DE2825877A1 - Magnetisches lagersystem - Google Patents

Description

Paier.tHnwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-lng. Günther Koch

l| Dipl.-Phys.Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

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

Datum: 13· Juni I978

Unser Zeichen: l6 218 - Fk/Ne

Cambridge Thermionic Corporation
Cambridge, Massachusetts / USA

Magnetisches Lagersystem

9Q981Ö/QS2·

Paientanw4lce Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

5 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

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

Datum: 13- Juni 1978

Unser Zeichen: 16 218 - Fk/Ne

Cambridge Thermionic Corporation Cambridge, Massachusetts / USA

Magnetisches Lagersystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Lagersystem mit einem von dem System zu lagernden Körper, mit Magnetkraft-Zuführungseinrichtungen zur Zuführung von Kräften an den Körper, um diesen zu lagern, und mit auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers entlang einer Achse ansprechende Einrichtungen zur Rückführung des Körpers auf eine gewünschte stabile Stellung.

Bei derartigen magnetischen Lagersystemen werden Magnetkräfte auf einen Körper ausgeübt, um diesen derart zu lagern, daß er um eine seiner Achsen mit minimaler Reibung rotieren kann, die sonst eine derartige Drehung behindert, wobei auf die Bewegung und die Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers in einer oder mehreren Richtungen ausgehend von einer stabilen Stellung ansprechende Einrichtungen vorgesehen sind, die im Sinne einer Rückführung des Körpers in diese stabile Stellung wirken. Derartige Systeme sind beispielsweise in den US-Patent-

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Schriften 3 428 371, 3 565 495, 3 860 300 und 3 791 7θ4 beschrieben.

Bei diesen Systemen wurden die die Bewegungsgeschwindigkeit des gelagerten Körpers darstellenden Signale auf verschiedene Arten erzeugt. Eine dieser Arten schließt die direkte Messung der Bewegungsgeschwindigkeit unter Verwendung eines Farraday-Generators mit einem an dem Körper befestigten Magneten und einer damit zusammenwirkenden Wicklung ein, in der die Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers darstellende Signale induziert werden. Derartige Generatoren verwenden Wicklungen mit sehr vielen Windungen, beispielsweise 20 000 bis 50 000 Windungen, die dazu neigten, unerwünschte Signale auf Grund von magnetischen Streufeldern zu erzeugen, wie sie von den die Kraft zuführenden Wicklungen der magnetischen Lagerung erzeugt werden, der der Generator zugeordnet ist. Es wurde versucht, diese Schwierigkeit durch die Verwendung von einen großen Raumbedarf aufweisenden Abschirmungen oder unerwünschte Polarisation der Kraftwicklungen zu vermeiden. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung des die Bewegungsgeschwindigkeit darstellenden Signals bestand in der Ableitung dieses Signals aus einem die Bewegung darstellenden Signal durch Differenzieren unter Verwendung eines Voreilungs-/Nacheilungsnetzwerkes. Obwohl dieses Verfahren das Problem von Fremdsignalen vermeidet, neigen derartige Systeme zu Störungen und sie waren weiterhin bei Verwendung sehr kleiner Magnetspalte auf Grund der sehr kurzen erforderlichen Ansprechzeit unwirksam. Weiterhin wurde festgestellt, daß, obwohl diese Verfahren einigermaßen befriedigende Ergebnisse bei magnetischen Lagersystemen ergaben, bei denen die Steifigkeitsforderungen relativ niedrig waren, d.h. in der Größenordnung von 5400 bis 7200 kg/m (300 bis 400 lb/Zoll) sie keine befriedigenden Eigenschaften aufwiesen, wenn die Steifigkeitsforderungen wesentlich höher sind, d.h. in der Größenordnung von 900 000 kg/m (50 000 Ib/ Zoll) oder mehr.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Lagersystem der eingangs genannten Art mit Verbesserten auf die Bewegungsgesehwindigkeit ansprechenden Steuersystemen zu schaffen, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht auftreten, wobei das Sewegungsgeschwindigkeits-abhängige Steuersystem selbst bei magnetischen Lagersystemen wirksam arbeitet, bei denen die Steifigkeitsforderungen äußerst hoch sind .

