DE2649182A1

DE2649182A1 - Magnetische lagereinrichtung

Info

Publication number: DE2649182A1
Application number: DE19762649182
Authority: DE
Inventors: Frank Lyman
Original assignee: Cambridge Thermionic Corp
Current assignee: Cambridge Thermionic Corp
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1977-05-12
Also published as: FR2329890B1; DE2649182B2; DE2649182C3; CA1056428A; FR2329890A1; US4043614A

Description

Patentanwalts Dipi.-ιng. C u rt Wal Iach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

„£. Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D -8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 28. Oktober I976

Unser Zeichen: 15 6IO - Fk/Ne

Cambridge Thermionic Corporation Cambridge, Massachusetts / USA

Magnetische Lagereinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Lagereinrichtung. .

Magnetische Lagersysteme wurden in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben, beispielsweise in den US-Patentschriften 5 428 371, 3 473 852 und 3 860 300 der gleichen Anmelderin.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte magnetische Lagereinrichtung zu Schaffen, die Vorteile bezüglich der Herstellung bei gleichzeitig verbesserter Kontrolle über das gelagerte Teil ergibt, ohne daß ein übermäßiger Widerstand durch in dem Rotor hervorgerufene Wirbelströme auftritt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der ■Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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Die erfindungsgemäße magnetische Lagereinrichtung ergibt eine große Ruckstellkraft in Abhängigkeit von der Axialkomponente einer Relativbewegung zwischen einem 3tatorteil und dem Rotor teil und sie ergibt eine große Rückstellkraft in Abhängigkeit von irgendeiner relativen Kippbewegung (d.h. einer Abweichung von der parallelen Lage) zwischen dem Statorteil und einem Rotorteil, wobei sich gleichzeitig eine wirkungsvolle und wirksame Steuerung der Kraftkomponenten senkrecht zur Achse des Statorteils ergibt, so daß eine optimale Ausrichtung der Rotorachse gegenüber der Statorachse erzielt wird, us die verschiedenen Bedingunger, zu erfüllen, die auftreten können.

Die magnetische Lagereinrichtung kann damit zur Erzielung eines verbesserten magnetischen Lagersystems verwendet werden, das die oben erwähnten Vorteile ohne einen übermäßigen Widerstand auf Grund von in dem Rotor erzeugten Wirbelströmen ergibt. Ein derartiges magnetisches Lagersystem kann aus mehreren Lagerscheiben bestehen, die jeweils die oben erwähnten Vorteile aufweisen und ein Beispiel für eine Anwendung einer derartigen Anzahl von einzelnen Lagereinrichtungselementen kann beispielsweise für Kreiselbezugsplattformen oder andere Zwecke gegeben werden, bei denen sehr strenge Anforderungen an die Lager gestellt werden. Weiterhin wird eine hohe Lagerwirksamkeit und eine Steuerung der Ausrichtung ohne übermäßige Masse der Lagereinrichtungen erzielt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung werden scheiben- oder plattenförmige geschichtete Lagereinheiten jeweils mit einem relativ großen Durchmesser bezogen auf die Dicke geschaffen, bei denen die magnetischen Spalte, an denen die Lagerkräfte erzeugt werden, bei Radien gebildet werden, die dem maximalen Gesamtradius einer Scheibeneinheit angenähert sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotorteil nicht innerhalb des Statorteils der Lagereinheit angeordnet sondern umgibt diesen Statorteil. In zumindesteinern der beiden Teile einer scheibenförmigen Einheit (in dem Statorteil oder in dem Rotor-

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teil) ist ein axial polarisierter ringförmiger Magnet zwischen zwei Polstücken vorgesehen, die parallele schmale ringförmige Pole aufweisen, die mit zwei schmalen ringförmigen Polen des damit zusammenwirkenden Teils (des Rotorteils oder des Statorteils) der Lagerscheibe zusammenwirken. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein axial polarisierter Permanentmagnet in jedem der beiden Teile (dem Stator und dem Rotor) der Lagereinheit vorgesehen und die axiale Richtung des Rotormagneten ist entgegengesetzt zu der Axialrichtung des Statormagneten. Das Ergebnis ist in jedem Fall ein magnetischer Fluß, der im wesentlichen radial nach außen am kreisringförmigen Spalt an einer Seite der Scheibeneinheit gerichtet ist und ein magnetischer Fluß, der im wesentlichen radial nach innen an dem kreiringförmigen Spalt an der entgegengesetzten Seite der Scheibeneinheit gerichtet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise weggebrochene Draufsicht einer

Ausführungsform der magnetischen Lagereinrichtung mit einer einzigen Stator- und Rοtorscheibe, wie sie beispielsweise in einem magnetischen Lagersystem bei einem Kreiselgerät oder einem anderen Trägheits-Bezugsgerät Verwendung finden kann;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht;

Fig. j5 eine auseinandergezogene Ansicht der Statorscheiben und des Permanentmagneten für eine S ehe ibene inheit;

Fig. 3A eine abgeänderte Ausführungsform der Fig. 3 mit

abgeänderten Wicklungsschlitzen;

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Fig. 4 eine vergrößerte Teilschnittansicht in der

Nähe der Elektromagnet-Wicklungen nach Fig. 2;

Fig. 5 ein Schaltbild der Steuerschaltungen für eine

einzelne Lagerseheibeneinheit;

Fig. 6 eine Ausführungsform einer Stator- und Rotor-Baugruppe j

Fig. 7 eine erläuternde Darstellung eines Vertikalkreisels unter Verwendung der Lagerscheiben und der Steueranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine weitere AusfUhrungsform eines magnetischen

Lagersystems, bei dem der Rotor von dem Stator umgeben ist.

