DE4210741A1 - Magnetische Lagerung für schwebenden Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung für einen Körper, der im Schwebezustand im magnetischen Feld eines Stators gehalten ist und magnetisierbare Komponenten enthält, die mit magnetisierbaren Kompo­ nenten des Stators zur Erzeugung einer stabilen beruh­ rungslosen Lage des Körpers zusammenwirken. Die magne­ tische Lagerung, von der die Erfindung ausgeht, ist im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben.

Magnetlager zur berührungslosen Lagerung von Körpern werden beispielsweise in G. Schweitzer (Editor), "Ma­ gnetic Bearings", Proceedings of the First Int. Symp. ETH-Zürich, Schweiz, 1988 beschrieben. Für Rotorwellen, aber auch für im magnetischen Feld schwebende Meßkör­ per sind Magnetlager aus DE-PS 38 08 331 und DE-PS 33 37 750 bekannt. Die Magnetlager weisen Permanentma­ gnete auf, in deren Magnetfeld der zu lagernde Körper, der seinerseits magnetische oder magnetisierbare Teile besitzt, eingebracht wird. Zur Lagestabilisierung die­ nen elektrische Regler, deren Ausgangssignale elektrische Spulen beaufschlagen. Vom Regler wird die zwischen den magnetisierbaren Magnetlagerkomponenten herrschende magnetische Feldstärke entsprechend dem Ausgangssignal eines Positionssensors beeinflußt, der den bestehenden Abstand zwischen berührungslos gelagertem Körper und magnetischem Stator mißt.

Aufgabe der Erfindung ist es, in einem Magnetfeld eine stabile schwebende Körperaufhängung mit einer geringen Anzahl von Magnetlagerkomponenten zu erreichen. Das Magnetlager soll einen einfachen, kostengünstig her­ stellbaren Aufbau aufweisen.

Diese Aufgabe der Erfindung wird gemäß Patentanspruch 1 durch Anordnung einer am Stator angebrachten ersten elektrischen Spule erreicht, die gleichzeitig als Po­ sitionssensor und als elektromagnetisches Stellglied mit den magnetisierbaren Komponenten des schwebenden Körpers zusammenwirkt, wobei die erste elektrische Spule Bestandteil einer Hochfrequenzmeßbrücke ist, die ihrerseits eine Referenzimpedanz enthält. Als Referenzimpedanz ist eine weitere elektrische Spule oder ein Ohmscher Widerstand einsetzbar.

Bevorzugt ist die Referenzimpedanz als weitere elek­ trische Spule mit im wesentlichen gleicher Impedanz wie die erste Spule ausgebildet und am Stator auf der dem schwebenden Körper abgewandten Seite der ersten elektrischen Spule angeordnet, Patentanspruch 2. Posi­ tionssensor und Referenzimpedanz weisen so gleiche elektrische Eigenschaften auf.

Eine optimale Regelung des Schwebezustands wird nach Patentanspruch 3 durch Beaufschlagung der weiteren elektrischen Spule nur mit dem Wechselspannungsanteil der Hochfrequenzmeßbrücke erreicht. Der Ausgangsstrom des elektronischen Reglers wird der Spule nicht zuge­ führt, so daß sich Positionssignal und Stellsignal gegenseitig nicht beeinflussen. Die Referenzspule kann vom Magnetlager entfernt angeordnet werden.

Gemäß Patentanspruch 4 sind alternativ zur Ausbildung nach Patentanspruch 3 die erste und die weitere elek­ trische Spule bevorzugt zwischen Körper und statorsei­ tigen Permanentmagneten angeordnet, wobei beide Spulen vom Regler-Ausgangsstrom in gleichem Drehsinn durch­ flossen sind. Bei dieser Ausbildung unterstützt die als Referenzimpedanz eingesetzte weitere Spule die erste Spule in ihrer Funktion als elektromagnetisches Stellglied.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Patent­ anspruch 5 ist es vorgesehen, beidseitig des den schwe­ benden Körper vom Stator trennenden Zwischenraums so­ wohl am Stator als auch am schwebenden Körper Perma­ nentmagnete mit gegenseitig anziehender Polarisierung zur radialen Zentrierung anzubringen. Nach Patentan­ spruch 6 wird hierzu jeweils am Stator und am schwe­ benden Körper mindestens ein Permanentmagnet auf der den elektrischen Spulen abgewandten Seite des schweben­ den Körpers befestigt. Letzteres ist insbesondere bei horizontaler Lagerung des Körpers zur Ausbildung von Magnetlagern an sich gegenüberliegenden Stirnseiten bedeutsam. Bei diesen Ausgestaltungen ist es zur wei­ teren Stabilisierung vorteilhaft, auf einer Polfläche eines der am Stator oder am schwebenden Körper ange­ brachten Permanentmagnete wenigstens eine Platte aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise aus Kupfer anzubringen, Patentanspruch 7.

