DE4110788A1 - Permanentmagnetische abstuetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine permanentmagne­ tische Abstützung zur berührungslosen Lagerung von Körpern.

Permanentmagnetische Abstützungen sind zur teilwei­ sen oder vollständigen Gewichtsaufnahme rotierend bewegter Körper, für berührungslose Transportvorrich­ tungen mit linearer Bewegungsfreiheit sowie schließ­ lich auch zur berührungslosen "Einpunkt"-Aufhängung von Gegenständen bekannt, für die keine Bewegungs­ freiheit gefordert wird, vgl. hierzu beispielsweise US-PS 48 12 694 (PT 1.286) sowie DE-PS 34 09 047 (PT 1.891); P. E. Allaire et al, "Design, construc­ tion and test of magnetic bearings in an industrial canned motor pump", proceedings of the sixth inter­ national pump users symposium, 1891, S. 65ff; V. Jung, "Magnetisches Schweben", Berlin 1888. Es sind aber auch magnetische Abstützungen bekannt, die einen Ge­ genstand berührungslos und starr an einen Stator kop­ peln, z. B. als berührungslos gelagerte Industrieplatt­ form. Zweck solcher permanentmagnetischen Abstützun­ gen ist es, den abgestützten Gegenstand möglichst exakt entsprechend einem vorgegebenen Ablaufplan ge­ genüber dem Stator zu bewegen, beispielsweise zum Zwecke der Justierung. Dies erfordert eine weitgehend starre magnetische Ankopplung des abgestützten Gegen­ standes an den Stator in allen Bewegungsfreiheits­ graden und das Anbringen von elektromotorischen Mit­ teln am Stator.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst starre Ankopplung eines Gegenstandes an einen Stator zu schaffen, wobei lediglich das Mitführen des Gegen­ standes bei einer Bewegung des Stators gefordert ist, nicht aber eine kontrollierte Führung des Gegen­ standes gegenüber dem Stator.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Danach sind in wenigstens 3 Kraftübertragungspunkten perma­ nentmagnetische Stützlager angeordnet, mit denen von den insgesamt 6 Bewegungsfreiheitsgraden des abge­ stützten Körpers 5 Freiheitsgrade mittels permanent­ magnetischer elastischer Kräfte an den Stator gebun­ den sind. Nur in einem, dem noch verbleibenden 6. Frei­ heitsgrad besteht entsprechend dem bekannten Theorem von Earnshaw Instabilität zwischen abgestütztem Ge­ genstand und Stator. Dieser 6. Freiheitsgrad wird durch andere Mittel stabilisiert, beispielsweise durch einen mechanischen Anschlag oder durch eine hydrostatische oder hydrodynamische Abstützung, oder auch durch eine berührungslose elektromotorische Ab­ stützung mittels am Stator befestigter Elektromagnete oder Supraleiter.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in Patentansprü­ chen 2 bis 8 angegeben.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen sind nachfol­ gend an Hand in der Zeichnung schematisch wiederge­ gebener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 Permanentmagnetische Abstützung mit drei permanentmagnetischen La­ gern, deren ringförmige Permanent­ magnete planparallel zueinander angeordnet sind;

Fig. 2 permanentmagnetische Abstützung für einen innerhalb eines geschlos­ senen Gehäuses bewegbaren Rotor mit außerhalb des Gehäuses angeord­ netem Rotorantrieb.

In Fig. 1 ist schematisch eine permanentmagnetische Abstützung in drei Kraftübertragungspunkten A, B, C wiedergegeben. Ein abgestützter Körper 1 steht mit einem Stator 2 über drei permanentmagnetische, be­ rührungslose Stützlager 3, 4 und 5, die als perma­ nentmagnetische "Kupplungen" wirken und in 5 Frei­ heitsgraden nur geringfügige Relativbewegungen zwi­ schen abgestütztem Körper 1 und Stator 2 zulassen, sowie über zwei mechanische Anschläge 6a, 6b in kraft­ schlüssiger Verbindung. Die mechanischen Anschläge 6a, 6b stabilisieren den abgestützten Gegenstand in Richtung einer Achse 7 des Körpers 1.

Jedes der drei permanentmagnetischen Stützlager 3, 4, 5 besteht aus zwei permanentmagnetisierten Ring­ magneten 8a, 8b bzw. 8a, 9b und 10a, 10b. Die Ring­ magnete stehen sich mit jeweils anziehender magneti­ scher Wirkung in engem axialen Abstand 11 gegenüber, sie sind jeweils in Richtung ihrer Ringachsen 12, 13 und 14 magnetisiert. Im Ausführungsbeispiel ver­ laufen die Ringachsen und die Achse 7 des abgestütz­ ten Gegenstandes zueinander parallel. Die Lage der Achse 7 fällt somit bei der gegebenen Magnetisierung auch mit der Richtung des magnetischen Flusses inner­ halb der von den Ringmagnetpaaren 8a, 8b bzw. 9a, 9b und 10a, 10b gebildeten Spalte 15, 16, 17 zusam­ men. Damit verläuft in Richtung der Achse 7 auch die magnetische Kraftinstabilität der permanentmagneti­ schen Abstützung, die im Ausführungsbeispiel durch die bereits erwähnten mechanischen Anschläge 6a, 6b aufgefangen wird.