In den Figuren 1, 2 und J ist eine einzelne Lagereinrichtung oder ^agerscheibe eines magnetischen Lagersystems gezeigt, wobei bestimmte Teile schematisch in Fig. J gezeigt sind. Diese magnetische Lagerscheibe besteht im wesentlichen aus zwei gegenüberliegend angeordneten permeablen Polstücken (d.h. Polscheiben) 11 und 12, zwischen denen ein axial polarisierter Permanentmagnet IJ (Fig. J) eingeschichtet ist. Wie es aus den Figuren J und JA zu erkennen ist, kann der Permanentmagnet IJ die allgemeine Form einer dicken Unterlegscheibe aufweisen und er kann aus einem geeigneten Material hergestellt sein, wie z.B. aus einer der Alnico-Legierungen oder vorzugsweise aus Samariumkobalt. Die scheibenförmigen Hohlstücke 11 und 12 weisen einen größeren Außendurchmesser auf als der zwischen diesen eingeschichtete Magnet IJ und die Polstücke 11 und 12 sind so angeordnet, daß sie sich in Radialrichtung über den Magneten IJ hinaus erstrecken, um Platz für die Segment wicklungen in ihren Umfangsbereichen zu schaffen.

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Bei der in Fig. J5 dargestellten Ausführungsform sind Wicklungsschlitze 15, 16, 17 und 18 unter 90°-Intervallen am Umfang des Polstückes 11 vorgesehen und entsprechende Schlitze 15', I6¹, 17^f und 18' sind um den Umfang des Polstückes 12 herum vorgesehen.

In Fig. 3 ist die Lage von vier Segmentwicklungen für das Polstück 11 angedeutet. Die Lage eines Paars von gegenüberliegenden Wicklungen A und C ist am oberen und unteren Ende in Fig. j5 angedeutet, während die Lage für das andere Paar von gegenüberliegenden Wicklungen B und D rechts bzw. links gezeigt ist. In ähnlicher Weise ist das Polstück 12 so ausgebildet, daß es Segmentwicklungen bei A¹ und C' sowie ein weiteres Paar von gegenüberliegenden Segmentwicklungen bei B¹ und D' aufnimmt .

Nach dem Zusammenbau der Polstücke 11 und 12 und des dazwischenliegenden axialpolarisierten Permanentmagneten Ij5 können die Segmentwicklungen auf die Polstücke aufgebracht werden, wie dies im Querschnitt in Fig. 4 dargestellt ist. Bei dieser Teilschnittansicht, die durch das obere Segment in der Draufsicht gemäß Fig. 1 gelegt ist, sind die scheibenförmigen Polstücke 11 und 12 mit dem dazwischenliegenden Permanentmagneten 13 gezeigt. Isolierringe 21 und 22 sind an den äußeren Stirnflächen der Polstücke 11 bzw. 12 befestigt und koaxial mit dem Permanentmagneten Ij5 ausgerichtet, so daß sie eine Basis für den äußeren Teil der Wicklungen A bzw. A' bilden. Weitere Isoliermaterialstücke 23, 24 und 25 und zylindrische Isolierstücke 26, 27 und 28 sind zur Abstützung der Wicklungen A und A' ( und der entsprechenden Wicklungen in den anderen Segmenten der geschichteten Anordnung) in den dafür bestimmten Lagen vorgesehen.

Die Schlitze I5, 16, I7 und 18 und die entsprechenden Schlitze 15¹, 16', 17' und 18' in den Polscheiben 11 und 12 können irgendeine gewünschte Form aufweisen, wie z*B. eine rechtwinklige Form oder eine kreisförmige Form. Die Segmentwicklungen A und A' ge-

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maß Fig. 4 können in Serie geschaltet sein, wobei die Stromrichtung so ist, wie dies durch die Punkte und die Pluszeichen in Fig. 4 angedeutet ist. Jede dieser Wicklungen induziert in dem jeweiligen Quadrantensegment des Stators eine Magnetisierungskraft, die in Abhängigkeit von der Richtung des Stromflusses durch diese Wicklung den radial gerichteten Magnetfluß, der in den Umfangsteilen der Polstücke 11 und 12 durch den Permanentmagneten 13 induziert wird, entweder verstärkt oder diesem entgegenwirkt.

In den Figuren 1, 2 und 4 ist weiterhin der Rotorteil gezeigt, der dem geschichteten Statorteil aus den Scheiben 11 und 12 zugeordnet ist. Der Rotor weist einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf, der vorzugsweise durch die Übereinanderschichtung eines in Axialrichtung polarisierten Permanentmagneten ?1 in Form eines Ringes zwischen gegenüberliegenden dünnen Polstüeken 32 und 33 gebildet ist.

Wenn der Permanentmagnet I3 des Stators seinen Nordpol auf der linken Stirnfläche liegt, während sein Südpol auf der rechten Stirnfläche aufweist, wie dies in den Figuren 3, pA und 4 gezeigt ist, so sollte der Permanentmagnet 31 die entgegengesetzte Polarisierung aufweisen, d.h. der Südpol sollte links angeordnet sein während der Nordpol sich auf der rechten Seite gemäß den Figuren 3 und 4 befindet. 3ei dieser Polarisation liegen Nord- und Südpole einander über jeden der beiden sehr schmalen Spalte gegenüber, so daß eine Anziehungskraft erzeugt wird, die bestrebt ist, jeden Teil des Rotorelementes in Richtung auf die Achse des Stators zu ziehen. Wie es in den Figuren 1 und 3 gezeigt ist, weisen die Polscheiben 11 und 12 im wesentlichen kreisförmige Schlitze bei 90°-Intervallen für die Segmentwicklungen auf .Wenn dies bevorzugt v:ird, können die Schlitze für diesen Zweck mit einer allgemein rechtwinkligen Form eingefräst oder eingestanzt werden, um die Wicklungen aufzunehmen, wie dies in Fig. Jh bei 35* 36, 37 und 38 in der Scheibe 11' und bei 35', 36', 37' und 38' in der Scheibe 12' gezeigt ist. In jedem Fall sollte der Spalt am Umfang der

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Polscheibe sehr schmal sein, um die Flußänderung so weit wie möglich zu verringern, die irgendein Teilabschnitt des Rotors erfährt, wenn er an dem Wicklungsspalt vorbeiläuft, so daß auf diese Weise resultierende in dem Rotor induzierte Wirbelströme so vjeit wie möglich verringert werden.