Mit Vorzug wird die vorbeschriebene magnetische Lage­ rung nach Patentansprüchen 8 bis 12 zum Anbringen eines schwebenden Beleuchtungskörpers verwendet. Zweckmäßig wird der Beleuchtungskörper als sekundäre Lichtquelle benutzt und durch eine am Stator angebrachte primäre Lichtquelle bestrahlt. Als sekundäre Lichtquellen sind im Beleuchtungskörper von der Lichtquelle bestrahlte Lichtleiter, beispielsweise Spiegel angebracht. Bevor­ zugt wird ein Glasfaserbündel eingesetzt, dessen eines Ende im Strahlengang der Lichtquelle angeordnet ist, und dessen anderes Ende zur Lichtabgabe aufgespreizt ist. Die schwebende Lage des Beleuchtungkörpers und dessen Beleuchtung ist mit Hilfe des gleichen Regel­ kreises steuerbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen im Magnetfeld unterhalb eines Stators schwebenden Körper;

Fig. 2 zwischen zwei Statorschenkeln horizontal schwebender Körper;

Fig. 3 Regeleinrichtung zur Lagestabili­ sierung eines nach Fig. 1 magne­ tisch in Schwebe gehaltenen Körpers.

Fig. 4 schwebende Lagerung eines Beleuch­ tungskörpers.

Fig. 1 zeigt die magnetische Aufhängung eines im Ma­ gnetfeld unterhalb eines Stators 1 frei schwebenden Körpers 2. Sowohl der Körper als auch der Stator wei­ sen je einen Permanentmagneten 3, 4 auf. Der Permanent­ magnet 3 ist an einer dem Stator 1 gegenüberliegenden Seitenfläche des schwebenden Körpers 2 angebracht, der Permanentmagnet 4 ist am Stator 1 zwischen zwei elek­ trischen Spulen 5, 6 angeordnet. Die Spule 5, die vom Magnetfeld des Magnetlagers im offenen Spalt 7 zwischen schwebenden Körper 2 und Stator 1 aus gesehen, die erste der beiden Spulen 5, 6 bildet, dient sowohl als Positionssensor als auch als elektromagnetisches Stell­ glied für den schwebenden Körper 2. Die Spule 6 ist als Referenzimpedanz geschaltet. Beide Spulen werden im Ausführungsbeispiel vom Regler-Ausgangsstrom in gleichem Drehsinn 8 durchflossen. Die Spule 6 als Re­ ferenzspule unterstützt somit die Stellgliedfunktion der Spule 5.

Die Permanentmagnete 3, 4 sind ringförmig ausgebildet und parallel zueinander, insbesondere konzentrisch um eine gemeinsame Symmetrieachse 9 in gleicher magneti­ scher Richtung am Stator 1 und Körper 2 befestigt. So weisen im Ausführungsbeispiel beide Permanentmagnete eine Magnetisierungsrichtung 10 auf, die parallel zur senkrechten Symmetrieachse 9 von unten nach oben ver­ laufend ausgerichtet ist.

Fig. 2 zeigt einen zylindrischen magnetisch gelager­ ten Körper 11, der mit waagerechter Zylinderachse 12 berührungslos zwischen zwei stirnseitig des zylindri­ schen Körpers 11 angeordneten Statoren 13, 14 ruht. Auf beiden Stirnseiten des Körpers 11 befinden sich Permanentmagnete 15, 16, von denen einer der Permanent­ magnete, im Ausführungsbeispiel der Permanentmagnet 15 einem am Stator 13 in gleicher Magnetisierungsrich­ tung 17 befestigten Permanentmagneten 18 gegenüber­ steht, während der Permanentmagnet 16 auf der entge­ gengesetzt liegenden Stirnseite des schwebenden Kör­ pers 11 gegenüber einem im Stator 12 eingelassenen Permanentmagneten 19 angeordnet ist. Auch die Perma­ nentmagnete 16, 19 sind in gleicher Magnetisierungs­ richtung 17 wie die Permanentmagnete 15, 18 ausgerich­ tet, wobei jedoch zwischen den Permanentmagneten 16 und 19 zusätzlich eine Kupferplatte 20 eingesetzt ist. Die Kupferplatte 20 dient zur Stabilisierung der hori­ zontalen Lage des Körpers 11 auf derjenigen Stirnseite des Körpers auf der sich im Stator keine Spulen befin­ den.

