nach oben verschobenen außermittigen Lage einreguliert ist. Es ist auch möglich, nur einen der Magneten gegenüber der Lagermitte zu verschieben.

In Fig. 2 ist die Lagerung eines Rotors 11' mit vertikaler Drehachse dargestellt. Die Lagerelemente 17* sind dabei oben und unten miteinander identisch ausgebildet und entsprechen in ihrem Grundaufbau auch denen nach Fig. 1. Sie sind jedoch als Innenlager ausgebildet, d. h. der hohle Rotor 11· trägt die ferromagnetischen Abschnitte 14', 15' jeweils an der Innenseite einer Bohrung 32 in einem Deckel In diese Bohrung, die sozusagen mit den ferromagnetischen Abschnitten 14', 15' ausgekleidet ist, ragen die Lagereinheiten 17· hinein, wobei sie beispielsweise an Achsstümpfen angebracht sein können. Das Radiallager 19 einschließlich Fühler, steuergerät und Spule 23 kann bis auf die Größenverhältnisse identisch mit denen nach Fig. 1 sein. Die Magneten 18¹ sind im vorliegenden Fall vorzugsweise als axial magnetisierte Scheibenmagneten ausgebildet, um auf kleinem Raum möglichst viel Permanentmagnetmaterial unterbringen zu können. Sie können jedoch auch als Ringmagneten ausgebildet sein. Die Spule 23 ist wiederum mit dem Abstand oder Zwischenraum 26' zwischen den Magneten 18'

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untergebracht, und die Wirkungsweise ist die gleiche wie in Fig. 1. Es ist zu erkennen, daß durch die in diesem Falle in Achsrichtung wirkende Schwerkraft eine gewisse Auslenkung des Rotors in senkrechter Richtung erfolgt ist, die jedoch übertrieben dargestellt ist.

Die in Fig. 5 dargestellte Abwandlung betrifft lediglich den Rotor, währemd die Lagereinheit 17 identisch mit der nach Jig. 1 übereinstimmt. Es sind auch gleiche Bezugszeichen verwendet. Es ist zu erkennen, daß hier die beiden Abschnitte 14-!/ 15* im f erromagne ti sehen Material des Rotors keine äußeren Endflächen mehr haben, die noch im Bereich der Magneten 18 liegen. Hier sind also die einzigen zur Axial-Stabilisierung verwendeten Absätze die aufeinander zu gerichteteten Absätze 16. Hier wird man zwar auf etwas axiale Tragkraft verzichten müssen, bei bestimmten von der Rotorbauart her bedingten Ausführungsformen kann es jedoch ein wesentlicher Vorteil sein, daß bis auf die Unterbrechung im Bereich der Absätze 16 die Abschnitte 14'', 15" als durchgehende Rohre ausgebildet sein können. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Ausbildung der ferromagnetischen Abschnitte als Rohre besonders vorteilhaft ist, weil das ferromagnetische Material bei diesen an der Stelle konzentriert ist, wo es gebraucht wird, nämlich im Bereich des Luftspaltes. Außerdem ist es auch von der Festigkeit des ganzen Rotors her vorteilhaft, wenn das ja meist hochfeste ferromagnetische Material, beispielsweise Stahl, sich im äußeren Randbereich befindet. Im Falle der Fig. 3 können beispielsweise die Abschnitte 14'', 15'' die eigentlich tragende Funktion des Rotors 11 " übernehmen und im Bereich der Absätze 16, d. h. der Lücke zwischen den Abschnitten, lediglich durch eine Art Verbindungspfropfen 35 aus nicht ferromagnetische!!! Material verbunden sein, auf den die

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Abschnitte 14'', 15*' aufgeschrumpft oder anderweitig aufgebracht sind.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform entspricht in Bezug auf die Rotorausbildung dem in Fig. 1 links dargestellten Wellenende, wenn auch die Abschnitte 14, 15 bei im übrigen gleicher Ausbildung hier so dargestellt sind, daß ihre Endflächen 29, 30 einen größeren axialen Abstand voneinander haben als die äußeren Flächen der Magneten. Wie erwähnt, hängt diese Ausbildung von den Voraussetzungen und geforderten Eigenschaften des Lagers ab und kann dementsprechend optimiert werden. Die Lagereinheit 17'' ist jedoch etwas abgewandelt. Das Radiallager mit der Spule 23 etc. entspricht jedoch wieder genau dem nach Fig. 1 und ist mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Als Magneten werden wiederum zu beiden Seiten der Radiallagerspule 23 mit Abstand voneinander angeordnete Ringmagneten 13·' mit axialer Magnetisierung verwendet. In dem Zwischenraum zwischen den Magneten 18·^f, der außerhalb der Radiallagerspule 23 noch verbleibt, ist jedoch ein weiterer Ringmagnet 36 oder eine entsprechende Summe von nebeneinander angeordneten Stabmagneten oder Segmenten angeordnet, der eine radiale Magnetisierungsrichtung aufweist. Es ist zu erkennen, daß dadurch das durch die Spule 23 in Richtung auf die Absätze 16 fließende Magnetfeld noch erhöht wird, so daß bei im wesentlichen gleicher Eaugröße die Tragkraft sowohl in axialer als auch, wegen der höheren Vormagnetisierung, in radialer Richtung erhöht werden kann. Eine Grenze wird lediglich durch die magnetische Sättigung des ferromagnetischen Materials der Abschnitte 14, 15 erreicht. Diese sind entsprechend zu bemessen.