Meßfühler-(Wandler-)Einrichtungen und ein elektrisches Steuersystem unter Einschluß von Verstärkerstufen sind zur Regelung der relativen Stärke der Hagnetfeldanteile vorgesehen, die durch die Segmentwicklungen in den Quadrantenteilen der Polscheiben induziert werden, auf denen sie sich befinden. Bei Betrachtung beispielsweise der Figuren 1 und 4 ist zu erkennen, daß bei einer Bewegung des Rotors nach oben aus der konzentrischen Anordnung mit der Statoranordnung es erforderlich ist, die Stärke der Umfangsmagnetpole an der oberen Segmentposition zu erhöhen oder die Stärke der Umfangsmagnetpole in dem entgegengesetzten Segment zu schwächen, oder beides. Dies wird dadurch erreicht, daß solche Ströme durch die Segmentwicklungen A und A^f geleitet werden, die in Richtung einer Verstärkung des nordgerichteten Feldes an dem oberen Umfangsteil der Scheibe 11 und einer Vergrößerung der südpolarisierten Feldstärke im Umfangsteil am oberen Bereich der Scheibe 12 wirken, so daß die Anziehungskräfte zwischen diesen Nord- und Südpolkantenbereichen und den gegenüberliegenden Süd- und Nordpolte ilen des Rotorelementes vergrößert werden, so daß eine Verstärkung der Anziehungskräfte in dem oberen Bereich des Stators erzielt wird. Die Schwächung der Anzeihungskräfte in dem gegenüberliegenden Segment des Stators wird dadurch erreicht, daß die Segmentwicklungen C und C' in einer Richtung erregt werden, die im Sinne einer Polarisierung des unteren Umfangsteils der Scheibe 11 mit einem Südpol und einer Polarisierung des unteren Bereiches der Scheibe 12 mit einem Noräpol wirkt, so daß die resultierende Wirkung in einer Verringerung der Anziehungskräfte besteht, die zwischen den unteren Quadrantensegmenten der Scheiben 11 und 12 und den benachbarten Teilen des Rotorelementes ausgeübt werden«, Wie es weiter

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oben erwähnt wurde, können beide Erregungsarten der unteren und oberen Segmentwicklungen gleichzeitig verwendet werden, so daß sie beide einen Beitrag zur Überwindung einer unerwünschten Bewegung des Rotorteils in Translationsrichtung liefern.

Wie dies gut bekannt ist, können verschiedene Ausführungsformen von Positionsmeßfühlern zur Erzeugung der Signale zur Steuerung der Verstärkereinrichtungen verwendet werden, die ihrerseits die Erregung der Segmentwicklungsteile steuern. Fig. 4 zeigt als ein Wandler-Beispiel die Verwendung einer Lampe 4l mit einem Reflektor 42 und einer Photozelle 43, die so angeordnet ist, daß sie ein größeres elektrisches Ausgangssignal erzeugt, wenn sich der Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor im Bereich dieses Meßfühlers (Wandlers) vergrößert während ein verringertes Ausgangssignal erzeugt wird, wenn der Abstand in diesem Bereich kleiner wird. Ein Satz von vier derartigen Meßfühlern ist vorgesehen, wobei der Reflektor der zweiten und dritten Meßfühler bei 46 bzw. 47 in Pig« I sichtbar ist.

Die Schaltungsanordnung zur Steuerung der Erregung der einander jeweils gegenüberliegenden Sektorwicklungen der Lagerscheibe nach den Figuren 1, 2, 3 und 4 ist in Fig. 5 dargestellt. Die Photozelle 43 nach Fig. 4 ist schematisch am oberen linken Teil der Fig. 5 bei 43 gezeigt, während die direkt hinter dem Reflektor 47 und der zugehörigen Lampe angeordnete Photozelle bei 48 gezeigt ist. Die weiteren Photozellen-Symbole 49 und stellen jeweils die dem Reflektor 46 nach Fig. 1 zugeordnete Photozelle sowie die Photozelle dar, die diametral entgegengesetzt zu dieser Photozelle im Teil der Lagerscheibe angeordnet ist, der in Fig. 1 fortgebrochen gezeigt ist.

Die Photozellen 43 und 48 liefern Ausgangespannungen, die sich in entgegengesetzter Richtung ändern, wenn sich der Rotorteil

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31, 32, 33 nach oben oder nach unten aus seiner konzentrischen Lage bezüglich des Stators der Lagerscheibeneinheit bewegt. Wenn sich somit der Rotor nach oben bewegt, wird die auf die Photozelle 43 auftreffende Lichtmenge größer während die auf die Photozelle 48 auftreffende Lichtmenge verringert wird und die Ausgangsspannungen, die längs der Widerstände 51 und 52 erzeugt werden, werden differentiell geändert (sie nehmen eine unterschiedlichere Größe an) wenn die Bewegung oder die Verschiebung vergrößert wird.