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

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

Bei dem erfindungsgemäßen magnetischen Lagersystem werden an dem gelagerten Körper befestigte Einrichtungen zur Erzeugung einer Vielzahl von getrennten Magnetfeldern sowie eine Vielzahl von leitenden Wicklungen verwendet, die mit den das Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen zusammenwirken, um Signale zu erzeugen, die direkt die Bewegungsgesehwindigkeit des Körpers darstellen, wobei die das Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen aus Permanentmagnetmaterial mit niedriger Permeabilität wie z.B. aus Samariumkobalt bestehen, die in sehr dünnen mit geringem Abstand voneinander angeordneten Abschnitten angeordnet sind, während die leitenden Wicklungen jeweils zumindest teilweise innerhalb der Magnetfelder angeordnet sind, die zwischen benachbarten Magnetpaaren erzeugt werden. Die einzelnen Wicklungen sind derart miteinander verbunden, daß die in diesen Wicklungen durch die Permanentmagnetfelder auf Grund einer Bewegung des Körpers Induzierten Ströme im Sinne einer gegenseitigen Verstärkung wirken, während in diesen Wicklungen durch magnetische Streufelder induzierte Ströme gegeneinander wirken und sich aufheben. Die durch die Permanentmagneten in den Wicklungen induzierten Ströme werden dann zur Steuerung der Zuführung von Kräften an den gelagerten Körper derart ver-

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wendet, daß diese Kräfte im Sinne einer Rückführung des Körpers in die gewünschte stabile Stellung wirken. Bei einem magnetischen Lagersystem kann eine Anzahl dieser Anordnungen zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit des gelagerten Körpers entlang mehrerer seiner verschiedenen Achsen verwendet werden, wobei die in jeder dieser Anordnungen erzeugten Signale zur Steuerung der Zuführung oder der Ausübung von Kräften entlang jeder dieser Achsen derart verwendet v/erden, daß der Körper in seine gewünschte stabile Position zurückgeführt wird .

Weiterhin kann es erfindungsgemäß in manchen Fällen wünschenswert sein, zusätzliche Einrichtungen zur Ableitung von die Beschleunigung des gelagerten Körpers darstellenden Signalen aus den genannten bewegungsgeschwindigkeitsabhängigen Signalen vorzusehen, wobei diese abgeleiteten Signale weiterhin zur Steuerung der Zuführung von Kräften an den Körper verwendet v/erden, um ihn auf seine gewünschte stabile Stellung zurückzuführen. Derartige Einrichtungen können übliche Differenzierschaltungen umfassen, denen die die Bewegungsgeschwindigkeit darstellenden Signale zugeführt werden.

Die in den Wicklungen induzierten resultierenden Ströme, die die Bewegungsgesehwindigkeit des gelagerten Körpers darstellen, können mit getrennt abgeleiteten und die Bewegung des Körpers darstellenden Signalen kombiniert und zur Zuführung von Kräften an den Körper verwendet werden, um diesen in seine gewünschte stabile Stellung zurückzuführen. Durch geeignete Anordnung der Permanentmagneten und der damit zusammenwirkenden Wicklungen können Signale erzeugt werden, die die Bewegungsgeschwindigkeiten entlang verschiedener unterschiedlicher Achsen derart darstellen, daß eine vollständige Steuerung aller möglichen Bewegungen des gelagerten Körpers ermöglicht wird.

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

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des oberen Teils

einer Ausführungsform eines symmetrischen magnetischen Lagersystems;

Fig. 2 eine teilweise schematische Draufsicht des

gleichen Systems, das bestimmte Elemente des Systems zeigt, die in Fig. 1 aus Gründen der Klarheit fortgelassen sind;

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer

Symmetrierschaltung zur Verwendung mit dem Lagersystem nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist schematisch der obere Teil einer Ausführungsform des magnetischen Lagersystems gezeigt, wobei der untere Teil des Systems fortgelassen ist, weil er identisch zu dem oberen Teil des Systems und spiegelbildlich zu diesem sein kann.

