DE2420814B2

DE2420814B2 - Magnetlager mit einem Lagerelement zur Festlegung eines translatorischen Freiheitsgrades

Info

Publication number: DE2420814B2
Application number: DE2420814A
Authority: DE
Inventors: Karl 7991 Oberteuringen Boden; Werner 3054 Rodenberg Geweke
Original assignee: PADANA AG ZUG (SCHWEIZ)
Current assignee: PADANA AG ZUG (SCHWEIZ)
Priority date: 1974-04-30
Filing date: 1974-04-30
Publication date: 1980-02-07
Also published as: US4037886A; CH587423A5; GB1504757A; JPS5833935B2; DE2420814C3; JPS5129650A; DE2420814A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetlager mit einem Lagerelement zur Festlegung eines translatorischen Freiheitsgrades nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der deutschen Offenlegungsschrift 22 13 522 ist ein derartiges Magnetlager beschrieben. Es dient zur Lagerung eines Rotors in einem Stator, bei dem die Radiallagerung durch ein über Fühler, ein gleichstromgespeistes Steuergerät und Lagerspulen aktiv geregeltes Querlager 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 des Rotors zusammenwirkt.

Diese Art eines Magnetlagers arbeitet sehr gut und ist für viele Zwecke vollauf zufriedenstellend. Für einige Anwendungsgebiete ist es jedoch erforderlich, sehr große axiale Lagersteifigkei ten zu verwirklichen, d. h. die vom Lager einer axialen Auslenkung entgegengesetzte Kraft je Auslenkungseinheit soll sehr groß sein. Auch bei anderen Magnetlagern ist häufig eine hohe Lagersteifigkeit erwünscht.

Aus der DE-OS 22 13 465 ist ein Radtallager bekanntgeworden, bei dem einer einen Rotor umgreifenden Ringspule ein radial magnetisierter Permanentmagnetring zur Vormagnetisierung zugeordnet ist. Dieses Radiallager wirkt auf einen glatt durchgehenden ferromagnetischen Rotor ein und trägt nicht zur Axiallagerung des Rotors bei.

Es ist ferner in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 23 12 001 ein Radiallager vorgeschlagen worden, bei dem ein den Rotor umgreifender Permanentmagnetring Magnetkräfte zur Aufnahme von stationären Querkräften liefert. Diese können, beispielsweise im Zusammenwirken mit einem Bund im ferromagnetischen Material des Rotors auch zur Axiallagerung herangezogen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Magnetlager der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß mit geringem Aufwand an Magnet- und ferromagnetischem Material auf einfache Weise hohe Lagersteifigkeiten bzw. eine

Erhöhung der axialen Lagerkräfte erzielt werden.

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

Das Magnetlager arbeitet besonders vorteilhaft, wenn die durch äußere Endflächen begrenzten Ab- s schnitte die Außenabmessungen des wenigstens einen Magneten nicht wesentlich überschreiten.

Obwohl es möglich ist, die Erfindung auch bei einem Linearlager, d.h. einem Lager von nicht zueinander drehbaren Teilen, einzusetzen, wird es jedoch in den meisten Fällen und besonders vorteilhaft bei als Lagern zueinander drehbarer Teile verwendet werden. Daher wird in der folgenden Beschreibung von den zu lagernden Teilen als von Rotor und Stator gesprochen. Das Lager eignet sich auch besonders gut für hohe Drehzahlen. Trotzdem ist es auch für 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 ferromagnetisehen, an dem als Rotor ausgebildeten zu lagernden Körper angeordneten zylindrischen Kreisringen ausgebildet sein. Wenn hier von Absätzen oder Lücken im ferromagnetischen Material 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 Magnete 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 können zwischen den Magneten liegen. Bei dieser Ausführungsform tritt eine besonders große Verstärkung der Lagerste'figkeit und Tragkräfte 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 Magneten den Spulenkern eines aktiv geregelten, elektromagnetischen Querlagers anzuordnen, der 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 Vormagnetisierung ausgesetzt sind. Eine hohe Vormagnetisierung mit einem im wesentlichen konstanten Magnetfeld, das aucn permanentmagnetisch erzeugt werden kann, sorgt dafür, -laß 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 konstanten Magnetfeld des Magneten, der vorzugsweise ein Permanentmagnet ist, gesprochen wurde, 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 Elektromagnete oder Kombination von Elektro- und Permanentmagneten eine aktive Nachstellung oder Nachregclung asr axialen Lage des Rotors zu bewirken.

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

Durch die Erfindung wird ein außerordentlich kompaktes Magnetlager geschaffen, das bei geringem Bauvolumen und Materialeinsatz eine in einem Freiheitsgrad nach beiden Orientierungen hin stabile Lagerung mit großer Lagersteifigkeit gewährleistet. Dabei sei bemerkt, daß die Erhöhung der Lagersteifigkeit 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 funktioneMes und die Tragfähigkeit überproportional erhöhendes Zusammenwirken statt.

