DE2825877A1 - Magnetisches lagersystem - Google Patents
Magnetisches lagersystemInfo
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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
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)
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.
«0IS1Ö/ÖS2·
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.
101810/0121
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.
90981Ö/0628
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