Die Ausführung nach Fig. 5 besitzt bei wiederum mit Fig. 1 identischer Ausbildung des linken Rotorteils nur einen

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Permanentmagneten 18", der eine radiale Magnetisierungsrichtung aufweist. Zwischen ihm und den ferromagnetische/! Abschnitten 14, 15 ist eine sehr flach ausgebildete Lagerspule 23' angeordnet, die mit Fühlern und einem Steuergerät wie in Fig. 1 zusammenarbeitet und auch im wesentlichen die gleiche Ausbildung mit Ringkern und darumliegender wendeiförmiger Wicklung besitzt. Auch hier wird im Bereich der zueinander gerichteten Absätze 16 eine Feldlinienverdichtung geschaffen, und es werden zwei magnetische Kreise gebildet, die in den beiden ferromagnetischen Abschnitten in unterschiedlicher axialer Orientierung verlaufen. Hier kann durch entsprechende Rückschlußanordnungen im Stator eine Erhöhung der Wirkung noch erzielt werden. Diese Anordnung ist nicht so wirksam wie die mit den einander entgegengerichteten axial magnetisieren Magnetringen, sie ist jedoch wesentlich einfacher, und auch hier fließt wieder im wesentlichen das ganze 14agnetfeld zur Vormagnetisierung der Radiallagerspule durch diese hindurch.

Die beschriebenen Beispiele beziehen sich jeweils auf eine vollständige Lagereinheit, weil eine solche Verbindung von Axial- und Radiallager viele Vorteile bringt, die a.us dem Zusammenwirken der Einzelelemente und Magnetfelder resultieren. Es sei jedoch bemerkt, daß in dem Falle, daß an der entsprechenden Stelle überhaupt kein oder kein magnetisches Radiallager erwünscht ist oder das Radiallager aus irgendwelchen funktionellen oder baulichen Gründen räumlich getrennt von dem Axiallager angeordnet werden soll, auch die beschriebene Axiallagerung allein wesentliche Vorteile gegenüber der bekannten bietet. Es lassen sich unter gewissen Voraussetzungen auch die Funktionen von Radiallager und Axiallager vertauschen, obwohl auch hier die Vorteile wesentlich zugunsten der Anordnung mit passivem Axiallager und aktivem Radiallager sprechen.

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In Pig. 6 ist ein Axiallager dargestellt, das bezüglich der Rotorgestaltung im wesentlichen wie das nach Fig. aufgebaut ist. Gleiche Teile tragen daher gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 3. Desgleichen sind zwei Permanentmagnetringe l8 in gleicher Ausbildung, Magnetisierungsrichtung und Anordnung wie in Fig. vorhanden. Zwischen den beiden Permanentmagnetringen ist ein ringförmiger ferromagnetischer Kern 40 angeordnet , der den gesamten Abstand zwischen den beiden Magneten l8 überbrückt. Angrenzend an diesen ringförmigen Kern 40 ist eine Ringspule 4l zwischen den Magneten 18 angeordnet, und zwar im vorliegenden Beispiel innerhalb des ferromagnetischen Kerns 40. Im Gegensatz zu den Radiallager-Ringspulen 23, deren magnetische Wirkungsrichtung in den ferromagnetischen Teilen die Umfangsrichtung ist, ist hier die magnetische Wirkungsrichtung die Axialrichtung des Rotors. Die Spule besteht daher im dargestellten Beispiel aus in Rotor-Umfangsrichtung gewickelten Drähten.

Wenn diese Spule mit einem ungeregelten oder geregelten Gleichstrom beaufschlagt wird, so erzeugt sie einen magnetischen Kreis 43» der durch den ferromagnetischen Kern 40 und durch die Rotorabschnitte 14" und 15'' hindurch verläuft.