In Fig. 1 ist ein durch das System magnetisch zu lagernder Körper gezeigt, der einen Stab 1 aus Weicheisen oder anderem geeigneten magnetisch permeablem Material aufweist, an dessen oberem Ende eine Scheibe 3 aus Permanentmagnetmaterial neben einer ähnlichen Scheibe 5 aus Permanentmagnetmaterial befestigt ist, wobei die Scheiben J5 und 5 in Richtung ihrer Vertikalachsen magnetisiert und in der dargestellten Weise polarisiert sind, so daß sie eine nach oben gerichtete Kraft auf den Stab 1 ausüben, um diesen gelagert zu halten. Eine gleiche (nicht gezeigte) der Scheibe 3 entsprechende Scheibe aus Permanent magne tma ter ial kann an dem unteren Ende des Stabes 1 be-

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festigt sein und mit einer (nicht gezeigten) Scheibe aus Magnetmaterial zusammenwirken, die gleich der Scheibe 5 ist und neben dieser angeordnet ist, wobei auch diese Scheiben entlang ihrer Vertikalachsen magnetisiert und so polarisiert sind, daß sie eine nach unten gerichtete Kraft auf den Stab 1 ausüben, um teilweise der nach oben gerichteten Kraft entgegenzuwirken, die von den Magneten 5 "nd 5 am oberen Ende des Stabes ausgeübt wird. Übliche durch den Block 7 dargestellte Einrichtungen können zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes vorgesehen sein, das mit dem Stab 1 zusammenwirkt, um diesen mit hoher Drehzahl um die Vertikalachse in Drehung zu versetzen.

An dem Stab 1 und unterhalb der Scheibe J> sind mit vertikalem Abstand entlang des Stabes 1 eine Anzahl von Scheiben 9, 11, YJ) und 15 aus Permanentmagnetmaterial befestigt, die erfindungsgemäß aus einem Permanentmagnetmaterial mit niedriger Permeabilität, wie z.B. Samariumkobalt, bestehen. Erfindungsgemäß sind diese Scheiben weiterhin relativ dünn und mit geringstmöglichem gegenseitigen Abstand entlang der Vertikalachse des Stabes 1 angeordnet. Das obere Paar dieser Scheiben 9 und 11 ist in gleicher Weise in Vertikalrichtung polarisiert, wie dies dargestellt ist, während das untere Paar von Scheiben I5 und I5 ebenso gleich polarisiert ist, wie dies dargestellt ist, wobei jedoch die Polarisationsrichtung dieses unteren Paars von Scheiben entgegengesetzt zur Polarisationsrichtung des oberen Paares von Scheiben 9 und 11 ist.

Zwei elektrisch leitende Wicklungen YJ und I9, die jeweils Leiter enthalten, die in ebenen im wesentlichen senkrecht zur Achse des Stabes 1 angeordnet sind, sind auf der rechten Seite des Stabes 1 angeordnet, wobei jeweils ein Teil dieser Wicklungen zwischen benachbarten Scheiben der Scheiben 9, 11, I^ und 15 mit gleicher Polarisation eingefügt ist. So ist ein Teil der Wicklung 17 zwischen dem oberen Paar von Scheiben 9 und 11 eingefügt, während ein Teil der Wicklung I9 zwi-

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sehen dem unteren Paar von Seheiben 13 und 15 eingefügt ist. Ein gleiches Paar von Wicklungen 21 und 23 ist auf der linken Seite des Stabes 1 angeordnet, wobei ein Teil der Wicklung zwischen den Seheiben 9 und 11 angeordnet ist, während ein Teil der Wicklung 23 zwischen den Scheiben 13 und 15 angeordnet ist. In gleicher Weise kann eine Anzahl von (nicht gezeigten) den Scheiben 9 bis 15 entsprechenden Scheiben aus Permanentmagnetmaterial an dem Stab in der Nähe des unteren Endes dieses Stabes und mit Abstand entlang der Vertikalachse befestigt sein. Weiterhin können (nicht gezeigte) den Wicklungen 17 bis 23 entsprechende Wicklungen teilweise zwischen diesen Scheiben auf den rechten und linken Seiten des Stabes 1 eingefügt sein.