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. Ls zeigt

Fig. 1 ein berührungsfreies Magnetlager mit z.wei im wesentlichen identischen Lagerelementen, die jeweils aus einem passiven magnetischen Axiallager und einem aktiven, d. h. geregelten elektromagnetischen Querlager bestehen,

F i g. 2 das Magnetlager für einen Rotor, bei der die Lagcrelemente als Innenlager ausgebildet sind,

Fig. 3 die Darstellung eines Lagerelementes, die im wesentlichen der in F i g. 1 entspricht, im Zusammenwirken mit einem anders ausgebildeten Rolorabrchnitt,

F i g. 4 eine geänderte Ausbildung des Lagerelementes,

F i g. 5 eine weitere Variante eines Lagerelementes,

F i g. 6 ein perm ^nentmagnetisches Axiallager mit einer elektromagnetischen Axialregelmöglichkeit und

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

In Fig. 1 ist ein Magnetlager für einen Rotor Il an einem Stator 12 dargestellt. Diese bilden die beiden zueinander zu lagernJen 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 ferromagne'isches Material angeordnet, und zwar in

zwei Abschnitten 14,15, die die Form von Ringen oder Rohrstücken haben, die auf dem Rotor mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die ringförmigen Abschnitte 14, 15 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 16 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 erden sondern es

eist einfache

bereits beschriebene Spule 23 angeordnet, so daß ihr ferromagnetischer Spulenkern 24 zur magnetischen Flußleitung im Bereich zwischen beiden Magneten 18 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

Ό eingenommenen Mittelbereich liegt auch die zwischen den beiden Absätzen 16 der Abschnitte 14,15 gebildete Lücke im ferromagnetischen Material. Durch diese und unterstützt durch die das Feld konzentrierende Wirkung der einander entgegengesetzten Magnetisierungsrieh tungen der Magnete 18 tritt eine starke Feldkonzentra tion im Bereich der Lücke zwischen den Absätzen 16 auf. In den Abschnitten 14, 15 aus ferromagnetischem KAatarla\ e'inA Aia maonpticphpn Plilftrir*htiinc7«in pinan. ......·...... ....... ..... ....._o................ . ..........._v.._o...

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 Lagerelemente 17 angeordnet, die die Abschnitte 14, 15 umgeben. Diese Lagerelemente 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 DE-PS 17 5O'jO2 beschrieben. Sie hestehen aus berührungslosen Wegaufnehmern oder Fühlern 20, die Auslenkungen des Rotors messen und ihre Meßsignale an ein elektronisches Steuergerät 21 abgeben, das an eine äußere Gleichstromquelle 22 angeschlossen ist. das die Meßsignale verstärkt und in ihrer Phnse verschoben als Ausgangsignale in Form eines geregelten Gleichstromes 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 DE-OS 22 13 465 beschrieben ist. Die Ringspule 23 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 Magnete 18, die im dargestellten Beispiel Permanentmagnete 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 IiS ist die der entgegengesetzt und gehören zu zwei in Fig. I strichliert angedeuteten ferromagnetischen Kreisen 27, 28.

Im dargestellten Beispiel haben die Abschnitte 14, 15 eine Länge, die größer ist als die axiale Erstreckung der Magnete 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

JO wieder in die Magnete 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 dieser Auslenkung entgegen. Das Lager hat also eine große axiale Lagersteifigkeit in seiner Axiallagerung.

Hier sei bemerkt, daß das beschriebene Axiallager.

das 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 des beschri benen Lagerelementes 17, daß sie nichi nur eine besonders wirksame Axiallagerung schafft sondern auch dazu beiträgt daß das Radiallager 19 besonders wirkungsvoll arbeitet Es ist schon in der DE-OS 2213 465 beschrieben worden, daß die Vormagnetisierung der Ringspule 23 (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 Ummagnetisierünp- und Wirbelstromver'usten im Rotor führt und auf diesen bremsend einwirken würde (magnetische Lagerreibung). Im dargestellten Beispiel wird ein wesentlicher Teil des zur Axiallage-