Es sind Serienkondensatorelernente 53 und 54 sowie Lastwiderstände 55 und 56 zusammen mit parallel zu den Kondensatoren geschalteten Widerständen 57 und 58 vorgesehen. Die längs der Widerstände 55 und 56 erzeugten Signalspannungen weisen daher sowohl durch die Widerstands-Spannungsteilerwirkung erzeugte Verschiebungskomponenten als auch vergrößerte Bewegungsgeschwindigkeits-Komponenten auf, die durch die Kondensatoren 53 und hervorgerufen werden (die jeweils durch die Widerstände 57 und 58 überbrückt sind). Entsprechend werden an den Eingängen der Verstärker 6l und 62 Eingangssignalpegel erzeugt, die symmetrisch sind,wenn der Rotor konzentrisch angeordnet ist und die fortschreitend mehr unsymmetrisch werden, wenn sich.der Rotor gegenüber der Symmetriestellung nach Pig. 1 nach oben oder nach unten bewegt. Der Ausgang der gegenüberliegenden Differenzverstärker 6l und 62, der längs der Ausgangs-Lastwiderstände 63 und 64 erzeugt wird, wird dem Eingangsschaltungs-Integratorverstärker 65 zugeführt, dessen Ausgang eine Integratoreinheit 66 ansteuert. Die Integratoreinheit 66 kann die Form eines integrierenden Gegenkopplungsverstärkers aufweisen oder es kann eine kleine Motoreinheit mit einem untersetzten Antrieb für einen Potentiometerausgang verwendet werden oder es kann irgendeine andere bekannte Form eines Integrators verwendet werden, der so angeordnet ist, daß er ein Signal liefert, das graduell in einer Richtung vergrößert wird, wenn der Ausgang der Photozelle 43 länger größer als der Ausgang der Photozelle 48 ist, während es sich graduell in der entgegengesetzten Richtung vergrößert, wenn der Ausgang der Photozelle 48 längere Zeit

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größer als der Ausgang der Photozelle 43 1st.

Wie dies in der US-Patentsohrift 3 86o 300 der gleichen Anmelderin beschrieben ist, ist das Lagersystem auf Grund der Einfügung der Integrator-Ausgangskomponente zusätzlich zu dem resultierenden Ausgangssignal, das längs der Widerstände 55 und 56 erzeugt wird, und die "Verschiebung und die Ä'nderungsgeschwindigkeit der Verschiebung darstellt, in der Lage, das Rotorelement ausgehend von einer normalerweise konzentrischen Position bezüglich des Stators in eine Position einzustellen, die so verschoben ist, daß das Kraftungleichgewicht, das durch die Permanentmagneteinheit hervorgerufen wird, ausgeglichen wird oder daß irgendeine vorhandene Beschleunigungskraft ausgeglichen wird, wie z.B. die Kraft des Erd-Schwerkraftsfeldes. Wenn beispielsweise die Lagereinheit nach den Figuren 1 und 2 in der Nähe der Erde verwendet wird undjnormalerweise so angeordnet ist, daß sich die Drehachse in Horizontalrichtung erstreckt, wobei der Meßfühler, der den Reflektor 42 einschließt, sich an der Oberseite der Einheit befindet, so versucht die Gravitationskraft der Erde, den Rotor 3I, 32, y^ nach unten aus der Position zu verschieben, in der er konzentrisch zum Stator angeordnet ist. Bei Fehlen eines Signalbeitrages von dem Integrator 66 würde hierdurch das aus den Verstärkern 6l, 62 und 71 j 72 bestehende System so angesteuert, daß ein Erregungsstrom durch die oberen Wicklungen A, A' und die unteren Wicklungen C, C¹ in einer derartigen Richtung geliefert würde, daß die Feldstärke in dem oberen Sektor des Stators verringert würde, während die Feldstärke in dem unteren Sektor vergrößert würde. Eine derartige elektrische Erregung mußte in einem Gleichgewichtszustand aufrechterhalten werden, der von den Verstärkungen der Verstärker und den Ausgangssignalstärken der Photozellen 43 und 48 abhängt, wobei die verringerte Erregung der Photozelle 43 und die vergrößerte Erregung der Photozelle 48 bewirken würde, daß der Ausgang der letzteren um einen Betrag überwiegt, der gerade ausreicht, damit die Vergrößerung der Feldstärke in dem unteren Sektor und die Verringerung der

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Feldstärke In dem oberen Sektor insgesamt die auf den Rotor Jl, 52, 35 wirkende Schwerkraft ausgleichen. Es wäre eine beträchtliche elektrische Leistung erforderlich, weil die elektromagnetischen Komponenten, die von den Spulen A, A¹ und C, C¹ erzeugt werden, nicht nur die vorhandene Kraft (in dem Beispiel die Schwerkraft) überwinden müßten sondern weil der verengte Spalt in der Nähe der Oberseite der Lagereinheit und der vergrößerte Spalt an der Unterseite der Lagereinheit außerdem in nachteiliger Weise die Feldbeiträge auf Grund der Permanentmagnete unsymmetrisch machen würden.