Auf Grund der vorstehend beschriebenen Anordnung der Wicklungen 17 bis 21 bezüglich der Permanentmagnetscheiben 9 bis 15 ruft jede Bewegung des oberen Endes 1 nach rechts oder links in einer Richtung quer zu seiner Achse die Induzierung von Strömen in den Wicklungen I7 bis 21 hervor, wobei die Ströme proportional zur Geschwindigkeit dieser Bewegung sind. Erfindungsgemäß sind die Wicklungen I7 und I9 über eine Leitung derart miteinander verbunden, daß sich die darin induzierten Ströme gegenseitig an den Ausgangsleitungen 27 und 29, die mit dem Eingang eines Verstärkers ~j>l verbunden sind, verstärken und daß in den Wicklungen I7 und I9 durch magnetische Streufelder induzierte Ströme im Sinne einer gegenseitigen Aufhebung wirken. In gleicher Weise sind die Wicklungen 21 und 23 durch eine Leitung 33 miteinander verbunden, so daß sich die in diesen Wicklungen induzierten Ströme an den mit dem Eingang eines Verstärkers 39 verbundenen Ausgangsleitungen 35 und 37 gegenseitig verstärken während die in diesen Wicklungen durch magnetische Streufelder induzierten Ströme im Sinne einer gegenseitigen Aufhebung wirken.

Das am Ausgang des Verstärkers 3I auftretende Signal wird mit einem Signal kombiniert, das die Bewegung des oberen

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Endes des Stabes 1 nach rechts oder links in der Richtung quer zur Vertikalachse des Stabes darstellt und dieses Signal kann in irgendeiner geeigneten Weise abgeleitet werden, wie dies beispielsweise in der US-Patentschrift 3 860 300 beschrieben ist. Weil Einrichtungen zur Ableitung eines derartigen Signals in der Technik gut bekannt sind, sind sie hier als Block 51 dargestellt, von dem ein die Bewegung oder Verschiebung darstellendes Signal eine.a Verstärker 53 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über eine Leitung 55 dem Ausgang des Verstärkers jjl zugeführt wird, wo es mit dem die Bewegungsgeschwind igkeit darstellenden Signal kombiniert wird. Die kombinierten Signale werden dann über eine Leitung 41 einer Einrichtung zur Erzeugung und Zuführung einer magnetischen Kraft zugeführt, die aus einem permeablen Kern 43 und einer Wicklung 45 besteht, die in der Nähe des oberen Endes des Stabes 1 angeordnet sind, um auf diesen Stab eine Kraft in einer Richtung quer zur Vertikalachse auszuüben, die im Sinne einer Rückführung des oberen Endes des Stabes 1 in die gewünschte stabile Position wirkt. In gleicher Weise wird das Ausgangssignal von dem linken Verstärker 39 mit einem eine Bewegung oder Verschiebung darstellenden Signal von dem Ausgang des Verstärkers 55 über eine Leitung 57 kombiniert und das resultierende Signal wird über eine Leitung 47 einer Einrichtung zur Zuführung oder Ausübung einer magnetischen Kraft zugeführt, die aus einem permeablen Kern 49 und einer Wicklung 151 besteht und eine Kraft auf das obere Ende des Stabes 1 ebenfalls in einer Richtung quer zur Vertikalachse

ausübt, wobei diese Kraft mit der durch die rechte Einrich-, , erzeugten Kraft

tung 43, 45 zur Zuführung von magnetischen KräftenYzusammenwirkt, um das obere Ende des Stabes 1 in seine normale stabile Position zurückzuführen.

Weiterhin kann es erfindungsgemaß in manchen Fällen wünschenswert sein, von den die Bewegungsgeschwindigkeit darstellenden Signalen an den Ausgängen der Verstärker 3I bzw. 39 Signale abzuleiten, die die Beschleunigung darstellen, d.h. dieAb-

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leitung der Bewegungsgeschwindigkeit oder die zweite Ableitung der Bewegung oder Verschiebung wobei diese Signale zu den die Bewegung und den die Bewegungsgescnwindigkeit darstellenden Signalen hinzuaddiert werden können, die den Kraftzuführungseinrichtungen 4j5, 45 und 4-9, I5I zugeführt werden, wodurch sich eine weitere Verbesserung der Stabilität des Lagersystems und ein vergrößerter Schutz gegen äußere Stöße ergibt. Einrichtungen zur Durchführung dieser zusätzlichen Funktion sind in Fig. 1 gezeigt and umfassen übliche Differenzierschaltungen mit einem Kondensator 58, einem Widerstand 59 und einem Verstärker 60 bzw. mit einem Kondensator 61, einem V/iderstand 62 und einem Verstärker 63, die zwischen dem Ausgang des Verstärkers Jl und der Leitung 55 bzw. zwischen dem Ausgang des Verstärkers 39 und der Leitung 57 eingeschaltet sind.