rung 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 FluOleitung schafft. Dieser hohen s 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 Regelaus- to schlage 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 zur axialer Auslenkung (Lagersteifigkeit) 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 Abschnitte 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. I zur Aufnahme der hier als Querkraft wirkenden Schwerkraftkomponente 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 «0 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 «5 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 so 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 33. In diese Bohrung, die sozusagen mit den ferromagnetischen Abschnitten 14', 15' ausgekleidet ist, ragen die Lagerelemente 17' hinein, wobei sie beispielsweise an Achsstümpfen 34 angebracht sein können. Das Radiallager 19 einschließlich Fühler, Steuergerät und Spule 23 kann bis auf die Größenverhältnisse identisch mit denen nach F i g. 1 sein. Die Magnete 18' sind im vorliegenden Fall vorzugsweise als axial magnetisierte Scheibenmagnete ausgebildet, um auf kleinem Raum möglichst viel Permanentmagnetmaterial unterbringen zu können. Sie können jedoch auch als Ringmagnete ausgebildet sein. Die Spule 23 ist wiederum mit dem Abstand oder Zwischenraum 26' zwischen den Magneten 18' untergebracht, und die Wirkungsweise ist die gleiche wie in Fig. I. 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. 3 dargestellte Abwandlung betrifft lediglich den Rotor, während das Lagerelement 17 identisch mit der nach F i g. 1 übereinstimmt. Es sind auch gleiche Bezugszeichen verwendet. Es ist zu erkennen, daß hier die beiden Abschnitte 14", 15" im ferromagnetischen Material des Rotors keine äußeren Endflächen mehr haben, die noch im Bereich der Magnete 18 liegen. Hier sind also die einzigen zur Axial-Stabilisierung verwendeten Absätze die aufeinander zu gerichteten 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 Verbindungspropfen 35 aus nicht ferromagnetischem Material verbunden sein, auf den die Abschnitte 14", 15" aufgeschrumpft oder anderweitig aufgebracht sind.

Die in F i g. 4 dargestellte Ausführungsform entspricht in bezug auf die Rotorausbildung dem in Fig. 1 links dargestellten Wellenende, wenn auch die Ab schnitte 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 Magnete. 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.! und ist mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Als Magnete werden wiederum zu beiden Seiten der Radiallagerspule 23 mit Abstand voneinander angeordnete Ringmagnete 18" mit axialer Magnetisierung verwendet. In dem Zwischenraum zwischen den Magneten 18", 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 Baugröße 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 F i g. 5 besitzt bei wiederum mit Fig. I identischer Ausbildung des linken Rotorteils nur einen Permanentmagneten 18", der eine radiale Magnetisierungsrichtung aufweist. Zwischen ihm und den ferromagnetischen Abschnitten 14, 15 ist eine sehr flach ausgebildete Lagerspule 23' angeordnet, die mit Fühlern und .inem Steuergerät wie in F ί g. I 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 magnetisierten Magnetringen, sie ist jedoch wesentlich einfacher, und auch hier fließt wieder im wesentlichen das ganze Magnetfeld zur Vormagnetisierung der Radiallagerspule durch diese hindurch.

Die beschriebenen Beispiele beziehen sich jeweils auf ein vollständiges Lager, weil eine solche Verbindung von Axial- und Radiallager viele Vorteile bringt, die aus dem Zusammenwirken der Einzelelemente und Magnetfelder resultieren. F.s 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.

In Fig.6 ist ein Axiallager dargestellt, das bezüglich der Rotorgestaltung im wesentlichen wie das nach F i g. 3 aufgebaut ist. Gleiche Teile tragen daher gleiche Bezugszeichen wie in F i g. 3. Desgleichen sind zwei Permanentmagnetringe 18 in gleicher Ausbildung, Magnetisierungsrichtung und Anordnung wie in Fig. 3 vorhanden. Zwischen den beiden Permanentmagnetringen ist ein ringförmiger ferromagnetischer Kern 40 angeordnet, der den gesamten Abstand zwischen den beiden Magneten 18 überbrückt. Angrenzend an diesen ringförmigen Kern 40 ist eine Ringspule 4! 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

Dieser elektromagnetische Kreis läßt in Verbindung mit den zwei permanentmagnetischen Kreisen, die in diesem Falle von den Magneten 18 gebildtl werden, axiale Kräfte auf den Rotor wirksam werden. Diese entstehen durch Addition und Substraktion der magnetischen Felder an den verschiedenen Rohrteilen. Ihre Größe ist abhängig von dem durch die Spule 41 fließenden Strom.

Es ist möglich, diese Spule 41 sowohl zur Steuerung als auch zur Regelung der axialen P"'orlage bzw. der Lagersteifigkeit einzusetzen. Eine ^l rung würde in diesem Falle eine Beeinflussung bzw. justierung durch bleibende Einstellung des durch die Spule 41 fließenden

to 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. 6 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 Her FTihlprsicrniilp an Hip S"u!e 4! 2b"ib!.

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 ferrormi-

wgnetische Kreis 40 kann jedoch der Spulenkern eines Radiallagers sein, das beispielsweise als vierpoliger Drehfeldstator ausgebildet sein kann.

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 gehalten werden, so nutzt man vorteilhaft auch die axial stabilisierenden Kraftwirkungen der beiden anderen, äußeren Absätze 29,30, wie sie in F i g. 7 dargestellt sind.