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Dieser elektromagnetische Kreis läßt in Verbindung mit den zwei permanentmagnetischen Kreisen, die in diesem Falle von den Magneten l8 gebildet werden, axiale Kräfte auf den Rotor wirksam werden. Diese entstehen durch Addition und Subtraktion der magnetischen Felder an den verschiedenen Rotorteiien. Ihre. Größe ist abhängig von dem durch die Spule 4l fließenden Strom.

Es ist möglich, diese Spule 41 sowohl zur Steuerung als auch zur Regelung der axialen Rotorlage bzw. der Lagersteifigkeit einzusetzen. Eine Steuerung würde in diesem Falle eine Beeinflussung bzw. Justierung durch bleibende Einstellung des durch die Spule 41 fließenden Stromes bedeuten, während eine Regelung die Beaufschlagung der Spule 41 mit einem Gleichstrom veränderlicher Größe in Abhängigkeit von der jeweiligen Änderung der Rotorlage bedeuten könnte. Eine solche Möglichkeit ist in Fig. 7 angedeutet. Ein mit einem Bund 44 am Rotor zusammenwirkender Fühler 45 gibt seine Signale an ein Steuergerät 46 ab, das an eine äußere Stromquelle angeschlossen ist und Ausgangssignale nach entsprechender Verstärkung bzw. Umsetzung der Fühlersignale an die Spule 4l abgibt. Man hat hier den gesamten Regelbereich zur Verfügung^ d.h. die Spule kann durch Beaufschlagung in unterschiedlichen Stromflußrichtungen magnetische Felder nicht nur unterschiedlicher Größe, sondern auch unterschiedlicher Orientierung erzeugen. Es wird damit eine besonders vorteilhafte Regel- bzw. Beeinflussungsmöglichkeit der axialen Lage und Steifigkeit des Axiallagers geschaffen.

Im vorliegenden Beispiel ist in Verbindung mit dem Axiallager kein Radiallager dargestellt. Der ferromagnetische Kern 40 kann jedoch der Spulenkern eines Radiallagers ein, das beispielsweise als vierpoliger Drehfeldstator ausgebildet sein kann.

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Die dargestellte Rotorausführung ist von Vorteil, wenn der Stromfluß der Spule 41 eine axiale Verschiebung hervorrufen soll.

Soll hingegen der Rotor in einer festgelegten Position ge- · halten werden, so nutzt man vorteilhaft auch die axial stabilisierenden Kraftwirkungen der beiden anderen,äußeren Absätze 29, 30, wie sie in Fig. 7 dargestellt sind. Der Rotor nach Fig. 7 ist aufgebaut wie derjenige nach den Fig. 1, 4 oder 5· Auch hier tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Bezüglich der Permanentmagneten 18, ihrer Anordnung, ihrer Magnetisierungsrichtung etc. liegen ebenfalls gleiche Verhältnisse vor wie beispielsweise in Fig. 1. Zwischen ihnen ist auch ein Radiallager 19 * angeordnet, das einen ringförmigen ferromagnetischen Kern 24· und eine diesen umgebende Ringwicklung 25' besitzt. Diese toroidförmig gewickelte Ringwicklung umfaßt jedoch auch eine Ringspule 41', die auf der Innenseite angrenzend an den ferromagnetischen Kern 24' angeordnet ist und in ihrer Wicklungs- und Wirkrichtung mit der Spule 4l nach Fig. 6 übereinstimmt. Diese Spule 41 ist ebenfalls an ein Regelgerät 46 angeschlossen, das zur Verarbeitung von Fühlersignalen aus einem Fühler 45 ausgebildet ist, der in diesem Falle mit der äußeren Schulter 30 des Abschnittes 15 zusammenarbeitet und somit die axiale Lage des Rotas abfühlt.

Die Funktion ist gleich wie die in Fig. 6, d.h. es wird durch die Spule 41· auch ein dritter magnetischer Kreis gebildet, der die zur Axiallagerung wirksamen permanentmagnetischen Kreise der Magneten 18 beeinflußt. Zusätzlich wird das magnetische Gesamtfeld von dem Magnetfeld der Radiallagerspule 19' überlagert. Hier wird eine besonders kompakte kombinierte Radial- und Axiallagerung geschaffen, bei der nicht nur die radialen Freiheitsgrade, sondern auch ein axialer Freiheitsgrad geregelt werden kann. Es ist auch möglich,

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die Spule ^l' nicht ins Innere der toroidformigen Wicklung 25' zu legen j sondern sie bei einer Radiallagerspule, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, außerhalb der Wicklung 25 zu legen, indem man beispielsweise eine in radialer Richtung flache Spule ins Innere der Radiallagerspule hineinschiebt.