Es können weiterhin Einrichtungen, die den vorstehend beschriebenen Einrichtungen ähnlich sind, vorgesehen sein, wobei diese zusätzlichen Einrichtungen auf die Ströme ansprechen, die in den Wicklungen induziert werden, die den Permanentmagnetscheiben an dem unteren Ende des Stabes 1 zugeordnet sind, um Kräfte auf das untere Ende des Stabes 1 auszuüben, die im Sinne einer Rückführung dieses Stabes in die normale stabile Stellung wirken, wenn der Stab aus dieser Position entfernt wird.

Obwohl die vorstehend beschriebene Einrichtung lediglich Signale erzeugen kann, die die Bewegung und Bewegungsgeschwindigkeit der Enden des Stabes 1 in einer einzigen Richtung quer zu dessen Vertikalachse darstellen, d.h. nach rechts und nach links aus der normalen stabilen Stellung gemäß Fig. 1, und obwohl diese Einrichtung die Signale zur Steuerung der Zuführung von Kräften an den Stab 1 in dieser Richtung verwendet, um den Stab in seine normale stabile Stellung zurückzuführen, können im wesentlichen identische Einrichtungen ebenfalls zur Erzeugung von Signalen vorge-

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sehen sein, die die Bewegung und Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes 1 in einer Richtung unter rechten Winkeln zu der ersten (Rechts-Llnks-)Richtung darstellen und die Zut'Uhrun : von Kräften an den Stab 1 in dieser Richtung steuern, um Bewegungen des Stabes 1 in dieser zweiten Richtung entgegenzuwirken. Durch die Verwendung derartiger zusätzlicher Einrichtungen zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Einrichtungen kann eine vollständige Steuerung über Bewegungen des oberen Endes des Stabes 1 in irgendeiner Richtung quer zur Vertikalachse erzielt werden. Bei der Schaffung dieser zusätzlichen Einrichtungen müssen die Permanentmagnetscheiben 9 bis 15 und ihre Gegenstücke, die am entgegengesetzten Ende des Stabes 1 befestigt sind, nicht verdoppelt werden. Es müssen lediglich zusätzliche Wicklungen, die entlang einer Querachse unter rechten Winkeln zu der der Wicklungen Yf bis 23 angeordnet sind, zusätzliche den Verstärkern j5l und 39 entsprechende Verstärker, zusätzliche Differenzierschaltungen, die den Differenzierschaltungen 58, 59, 60 und öl, 62, 63 entsprechen und zusätzliche Kraftzuführungseinrichtungen vorgesehen sein, die den Kra ftzuf Uhrungs einrichtungen 43, 45 und 49, 151 entsprechen. Aus Gründen der Vereinfachung und Klarheit sind diese zusätzlichen Einrichtungen in Fig. 1 nicht gezeigt, doch ist die Anordnung dieser zusätzlichen Einrichtungen aus der Betrachtung der Fig. 2 zu erkennen, die eine teilweise Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. darstellt und die zusätzlich dieAnordnung der Wicklungen zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes 1 in einer Richtung unter rechten Winkeln zu der Richtung zeigt, die von den Wicklungen Yf bis 23 nach Fig. 1 gemessen wird. In Fig. 2 sind die Wicklungen Yf und 21 nach Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und es sind zusätzliche Wicklungen 111 und II3 gezeigt, die auf gegenüberliegenden Seiten des Stabes 1 entlang einer Achse unter rechten Winkeln zu der Achse der Wicklungen Yf und 21 angeordnet sind.