Die hohe Stabilität der permanentmagnetischen Abstüt­ zung des Gegenstandes wird gemäß der Erfindung durch die permanentmagnetische Rückstellkraft erreicht, die jeweils bei gegenseitiger radialen Versetzung der beiden in den Stützlagern sich gegenüberstehenden Ringmagnete erzeugt wird. Die Ringmagnete sind be­ strebt, stets ihre konzentrische Lage herzustellen. Auf diese Weise werden translatorische Verschiebun­ gen des abgestützten Körpers 1 in Richtungen senk­ recht zur Achse 7 (zwei Freiheitsgrade), aber auch Kipp- bzw. Drehbewegungen um die Achse 7 (ein Frei­ heitsgrad) und um alle Achsen, die in einem Winkel zur Achse 7 verlaufen (zwei Freiheitsgrade), insge­ samt also fünf Freiheitsgrade stabilisiert. Der 6. Freiheitsgrad, eine translatorischer Verschiebung des Körpers 1 in Richtung der Achse 7 wird durch die mechanischen Anschläge 6a, 6b begrenzt.

Bevorzugt wird die angegebene permanentmagnetische Abstützung zur Führung von in geschlossenen Gehäusen zu bewegenden Gegenständen eingesetzt, insbesondere zur Führung von gekapselten Rotationskörpern. Die mag­ netische Abstützung dient dann dem Gegenstand zugleich als berührungsloses permanentmagnetisches Lager sowie als berührungslose Kupplung zwischen rotierendem Ge­ genstand und Stator. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der abgestützte Körper Rotor einer Pum­ pe ist, mit der sehr rein zu haltende und/oder aggressive Medien in hermetisch abgeschlossenen Leitun­ gen befördert werden sollen. Insbesondere trifft dies für Anwendungen in der Vakuumtechnik und der chemi­ schen Verfahrenstechnik zu.

In Fig. 2 ist ein in einem als Kapsel 18 ausgebil­ deten Gehäuse hermetisch eingeschlossener Rotor 18 mit einem außerhalb der Kapsel 18 angeordneten Rota­ tionsantrieb 20 gezeigt. Bei dieser permanentmagne­ tischen Abstützung mit ebenfalls drei permanentmag­ netischen Stützlagern 21, 22, 23 für den Rotor 19 verläuft ein Kapselabschnitt 18a in Zwischenräumen zwischen inneren permanentmagnetischen Ringmagneten 24a und 25a und äußeren permanentmagnetischen Ring­ magneten 24b und 25b. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Stützlager 21, 22 im Winkel zur Ro­ tationsachse 26 des Rotationsantriebs 20 angeordnet, das Stützlager 23 wird dagegen von Ringmagneten 27a, 27b gebildet, deren Ringachsen mit der Rotationsachse 26 zusammenfallen.

Auch bei der permanentmagnetischen Abstützung nach Fig. 2 wird der nicht permanentmagnetisch abge­ stützte 6. Bewegungsfreiheitsgrad des Rotors 19 in Richtung der Rotationsachse 26 von mechanischen An­ schlägen 28a, 28b aufgefangen. Im Ausführungsbeispiel wirkt die permanentmagnetische Abstützung mit ihren Stützlagern 21, 22 sowie dem axialen Stützlager 23 und den mechanischen Anschlägen 28a, 28b über den Rotationsantrieb 20 als dichtungsfreie Drehdurchfüh­ rung für den Rotor 19, wobei der Rotationantrieb außerhalb der hermetisch abgeschlossenen Kapsel 18 angeordnet ist. Es lassen sich auf diese Weise me­ chanische Drehdurchführungen mit ihren insbesondere bei Chemiepumpen schwierigen Abdichtproblemen ver­ meiden.

Die winkelige Anordnung der Stützlager 21, 22 zum Stützlager 23 berücksichtigt daß der Kapselabschnitt 18a möglichst dünnwandig auszuführen ist, um geringe Spaltweiten zwischen den Ringmagneten der Stützlager beibehalten zu können, und den Gehäusen dennoch ihre erforderliche Formstabilität zu geben. Innerhalb eines Winkelspielraums von etwa ±30° ist die winke­ lige Anordnung der Stützlager 21, 22 ohne Bedeutung für die Funktionsfähigkeit der permanentmagnetischen Abstützung.