Wenn der Verstärker 65 und der Integrator 66 in die Schaltung eingeschaltet sind, liefert der Integrator 66 einen graduell anwachsenden Ausgang in einer in Serie geschalteten addierenden Richtung, so daß der resultierende Ausgang, der längs der Widerstände 55 und 56besteht, vergrößert wird. Wenn daher ein resultierender Ausgang mit einem vorgegebenen Vorzeichen längs der Widerstände 55 und 56 andauert, wird zu diesem resultierenden Ausgang graduell ein weiterer sich in Reihe addierender Ausgang hinzuaddiert, der von dem Integrator 66 stammt und die Größe dieses Ausganges ist proportional zum Integral der Zeit, während der der Ausgang mit der vorgegebenen Richtung längs der Widerstände 55 und 56 angedauert hat. Entsprechend ergeben die Verstärker 71 und 72 eine noch weiter verstärkte Aktivierung der Wicklungen A, A' und C, C' in einer Richtung, die den Rotor in die konzentrische Lage bezüglich des Stators zurückbringt und diesen über diese Position hinaus in eine Position bewegt, in der er in der entgegengesetzten Richtung aus der konzentrischen Position um einen Betrag herausbewegt ist, der ausreicht, damit die resultierenden unsymmetrischen Beiträge der Permanentmagneten und die hierdurch am Umfang des Stators induzierte Feldstärke die andauernde Beschleunigungskraft (wie z.B. die nach unten gerichtete Schwerkraft) kompensieren. Wenn dieser Zustand erreicht ist, ist der resultierende Ausgang längs der Widerstände 55 und 56» der die vertikale Verschiebungskomponente bezüglich des Rotors darstellt, gleich und entgegengesetzt zum Ausgang des Inte-

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grators 66, so daß die differentiellen Ansteuerungen der Verstärker 61 und 62 praktisch auf 0 verringert wurden, wobei die differentielle Erregung der Leistungsverstärker 71 und in gleicher Weise praktisch auf 0 verringert wurde.

Das auf die Photozellen 4-9 und 50 ansprechende Steuersystem zur differentiellen Steuerung der Erregung der Wicklungen D, D' und der Wicklungen B, B' ist in gleicher Weise wie die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung für die Steuerung der Wicklungen A, A' und der Wicklungen C, C¹ aufgebaut. Die in Pig. 5 gezeigten Schaltungsanordnungen reichen zur Steuerung der eine einzige Scheibe aufweisenden Lagereinheit aus, wie sie beispielsweise in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist.

Auf Grund der Tatsache, daß der Lagerspalt zwischen dem Stator und dem Rotor bei dem großen aus den Figuren 1 und 2 erkennbaren Durchmesser liegt, ist die Positions-Stabilisierungsstärke und die Stabilität der magnetischen Lagerung für die Lagereinheit so groß wie möglich. Auf Grund der dünnen Polstücke 11 und 12 in dem Stator, die sehr schmale Umfangsringoberflächen bilden, die sehr schmalen Ringflächen der Rotorpolstücke gegenüberliegen, wirkt weiterhin jeder Neigung des Rotors, sich in einer Axialrichtung gegenüber dem Stator zu verschieben, die resultierende Störung des Magnetfeldes sehr stark entgegen. Daher ergibt das Lagersystem eine Steifigkeit gegen eine Bewegung in Axialrichtung zusammen mit der Stabilität gegenüber einer Verschiebung in Richtungen, die zueinander senkrecht und senkrecht zur Achse des Stators sind.

Die hier beschriebene Lagereinheit ist im wesentlichen frei von größeren Wirbelstromwiderständen, so daß sie eine Drehung mit relativ hoher Drehzahl ermöglicht. Der Wirbelstromwiderstand weist ein Minimum auf,wenn die magnetische Feldstärke an irgendeinem Punkt um den Umfang des Stators und des Rotors (die Feldstärke längs des Spaltes zwischen diesen Teilen) im wesentlichen gleich der Feldstärke an irgendeiner anderen Stelle entlang des Umfanges ist. Dieser Zustand ist am weit-

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gehendsten erreicht, wenn der Stator und der Rotor koaxial zueinander sind und im wesentlichen kein andauernder Beitrag von der Elektromagnet-Steuerschaltung gegeben ist.

Eine gewisse Vergrößerung des Wirbelstromwiderstandes tritt auf, wenn die Wicklungen in unterschiedlichen Sektoren des Stators unterschiedlich erregt werden. Es ist jedoch keine derartige unterschiedliche Erregung erforderlich, um irgendeine Neigung zu einer Verschiebung in Axialrichtung zu überwinden und hinsichtlich einer Verschiebung entlang einer oder beider der zwei zueinander senkrechten Achsen, die senkrecht zur Symmetrieachse des Stators sind, verringert der Beitrag der Integrationsschaltung in der Steuereinrichtung die lang andauernde unterschiedliche Erregung durch die Elektromagnetwieklungen weitgehend. Ein Betriebszustand mit einer gewissen Exzentrizität des Rotors gegenüber dem Stator, der für eine gewisse Zeit hervorgerufen wird, um einen Lagerungszustand praktisch ohne Zuführung von Betriebsleistung bei Vorhandensein einer andauernden Beschleunigungskraft (wie z.B. der Schwerkraft) zu erzielen, bewirkt, daß ein vorgegebener Bereich des Rotors durch sich ändernde Magnetfeldstärken hindurchläuft, so daß gewisse Wirbelströme in dem Rotor induziert werden. Weil die einander gegenüberliegenden Ringflächen des Stators und des Rotors jedoch sehr schmal sind, wird der Wirbelstromwiderstand durch diese Geometrie weitgehend verringert.

Der sich aus einer andauernden Verschiebung des Rotors in einer vorgegebenen Richtung aus der konzentrischen Lage gegenüber dem Stator ergebende Wirbelstromwiderstand wird durch die sehr graduelle Änderung der Magnetfeld stärke gegaither der Winkelbewegung über eine einzelne Umdrehung weitgehend verringert. Die magnetische Feldstärke ist am Punkt der größten Annäherung des Stators und des Rotors am größten und sie ist am schwächsten an dem diametral gegenüberliegenden Punkt. Zwischen diesen Extremwerten ist die Änderung gleichförmig und sehr graduell und es treten keine abrupten Sprünge in der Magnetfeldintensität an irgendeinem Punkt auf. Diese Tatsache zusammen mit der ge-

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ringen Dicke der Polstücke verhindert einen übermäßigen Wirbelstromwider staid.

Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit., wie mehrere Lagereinrichtungen nach den Figuren 1, 2, J und K verwendet werden können, wobei jede Lagereinrichtung mit zugehörigen Steuerschaltungen entsprechend der Fig. 5 versehen ist. In Fig. 1 ist ein zylindrisches Rotorgehäuse 9I gezeigt, das gegenüberliegende scheibenförmige Endflächen 92 und 93 aufweist, zwischen denen die Statoren von zumindest zwei Lagereinheiten befestigt sind, wobei ein derartiger Stator bei 9^ gezeigt ist, während der gegenüberliegende Stator mit 95 bezeichnet ist. Die Anordnung nach Fig. 6 schließt weiterhin einen Rotor-Zylinder 96 ein.

V/ie es aus Fig. 6 zu erkennen|ist, steht ein großer Raum zur Verwendung von mehr als zwei magnetischen Lagereinrichtungen innerhalb des Gehäuses 91 zur Verfügung. Mögliche Positionen zur Einfügung von zwei weiteren derartigen Lagereinrichtungen sind gestrichelt in der Nähe des unteren Endes der Fig. 6 gezeigt.

Wenn die zusammengesetzte Rotorbaugruppe 96, 97* 98 beispielsweise für einen Kreiselrotor verwendet werden soll, ist es erforderlich, ein Antriebssystem vorzusehen, um das notwendige Drehmoment zuzuführen, damit der Rotor 96, 97* 98 mit einer ausreichenden Winkelgeschwindigkeit in Drehung versetzt und in Drehung gehalten wird. Zu diesem Zweck kann angenommen werden, daß der zylindrische Körper 96 des Rotors aus Messing oder ähnlichem leitenden Material hergestellt ist, und daß ein mehrphasiger Motor-Stator benachbart zu dem Zylinder 96 angeordnet wird, entweder innerhalb desfdurch den Zylinder eingeschlossenen Volumens oder in dem Raum zwischen dem Zylinder 96 und dem Gehäuse.

Es ist weiterhin verständlich, daß integrierte Schaltungen in dem Verstärkungs- und Steuersystem gemäß Fig. 5 für jede der Lagereinrichtungen in einer Anordnung wie der Anordnung nach

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Fig. 6 verwendet werden können, wobei es die Kompaktheit der integrierten Schaltung möglich macht, diese Schaltungen innerhalb des Gehäuses anzuordnen, so daß die Anzahl der Verbindungen, die zur Zuführung elektrischer Betriebsleistung in die Rotorbaugruppe innerhalb des Gehäuses 91, 92, 93 erforderlich ist/ weitgehend verringert wird.

Eine der vielfältigen Anwendungen für eine Kreiselrotorbaugruppe ist eine Vertikalkreisel-Anwendung, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist. Zur Erzielung einer klareren Darstellung sind der den zylindrischen Teil 96 einschließende Rotor und ein Ende der Statorbaugruppe in Pig. 7 ohne ein Gehäuse gezeigt. Die Statoranordnung ist an einem Stator-Befestigungsring 110 gehaltert, der einige der Funktionen des Gehäuses 91, 92, 93 nach Fig. β erfüllt, der jedoch den Rotor und die Statoranordnungen nicht umschließt und schützt. Dieser Stator-Befestigungsring 110 ist mit Hilfe von Lagerzapfen I05 und I07 in einem Kardanrahmen 103 gelagert. Der Kardanrahmen 103 ist seinerseits durch weitere Lagerzapfen I09 und 111 gelagert., die eine freie Drehung um eine Achse senkrecht zur Achse der Lagerzapfen 105, 107 ermöglichen.

Wenn die Antriebseinrichtung (wie z.B. ein mehrphasiger Stator zur Induktion von Strömen in dem Rotorzylinder 96) und die Steuerschaltungen in der Statorbaugruppe mit eingefügt sind, so kann die elektrische Betriebsleistung für die Steuerschaltungen und die Antriebsleistung für den Kreisel über Schleifringe an den Lagerzapfen 105, 107, 109 und 111 zugeführt werden.

Ein Navigations-Bezugskreiselgerät, wie z.B. ein Vertikalkreisel, der die magnetischen Lagereinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, kann, wenn dies erwünscht ist, einen Servoantrieb der Kardanrahmenelemente in der kardanischen Aufhängung' aufweisen, damit diese mit dem Rotor ausgerichtet gehalten werden, wobei sich eine minimale Reaktion des Rotors ergibt. Bei Fehlen eines Servo-Nachlaufsystems sind

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jedoch der Drehimpuls des Rotors und die in jeder Lagereinrichtung geschaffenen Zwangskräfte bestrebt, eine Ausrichtung zwischen den Stator- und Rotorteilen aufrecht zu erhalten, so daß das Kardanrahmensystem der stabilen Ausrichtung der Rotorachse nachfolgt, die sich aus dem beträchtlichen Drehimpuls des Rotors ergibt.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen magnetischen Lagereinrichtung auf ein Kreiselgerät und die speziellere Anwendung bei einem Vertikalkreiselgerat stellen lediglich Beispiele dar und sind natürlich in keiner V/eise die einzigen Anwendungsmöglichkeiten der magnetischen Lagereinrichtung. Die erfindungsgemäße magnetische Lagereinrichtung weist wesentliche Vorteile auch bei der Lagerung von sich nicht drehenden Trägheitskörpern, für die Lagerung von Motorelementen und für verschiedene Anwendungen auf, für die Lager erforderlich sind. Die beschriebene magnetische Lagereinrichtung ergibt besonders wesentliche Vorteile, wenn Schmiermittel, die für Kugellager erforderlich sein würden, austreten könnten, so daß schließlich eine Zerstörung der Kugellager auftreten würde.