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Zusätzlich zu den in den vorangegangenen beiden Absätzen beschriebenen Einrichtungen zur Steuerung der Bewegung des oberen Endes 1 in einer Richtung unter rechten Winkeln zur Rechts-Links-Richtung können ähnliche Einrichtungen am unteren Ende des Stabes 1 vorgesehen sein, um Signale zu erzeugen, die die Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes in einer Richtung unter rechten Winkeln zur Rechts-Links-Richtung darstellen und die die Zuführung von Kräften an das untere Ende des Stabes 1 in dieser Richtung steuern, um einer derartigen Bewegung entgegenzuwirken.

Wie es aus Fig. 1 zu erkennen ist, sind weiterhin unter den Scheiben 9 bis 15 an dem Stab 1 eine weitere Anzahl von Scheiben 71, 73 und 75 befestigt, die ebenfalls aus Perrnanentmagnetmaterial mit geringer Permeabilität bestehen, wie z.B. Samariumkobalt. Die Scheiben 7I bis 75 sind ebenso mit Abstand entlang der Vertikalachse des Stabes 1 angeordnet und sie sind jeweils in Vertikalrichtung polarisiert, wobei die obere Scheibe 7I und die untere Scheibe 75 in gleicher Weise polarisiert sind, während die mittlere Scheibe 75 in einer Richtung polarisiert ist, die der der Polarisationsrichtung der Scheiben Jl und 75 entgegengesetzt ist. Jeweils zwischen den Scheiben 7I und 73 bzw. zwischen den Scheiben 73 und 75 sind Ringwicklungen 77 und 79 angeordnet, die jeweils den Stab 1 umgeben. Irgendeine Bewegung des Stabes 1 entweder nach oben oder nach unten in Richtung seiner Vertikalachse erzeugt eine entsprechende Bewegung der den Scheiben 71 bis 75 zugeordneten Magnetfelder, wodurch andererseits Ströme in den Wicklungen 77 und 79 induziert werden, die proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des Stabes 1 nach oben oder nach unten entlang seiner Vertikalachse sind. Die Wicklungen 77 und 79 sind über eine Leitung 81 derart miteinander verbunden, daß die in diesen Wicklungen induzierten Ströme einander an den mit dem Eingang eines Verstärkers 87 verbundenen Ausgangsleitungen 83 und 85 verstärken während in den Wicklungen 77 und 79 durch

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magnetische Streufelder induzierten Ströme gegensinnig wirken und sich aufheben. Das am Ausgang des Verstärkers 87 auftretende Signal wird mit einem Signal kombiniert,das die Bewegung oder Verschiebung des Stabes entlang seiner Vertikalachse darstellt, wobei dieses Signal ebenfalls in irgendeiner geeigneten V.'eise erzeugt werden kann, wie dies beispielsweise in der US-Patentschrift 3 O86 300 beschrieben ist. Eine derartige Signalquelle ist in Fig. 1 in Form eines Blockes 97 dargestellt, dessen die Bewegung oder Verschiebung darstellendes Ausgangssignal einem Verstärker 99 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über eine Leitung 101 dem Ausgang des Verstärkers 87 zugeführt wird, wo es mit dem die Bewegungsgeschwindigkeit darstellenden Signal kombiniert wird. Die kombinierten Signale werden dann über eine Leitung 89 einer Magnetkraft-Zuführungseinrichtung zugeführt, die aus einem permeablen Kern 9I und einer Wicklung 93 besteht, die neben einer Permanentmagnetscheibe 95 angeordnet sind, die an dem Stab 1 befestigt ist, um eine Kraft auf den Stab 1 in einer Richtung entlang dessen Vertikalachse auszuüben, wobei diese Kraft im Sinne einer Rückführung des Stabes in die normale stabile Stellung in Vertikalrichtung wirkt.

Weiterhin kann es erfindungsgemäß in manchen Fällen wünschenswert sein, zusätzliche Schaltungen vorzusehen, die ähnlich den vorstehend beschriebenen Schaltungen sind, um ein die Beschleunigung des gelagerten Stabes 1 darstellendes Signal in Richtung der Längsachse dieses Stabes zu erzeugen und um dieses Signal zu den die Bewegung und die Bewegungsgeschwindigkeit darstellenden Signalen hinzuaddieren, die der Kraftzuführungseinrichtung 91, 93 zugeführt werden. Diese Einrichtungen sind ebenfalls in FIg. 1 gezeigt und umfassen einen Kondensator 102, einen Widerstand 103 und einen Verstärker 104 zur Differenzierung des Ausganges von dem Verstärker 87 und zur Zuführung des resultierenden Signals an die Leitung 101.