Zur Erhöhung des maximal übertragbaren Drehmoments können anstelle der einzelnen Stützlager 21, 22 zu­ sätzlich weitere Stützlager gleicher Bauart einge­ setzt werden, deren Ringmagnete ebenfalls so zu orientieren sind, daß sie bei ihrer Rotationsbewe­ gung nicht in Berührung mit der Kapsel 18 kommen. Eine Erhöhung der Anzahl der permanentmagnetischen Stützlager kann auch dann zweckmäßig sein, wenn damit der Kupplungsradius, d. h. der senkrechte Abstand der Mittelpunkte der einzelnen Stützlager von der Achse 7 oder der Rotationsachse 26 des Systems reduziert werden soll.

Bei erhöhter Anzahl von permanentmagnetischen Stütz­ lagern zur Ausbildung der Drehdurchführung kann es erforderlich sein, zusätzliche Permanentmagnetpaare auch zur Unterstützung der axialen Gegenkraft anzu­ bringen, die vom Stützlagers 23 erzeugt wird. Dies führt ggfs. auch zur Erhöhung der statischen und dy­ namischen Gesamttragkraft der magnetischen Abstützung.

Claims (8)

1. Permanentmagnetische Abstützung für einen im we­ sentlichen starren Körper (1), bei der in wenig­ stens drei Kraftübertragungspunkten (A, B, C) zur Abstützung des Körpers (1) in drei rotato­ rischen und zwei translatorischen Freiheitsgra­ den berührungslose permanentmagnetische Lager (3, 4, 5) angeordnet sind, die den Körper (1) an einen Stator (2) koppeln, und daß der ver­ bleibende translatorische Freiheitsgrad in ande­ rer Weise, inbesondere durch mechanische und/oder elektromagnetische Abstützung (6a, 6b) des Kör­ pers (1) gegenüber dem Stator (2) festgelegt ist.

2. Permanentmagnetische Abstützung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kraftübertragungspunkten (A, B, C) jeweils wenigstens ein mit dem abzustützenden Körper (1) verbundener Permanentmagnet (8a, 9a, 10a) mit wenigstens einem Permantmagneten (8b, 9b, 10b) am Stator (2) zusammenwirkt, wobei die berührungslosen permanentmagnetischen Stützkräfte der Lager (3, 4, 5) im wesentlichen parallel zu den Polflächen der Permanentmagnete (8a, 8b bzw. 9a, 9b und 10a, 10b) wirken.

3. Permanentmagnetische Abstützung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen aller Permanentmagnete im we­ sentlichen eben ausgebildet und parallel zuein­ ander angeordnet sind.

4. Permanentmagnetische Abstützung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Kraftübertragungspunkt (A, B, C) mindestens zwei ringförmige Permanentmagnete (8a, 8b bzw. 9a, 9b und 10a, 10b) mit axialer Magnetisierungrichtung angeordnet sind, die sich mit anziehender Wirkung in engem axialen Abstand (11) gegenüberstehen.

5. Permanentmagnetische Abstützung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 4 von den sich in engem Abstand gegenüberstehenden Permanentmagneten (8a, 8b, und 9a, 9b) derart angeordnet sind, daß die von diesen gebildeten magnetischen Spalte im wesent­ lichen in gleicher Ebene liegen.

6. Permanentmagnetische Abstützung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der abgestützte Körper (1) als Rotor (19) ausgebildet ist, dessen Rotationsachse (26) im wesentlichen parallel zur Magnetisierungsrich­ tung von Permanentmagneten (27a, 27b) angeordnet ist.

7. Permanentmagnetische Abstützung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Anordnung eines mit dem Stator (2) verbun­ denen Gehäuses (18), dessen Wandung mindestens durch die magnetischen Spalte zweier Stützlager (21, 22) gezogen ist, wobei die Wandstärke der Wandung des Gehäuses an der Durchführungsstelle (18a) bzw. die Spaltweiten der magnetischen Stütz­ lager (21, 22) zwischen innerhalb und außerhalb des Gehäuses angeordneten Permanentmagneten (24a, 24b; 25a, 25b) so bemessen sind, daß die Perma­ nentmagnete (24a, 24b bzw. 25a, 25b) und die Wandung des Gehäuses (18) berührungslos bleiben.

8. Permanentmagnetische Abstützung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des Gehäuses (18) angebrachten Permanentmagnete (24b, 25b) an einem um die Ro­ tationsachse (26) des Rotors (19) drehbar ange­ ordneten Rotationsantrieb (20) befestigt sind, und daß dessen Bewegung mittels der durch die Wandung des Gehäuses (18) wirkenden permanent­ magnetischen Kräfte auf den vom Gehäuse umschlos­ senen Rotor (19) berührungslos übertragen wird.