Eine Ausführungsform eines magnetischen Lagersystems, bei dem die Positionen der Rotor- und Statorteile der Lagereinrichtung vertauscht wurden, ist in Fig. 8 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Rotor 121 von einem Stator 123 umgeben. In die geschichtete Konstruktion des Stators ist ein in Axialrichtung polarisierter kreisringförmiger Permanentmagnet 124 eingefügt und vorzugsweise ist ein weiterer Permanentmagnet in Form einesRinges in dem Rotor 121 vorgesehen, wobei dieser letztere Magnet 126 in Axialrichtung in der entgegengesetzten Richtung wieder Magnet 124 polarisiert ist. Einer dieser beiden Permanentmagneten kann ohne den anderen verwendet werden.

Wie in den vorangehenden Beispielen liegt der Zwischenspalt zwischen dem Rotor und dem Stator bei einem relativ großen Radius, der in der Darstellung nach Fig. 8 beträchtlich größer als der halbe maximale Radius des äußeren Teils der Lagerein-

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- If

richtung ist. In diesem Fall sind die Segmentwicklungen AA, CC und die weiteren Segmentwicklungen BB, DD, die in Fig. δ strichpunktiert dargestellt sind, wieder in dem Statorteil der Lagereinrichtung angeordnet, um den Magnetfluß in irgendeinem vorgegebenen Sektor der Lagereinrichtung in dem Teil jedes Statorpolstückes zu vergrößern oder zu verkleinern, der dem Magnetflußspalt zwischen dem Stator und Rotor am nächsten liegt.

Die Anordnung nach Fig. 8 ermöglicht die zweckmäßige Lagerung einer Mittelwelle durch den Rotorteil, wobei gleichzeitig die Steuerwicklung und der Spalt in idealer Weise wie in den Figuren 1 und 2 angeordnet ist, um die rotierende Masse am maximalen Radius des Systems zu halten.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wurden die Polstückteile als vollständig eben dargestellt. Es ist zu erkennen, daß eine größere Dicke (d.h. eine größere axiale Erstreckung) des Permanentmagneten in dem Stator und/oder dem Rotor bezüglich einer vorgegebenen Ausgestaltung der gegenüberliegenden inneren (Stator-) und äußeren (Rotor-) Hohlringe (wie in den Figuren 1 und 2) dadurch erzielt werderikann, daß man von den dargestellten parallelen ebenen Anordnungen abweicht, beispielsweise dadurch, daß die Hohlstücke tellerförmig ausgebildet werden oder die Form von weitwinkligen konischen Anordnungen aufweisen.

Es ist weiterhin verständlich, daß, wenn zwei Lagereinrichtungen Seite an Seite angeordnet werden sollen, diese Lagereinrichtungen vorzugsweise entgegengesetzt gerichtete axiale Polarisationen aufweisen sollten, so daß beispielsweise der Stator einer ersten derartigen Lagereinrichtung einen Nordpol auf seiner linken Seite aufweisen würde, während der Stator der zweiten Lagereinrichtung einen Südpol auf seiner linken Seite aufweisen sollte, und zwar benachbart zum Südpol des Stators der ersten Lagereinrichtung. Die entgegengesetzte Polarisation in jedem der jeweiligen Rotoren wird

beibehalten.

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Eine weitere mögliche Abänderung bei der Anwendung von nebeneinander angeordneten mehrfachen Lagereinrichtungen besteht in der Verwendung von einem oder mehreren gemeinsamen Polstücken für aufeinanderfolgende Lagereinrichtungen in einer geschichteten Anordnung. Eine derartige Anordnung würde jedoch auf den Vorteil von unabhängig hergestellten Lagereinrichtungen mit gleichförmigem zweipoligem Aufbau verzichten, bei dem es lediglich erforderlich ist, daß abwechselnde Lagereinrichtungen nach der Herstellung umgedreht werden, um gleiche Pole von irgendwelchen zwei aufeinanderfolgenden Statoren benachbart zueinander zu bringen.

In manchen Fällen können die Segmentwicklungen, die in dem Statorteil der Lagereinrichtung zur Erhöhung oder Verringerung des Magnetflusses vorgesehen sind, andere als Quadranten-Wicklungen sein. Es können drei bis zwölf Sektorwicklungen verwendet werden, beispielsweise drei 120°-Sektorwicklungen, fünf 72°-Sektorwicklungen, sechs 6o°-Sektorwicklungen, acht 45°- Sektorwicklungen, neun 40°-Sektorwicklungen, zehn j56°-8ektorwicklungen oder zwölf 30°-Sektorwicklungen.

Patentansprüche:

709819/0723 original inspected

Leerseite

Claims

Patentansprüche

ί Iv Magnetische Lagereinrichtung mit einem scheibenförmigen Statorteil und einem Rotorteil., die konzentrisch zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichne t , daß der Statorteil (11, 12, 13, 12J) zxsrei permeable Scheiben (11, 12) und einen dazwischen angeordneten Permanentmagneten (13) aufweist, daß der Permanentmagnet (13) einen Durchmesser aufweist, der beträchtlich größer als seine Dicke ist und in Axialrichtung polarisiert ist, so daß eine Stirnfläche den Nordpol und die gegenüberliegende Stirnfläche den Südpol bildet, daß der Statorteil weiterhin eine Anzahl von Sektorwieklungen (A, A', B, B¹, C, C^!, D, D') in den Umfangsbereichen jeder der permeablen Scheiben (11, 12) aufweist, die Magnetflüsse in jeweiligen Sektoren jeder Scheibe (11, 12) induzieren, die radial nach innen oder radial nach außen entsprechend der Stromrichtung des elektrischen Stromes in der einen oder in der entgegengesetzten Richtung in einem Satz von Sektorwicklungen gerichtet ist, daß der Rotorteil Einrichtungen (32, 35) aufweist, die zwei nach innen gerichtete schmale ringförmige Polflächen bilden, die mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, der dem Abstand zwischen den beiden permeablen Scheiben (11, 12) des Stators entspricht, daß die kreisringförmigen Polflächen einen Radius aufweisen, der größer als der Radius der permeablen Scheiben (11, 12) des Stators ist, so daß der erforderliche Magnetspalt gebildet wird und daß die kreisringförmigen Polflächen in einem magnetischen Plußweg in dem Rotor eingefügt sind, der von einer kreisringförmigen Polfläche nach außen, dann in Axialrichtung und dann nach innen zur anderen kreisringförmigen Polfläche gerichtet ist,,