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Claims

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Ansprüche

Λ j Magnetisches Lagerelement, insbesondere Axiallagerung, mit wenigstens einem an einem Teil der Lagerung angeordneten Magneten mit im wesentlichen konstantem Magnetfeld, der mit ferromagnetischem Material am anderen Lagerungsteil zusammenarbeitet und eine in der Richtung des festzulegenden Freiheitsgrades stabilisierende und in einer dazu senkrechten Richtung destabilisierende Wirkung auf die Lagerung ausübt, wobei sein Magnetfeld in dem ferromagnetischen Material im wesentlichen in Richtung des festzulegenden Freiheitsgrades verläuft una an Absätzen im ferromagnetischen Material ein- bzw. austritt, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material durch zwei zueinander gekehrte, in Abstand voneinander befindliche Absätze (16), die im Bereich des Magnetfeldes liegen, in wenigstens zwei Abschnitte (14, 15; 14¹, 15¹; 14'·, 15'') aufgeteilt ist, die von zwei entgegengesetzt orientierten magnetischen Kreisen C27, 28) durchflossen sind.
2. Lagerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (14, 15; 14', 15'; 14'', 15") voneinander abgekehrte äußere Endflächen (29, 30) haben, die im Bereich des Magnetfeldes des wenigstens einen Magneten (18, 18', 18'', 18^!l1) liegen.

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3. Lagerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absätze (16) zwischen den beiden ferromagnetisehen Abschnitten (14, 15; 14', 15'j 14'', 15¹¹) als eine Lücke zwischen zwei ferromagnetische^ an dem als Rotor (11, 11') ausgebildeten anderen Lagerungsteil angeordneten Kreisringen bzw. -scheiben ausgebildet sind.
4. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magneten (18, 18', 18' ') vorgesehen sind, die in Richtung des festzulegenden Iteiheitsgrades hintereinander mit in dieser Richtung verlaufender, jedoch einander entgegengesetzt gerichteter Magnetisierungsorientierung in Abstand (26, 26') voneinander angeordnet sind und daß die Absätze (16) zwischen den ferromagnetischen Abschnitten (14, 15; 14', 15'; 14", 15") im Beraich des Abstandes (26) zwischen den Magneten (18, 18', 18'') liegen.
5· Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Magnetfeld des bzw. der Magneten (18, 18', 18", 18¹¹') die Lagerspule (23, 23') eines aktiv geregelten, elektromagnetischen Querlagers. (19) angeordnet ist und von beiden magnetischen Kreisen (27₅ 28) durchflossen ist.
6. Lagerelement nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerspule (23, 23') in magnetischer ELußrichtung zwischen dem bzw. den Magneten (18, 18', 18", 18'") und den an die Absätze (16) zwischen den ferromagnetischen Abschnitten (14, 15; 14', 15'; 14", 15") angrenzenden Bereichen derselben liegt.

EG9846/011

NACHGEREiCHT

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7. Lagerelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerspule (23, 23') in dem zwischen beiden Magneten (18, 18', 18") gebildeten Abstand (26) liegt.
8. Lagerelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerspule (23, 23') einen ferromagnetischen Kern (24) besitzt, der zur magnetischen Flußleitung für beide magnetische Kreise (27, 28) angeordnet ist.
9. Lagerelement nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Lagerspule (23)nicht größer ist als der Innendurchmesser der Magneten (18).
10. Lagerelement nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (14, 15; 14', 15^f; · 14«·, 15^I!) eine größere axiale Erstreckung haben als die Magneten (18, 18», 18'*).
11. Lagerelement nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (14, 15; 14', 15¹) gegenüber den Magneten zur Mitte hin versetzt angeordnet sind.
12. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter magnetischer Kreis (M3) durch eine Elektromagnet-Spule (Ml, Ml') gebildet wird, die im Bereich der Absätze (16) angeordnet ist.

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24208H

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13· Lagerelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnet-Spule (41, 41') eine axiale Wirkungsrichtung hat.
14. Lagerelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnet-Spule (¹Il, ¹Il') zwischen zwei in axialem Abstand voneinander angeordneten Permanentmagneten (18) angeordnet ist.
15. Lagerelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnet-Spule (41) einen ferromagnetischen Kern(40) besitzt, der zwischen beiden Magneten (l8) angeordnet ist.
16. Lagerelement nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnet-Spule (41') in das Radiallager (19*) mit einbezogen ist.
17. Lagerelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnet-Spule (41¹) von den Wicklungen (25¹) des Radiallagers (19') umschlossen ist.

5 U y ο η υ / ü ι Ί 1