Der Rotor nach F i g. 7 ist aufgebaut wie derjenige nach den Fig. I, 4 oder 5. Auch hier tragen gliche Teile gleiche Bezugszeichen. Bezüglich der Permanentmagneten 18, ihrer Anordnung, ihrer Magnetisierungsrichtung etc. liegen ehenfalls gleiche Verhältnisse vor wie

*⁵ beispielsweise in Fig. I. 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 Wicklungsund Wirkrichtung mit der Spule 41 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 Rotors abfühlt.

Die Funktion ist gleich wie die in F i g. 6, d. h. es wird durch die Spule AY 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 Axiaiiagerung geschaffen, bei der nicht nur die radialen Freiheitsgrade, sondern auch ein axialer Freiheitsgrad geregelt werden kann. Es ist auch möglich, die Spule 41'

nicht ins Innere der toroidförmigen Wicklung 25' zu lagen, 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 Mache Spule ins Innere der Radiallagerspule hineinschiebt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetlager mit einem Lagerelement zur Festlegung eines translatorischen Freiheitsgrades eines zu lagernden Körpers, insbesondere zu dessen s Axiallagerung, mit wenigstens einem am Lagerelement angeordneten Magneten, der mit ferromagnetischen Teilen an dem zu lagernden Körper zusammenarbeitet und mit im wesentlichen konstantem Magnetfeld, das eine in zum festzulegenden Freiheitsgrad senkrechter Richtung destabilisierende Wirkung auf den zu lagernden Körper ausübt, wobei der Magnet so angeordnet ist, daß sein Magnetfeld in den ferromagnetischen Teilen im wesentlichen in Richtung des festzulegenden Freiheitsgrades verläuft und an Absätzen dieser Teile ein- bzw. austritt, und wobei der zu lagernde Körper mit einem weiteren Lager, insbesondere einem Querlager, zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Teile durch zwei zueinander gekehrte, in Abstand voneinander befindliche Ansätze (16), die im Bereich des Magnetfeldes liegen, in wenigstens zwei Abschnitte (14,15; 14', 15'; 14", 15") aufgeteilt sind, die von zwei entgegengesetzt orientierten magnetischen Kreisen (27, 28), die sich aus der Feldorientierung des Magneten (18; 18'; 18"; 18") im Zusammenwirken mit den Absätzen (16) ergeben, durchflossen sind.

2. Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da¹) die durch äußere Endflächen (29, 30) begrenzten Abschnitte (14, 15; 14', 15', 14", 15") zusammen die Außer.abme&jngen des wenigstens einen Magneten (Ϊ8,18"; >8"; 18"') nicht wesentlich überschreiten.

3. Magnetlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absätze (16) zwischen den beiden ferromagnetischen Abschnitten (14, 15; 14', 15'; 14", 15") als eine Lücke zwischen zwei ferromagnetischen, an dem als Rotor (11, 11') ausgebildeten zu lagernden Körper angeordneten zylindrischen Kreisringen ausgebildet sind.

4. Magnetlager nach einem der Ansprüche I bis J, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnete (18,18', 18") vorgesehen sind, die in Richtung des festzulegenden Freiheitsgrades 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 Magneten (18, 18', 18") liegen.

5. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Magnetfeld des Magneten (18'") der Spulenkern (24) eines akliv geregelten, elektromagnetischen Querlagers (19) angeordnet ist der von beiden magnetischen Kreisen (27,28) durchflossen ist.

6. Magnetlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (24) eines aktiv geregelten, elektromagnetischen Querlagers (19) in dem zwischen beiden Magneten (18, 18', 18") gebildeten Abstand (26) liegt.

7. Magnetlager nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Spulenkern (24) nicht wesentlich größer ist als der Innendurchmesser der Magnete (18).

8. Magnetlager nach einem der Ansprüche 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Richtung des festzulegenden Freiheitsgrades liegende Symmetrieebene der Abschnitte (14,15; 14', 15') gegenüber den entsprechenden Symmetrieebenen der Magnete (18,18'; 18", 18'") zur Symmetrieebene des Lagers hin verschoben ist.

9. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter magnetischer äCreis (43) durch eine im Bereich der Absätze (16) angeordnete Elektromagnetspule (41, 41') zur Regelungs- oder Steuerungsbeeinflussung der beiden magnetischen Kreise (27,28) gebildet wird.

10. Magnetlager nach Anspruch 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnet-Spule (41, 41') mit ihrem ferromagnetischen Kern (40) zwischen den zwei in axialem Abstand voneinander angeordneten Permanentmagneten (18) angeordnet ist

11. Magnetlager nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnet-Spule (41") so angeordnet ist, daß der ferromagnetische Kern (40) zugleich der Spulenkern (24) des Querlagers (19') ist.