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2. Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorteil im Inneren des Rotorteils und konzentrisch hierzu angeordnet ist.
3. Lagereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorteil einen kreicringförmigen Permanentmagneten (31) aufweist, an dessen gegenüberliegenden Flächen zwei dünne Ringe (32, 33) aus perrnesblem Material befestigt sind, die sich jeweils bis zu einem Radius erstrecken, der kleiner als der Innere Radius des kreisringförmigen Permanentmagneten ist und daß der kreisringförmige Permanentmagnet (31) so polarisiert ist, daß er eine Polarisation zwischen den dünnen Ringen (32, 33) sus permeablem Material in einer Richtung erzeugt, die parallel zur Achse und entgegengesetzt zur Polarisation zwischen den permeablen Scheiben (11, 12) des Stators ist.
4. Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t,

daß Wandlereinrichtungen (43, 48, 49, 50) zur Messung der Verschiebung des Rotorte Ils aus der konzentrischen Lage gegenüber dem Statorteil heraus in einer Richtung vorgesehen sind, bei der der MagnetflußspaIt in einem Sektorteil des Stators verringert wird, während der Spalt in dem gegenüberliegenden Sektorteil vergrößert wird, und daß auf die Wand lere Inr ichtungen ansprechende und Verstärker- und IntegratoreInrichtungen (6l, 62, 65, 66, 71, 72) einschließende Einrichtungen zur selektiven Erregung der Sektorwicklungen des Stators derart vorgesehen sind, daß der gemessenen Verschiebung aus der konzentrischen Lage entgegenwirkt und diese überwunden wird und daß eine entgegengesetzte Verschiebung aus der konzentrischen Lage heraus erreicht wird, bei der die dauernde Erregung irgendeines Satze s von Wicklungen nicht erforderlich ist.

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5. Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Statorteils mehr als halb so groß wie der Durchmesser des Rotorteils ist.
6. Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurcti gekennzeichne t, daß mehrere scheibenförmige Statorteile, die jeweils von einem jeweiligen Rotorteil ufflgelben sind, miteinander verbunden und gegeneinander festgelegt sind und daß die Anzahl der Rotorteile zu einem gemeinsamen Rotor miteinander verbunden ist.
7. Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichne t, daß der Statorteil und der Rotor-teil jeweils zwei dünne kreisförmige permeable Polstücke aufweist, die einen Abstand voneinander aufweisen, der kleiner als der Durchmesser ist, daß der Radius des inneren Teils (Rotor- oder Statorteils) etwas geringer als der innere Radius des äußeren Teils (Stator- oder Rotorteils) ist, so daß zwei im wesentlichen radiale Magnetspalte zwischen den kreisförmigen Polstücken des inneren Teils und den jeweiligen Polstücken des äußeren Teils gebildet sind, daß ein kreisförmiger Permanentmagnet zwischen den beiden Polstüeken zumindest eines der beiden Teile angeordnet ist und daS Sektorwicklungen auf einem der beiden Teile einschließende Einrichtungen zur elektromagnetischen Induktion eines Magnetflusses in den Polstücken unmittelbar benachbart zu. den Magnetspalten zur Änderung der Stärke des längs der Spalte in irgendeinem Segmentbereich durch den Permanentmagneten induzierten Magnetflusses vorgesehen sind.
8. Lagereinrichtung nach Anspruch 7, gekennze ichne t durch Wandlereinriehtungen (43, 48, 49* 50) zur Messung einer Verschiebung des Rotorteils aus der konzentrischen Lage gegenüber dem Statorteil in einer Richtung, bei der der Magnetflußspalt an einem Sektorteil des Stators verringert und der Spalt an dem gegenüberliegenden Sektorteil vergrößert

wird, und auf die Wandlereinrichtungen (43, 48, 49, 50) an-

sprechende und Verstärker- und Integratoreinrichtungen (61, 62, 65, 66, 71, 72) einschließende Einrichtungen zur selektiven Erregung der Sektorwindung des Stators derart*

daß die Verschiebung aus der konzentrischen Lage beseitigt und überwunden wird und daß eine entgegengesetzte Verschiebung aus der konzentrischen Lage erzielt wird, um eine dauernde Erregung irgendeines Satzes von tyficklungen zu vermeiden.
9. Lagereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichne t, daß der Rotorteil einen kreisringförmigen Permanentmagneten aufweist, an dessen gegenüberliegenden Stirnflächen zwei dünne Ringe aus permeablem Material befestigt sind, die sich bis zu einem Radius erstrecken, der kleiner als der innere Radius des kreisringförmigen Permanentmagneten ist, und daß der kreisringförmige Permanentmagnet so polarisiert ist, daß er eine Polarisation zwischen den dünnen Ringen aus permeablem Material in einer Richtung hervorruft, die parallel zur Achse und entgegengesetzt zur Polarisation zwischen den permeablen Scheiben des Stators ist.
10. Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und j5 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (121) innerhalb des Stators (123) angeordnet ist.

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