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Aus der vorstehenden Besehreibung ist zu erkennen, daß Einrichtungen geschaffen wurden, die jeder Neigung zu einer Bewegung oder Verschiebung des gelagerten Stabes 1 in irgendeiner Richtung entlang der Vertikalachse des Stabes entgegenwirken und die weiterhin jeder Neigung zu einer Bewegung oder Verschiebung eines Endes dieses Stabes in Richtungen entgegenwirken, die zueinander unter rechten Winkeln und quer zur Vertikalachse verlaufen. Obwohl diese Anordnung eine vollständige Steuerung gegenüber allen möglichen Bewegungen oder Verschiebungen des gelagerten Stabes 1 ermöglicht, ist es verständlich, daß in manchen Anwendungsfällen eine derartige vollständige Steuerung nicht erforderlich ist und daß einer oder mehrere Teile der vorstehend beschriebenen Einrichtung fortgelassen werden können. So kann es beispielsweise wünschenswert sein, eine Steuerung lediglich in Richtung entlang der Vertikalachse vorzusehen oder lediglich in den Richtungen quer zur Vertikalachse des Stabes.

Bei der Konstruktion des erfindungsgemäßen Lagersystems ist es wichtig, daß die Wicklungen jedes Paares, d.h. die Wicklungen 17 und 19, 21, und 23 sowie 77 und 79 so nah wie möglich aneinander angeordnet sind, um die Auswirkungen von magnetischen Streufeldern so weit wie möglich zu verringern. Weiterhin ist es wesentlich, daß die Ansprechzeit des Systems so klein wie möglich gehalten wird. Dieses Ergebnis wird dadurch erzielt, daß die Verwendung von Material mit hoher Permeabilität für die Permanentmagneten, die mit den Wicklungen zusammenwirken, vermieden wird und daß stattdessen ein Material, wie z.B. Samariumkobalt verwendet wird, das eine Permeabilität von 1 aufweist. Weil dieses Material besonders wirksam ist wenn es in dünnen Abschnitten verwendet wird, ermöglicht es die Erzielung eines sehr engen Abstandes der Wicklungen jedes Paars, wobei die einzige Beschränkung die Größe des Luftspaltes in dem Lagersystem ist, d.h. zwischen den Magneten 3 und 5 und ihren Gegenstücken an dem unteren

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Ende des gelagerten Stabes 1. In der Praxis kann der Spalt in dem Lagersystem 1,27 mm (0,050 Zoll) oder weniger betragen, während der Abstand der Wicklungen 3*81 mm (0,150 Zoll) oder weniger betragen kann.

Weiterhin kann es sich bei der Konstruktion des beschriebenen Lagersystems herausstellen, daß die wicklungen .jedes Paars in ihren Eigenschaften nicht identisch sind, so daß keine vollständige Aufhebung der in diesen Wicklungen durch äußere Felder induzierten Signale auftritt. Diese Schwierigkeit kann dadurch beseitigt werden, daß eine einfache Brücken-Symmetrier· anordnung verwendet wird, die ein Potentiometer 121 gemäß Fig. 3 beispielsweise zwischen den Wicklungen 17 und 19 und dem Eingang des Verstärkers 31 verwendet.

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Claims (8)

Patenfci-rnwahre Dipl.-Ing. Curt Wallach 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: 1^. Juni I978 Unser Zeichen: Iß 218 - Patentansprüche

1. Magnetisches Lagersystem mit einem von dem System zu lagernden Körper, mit Magnetkraft-ZufUhrungseinrichtungen zur Zuführung von Kräften an den Körper, um diesen zu lagern, und mit auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers entlang einer seiner Achsen ansprechenden Einrichtungen zur Rückführung des Körpers auf eine stabile Stellung, dadurch gekennze lehnet , daß die auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers (1) ansprechenden Einrichtungen (a) an dem Körper (1) befestigte Einrichtungen (9, 11, I3, 15, 71, 73, 75) zur Erzeugung getrennter Magnetfelder,(b) zumindest ein Paar von leitenden Wicklungen (17, 19, 21, 23, 77, 79), die jeweils zumindest teilweise derart innerhalb eines der Magnetfelder angeordnet sind, daß in diesen Wicklungen Ströme in Abhängigkeit von der Bewegung des Körpers (1) entlang der Achse und proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers (1) erzeugt werden, wobei diese Windungen derart miteinander verbunden sind, daß die Ströme einander verstärken und daß in den Wicklungen durch magnetische Streufelder induzierte Ströme sich aufheben, und (c) auf die in den Wicklungen (17, 19, 21, 25, 77, 79) induzierten kombinierten Ströme ansprechende Einrichtungen (31, *3, 45, 39, 49, 151, 87, 91, 93) zur Zuführung von Kräften an den Körper 1 derart, daß dieser in die gewünschte stabile Stellung zurückgeführt wird, umfassen.

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2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichn e t , daß die das Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen (3) an dem Körper (1) befestigte Permanentmagnete (71, 75, 75) einschließen, die mit Abstand entlang der Achse des Körpers angeordnet sind und jeweils in Richtung dieser Achse polarisiert sind, daß zwei dieser Magnete (71j 75) auf entgegengesetzten Seiten des dritten Magneten (73) angeordnet sind und die gleiche Polarisation aufweisen, während der dritte Magnet (73) eine entgegengesetzte Polarisation aufweist, und daß die Wicklungen (77, 79) den Körper (1) umgeben und jeweils zwischen verschiedenen benachbarten Paaren (71, 73/73, 75) der Magnete angeordnet sind.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Magnetfelder erzeugenden Einrichtungen (4) an dem Körper (1) befestigte Permanentmagnete (9, 11, 13j 15) einschließen, die entlang der Achse des Körpers mit Abstand angeordnet sind und jeweils in dieser Richtung polarisiert sind, daß zwei benachbarte Magnete (9, 11) in der gleichen Richtung polarisiert sind während die verbleibenden benachbarten Magnete (I3, I5) in der entgegengesetzten Richtung polarisiert sind, daß die Wicklungen vier Wicklungen (I7, I9, 21, 23) einschließen, die jeweils in Ebenen im wesentlichen parallel zu der Achse angeordnete Leiter aufweisen, daß die Wicklungen (17, 19, 21, 23) paarweise auf entgegengesetzten Seiten des Körpers (1) angeordnet sind, daß Teile jeder Wicklung jedes Paares zwischen benachbarten Magneten mit gleicher Polarisation eingefügt sind und daß die Wicklungen jedes Paars derart elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß in diesen Wicklungen auf Grund der Bewegung des Körpers (1) in einer Richtung quer zu der Achse induzierte Spannungen einander verstärken während durch Streumagnetfelder induzierte Ströme einander aufheben.

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4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die das Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen eine Anzahl von dünnen mit geringem Abstand voneinander angeordnete Scheiben (9, 11, IJ>, 15* 71 > 73* 75) aus Permanentmagnetmaterial einschließen, die an dem Körper (1) befestigt sind und daß zumindest Teile jeder der Wicklungen (I7, I9, 21, 23, 77, 79) zwischen benachbarten Scheiben eingefügt sind.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetmaterial eine Permeabilität von im wesentlichen 1 aufweist.

6. System nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetmaterial Samariumkobalt ist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Einrichtungen (58 bis 63, 102 bis 104) zur Erzeugung eines Signals vorgesehen sind, das die Beschleunigung des Körpers (1) entlang der Achse darstellt, und daß Einrichtungen zur Verwendung dieses Signals zur weiteren Steuerung der Kraftzuführung an den Körper (1) zur Rückführung dieses Körpers in seine gewünschte stabile Stellung vorgesehen sind.

8. System nach Anspruch J, dadurch gekennze ichn e t , daß die das zusätzliche Signal erzeugenden Einrichtungen eine Differenzierschaltung (58 bis 60,, 61 bis 63, 102 bis 104) einschließen, die auf die in den Wicklungen induzierten Ströme anspricht.

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