Im Ausführungsbeispiel Fig. 2 sind elektrische Spulen 21, 22 zur Einstellung des Körpers 11 in seine Soll- Lage im Stator 13 angebracht. Die Spule 22 erfüllt da­ bei, in gleicher Weise wie die Spule 5 im Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1, sowohl die Funktion eines Posi­ tionssensors, als auch die Funktion als elektromagne­ tisches Stellglied. Die Spule 22 umgibt den Permanent­ magneten 18 an der Stirnseite des Stators 11 konzen­ trisch zur Statorachse 23, die sich im Ausführungsbei­ spiel mit der Zylinderachse 12 des Körpers 11 deckt. Die Spule 21 dient als Referenzimpedanz und wird bei der Regelung der Soll-Lage des Körpers 11 nur mit dem Wechselspannungsanteil des Reglers beaufschlagt. Die Spule 21 ist von der Spule 22 entfernt und - vom schwebenden Körper 11 aus gesehen - im Stator 13 hin­ ter der Spule 22 angeordnet. Anders als die Spule 6 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Anordnung der Spule 21 im Stator 13 nicht zwingend. Sie kann auch außerhalb der Magnetlagerung beispielsweise im Regler angebracht sein.

Eine Hochfrequenzmeßbrücke zur Regelung des in Fig. 1 wiedergegebenen Magnetlagers ist in Fig. 3 wiedergege­ ben. Die Spulen 5, 6 sind am Ausgang eines Brückenver­ stärkers 24 angeschlossen und werden beide vom Regler- Ausgangsstrom durchflossen. Am Eingang des Brückenver­ stärkers 24 sind am Eingangspunkt 25 ein Hochfrequenz- Oszillator 26 mit phasenempfindlichem Gleichrichter 27 und ein Regler 2B verbunden. Der Eingang des Gleich­ richters 27 ist mit einer elektrischen Leitung 29 am Verbindungspunkt 30 der Brückenschaltung zwischen den Spulen 5, 6 angeschlossen. Zum Zwecke der Erkennung der Abweichungsrichtung des schwebenden Körpers 2 aus seiner Soll-Lage wird der phasenempfindliche Gleich­ richter 27 vom Hochfrequenz-Oszillator 26 getaktet. Hierzu ist der Ausgang des Oszillators 26 neben seinem Anschluß am Eingangspunkt 25 des Brückenverstärkers 24 über einen Leitungsstrang 31 parallel auch mit dem phasenempfindlichen Gleichrichter 27 verbunden.

Der Abgleich der Brücke hängt von der Differenz der Spulenimpedanzen der Spulen 5, 6 in Analogie zur Po­ sition des im Magnetlager schwebenden Körpers 2 ab. Bei Abweichung von der Soll-Lage entsteht zwischen den Spulen 5, 6 im Verbindungspunkt 30 der Brückenschal­ tung ein der Abweichung proportionales elektrisches Signal, das im Gleichrichter 27 mittels des Hochfre­ quenzsignals vom Oszillator 26 so aufbereitet wird, daß Betrag und Richtung der Abweichung aus der Soll- Lage erfaßt sind. Ein entsprechendes Ausgangssignal des Gleichrichters 27 wird dem Regler 27 aufgeschaltet, der dann den Brückenverstärker 24 so steuert, daß des­ sen Ausgangsstrom über die Spulen 5, 6 das Magnetfeld in Spalt 7 derart verändert, daß der Körper 2 in seine Soll-Lage zurückgeführt wird.

Zur Regelung der in Fig. 2 wiedergegebenen Magnetla­ gerung für eine horizontale Körperlage ist eine der Fig. 3 analoge Hochfrequenzmeßbrücke einsetzbar. Es ist dabei allerdings dafür Sorge zu tragen, daß die Spule 21 als Referenzimpedanz nur mit dem Wechselspan­ nungsanteil der Hochfrequenzmeßbrücke beaufschlagt wird. Die Spule 22 ist auch stromdurchflossen.

In Fig. 4 ist ein gläserner Beleuchtungskörper 32 mit Glasfassung 33 wiedergegeben. Der Beleuchtungskörper ist im Magnetfeld unterhalb eines Stators 34 schwebend aufgehängt ist. Stator 34 und Beleuchtungskörper 32 sind entsprechend der in Fig. 1 dargestellten magne­ tischen Lagerung ausgebildet. Der Stator 34 weist einen permanentmagnetischen Ring 35 auf, der zwischen zwei elektrischen Spulen 36, 37 im wesentlichen konzentrisch zur Statorachse 38 angeordnet ist. Der Beleuchtungskör­ per 32 weist in seiner dem Stator 34 zugewandten Glas­ fassung 33 einen permanentmagnetischen Ring 39 auf, der in gleicher Weise wie der permanentmagnetische Ring 35 zur Statorachse 38 konzentrisch angeordnet ist. Die Statorachse 38 fällt im Ausführungsbeispiel mit einer Symmetrieachse 40 des Beleuchtungskörpers 32 zu­ sammen. Beide permanentmagnetischen Ringe 35 und 39 sind magnetisch gleichsinnig mit sich gegenseitig an­ ziehender Wirkung in Beleuchtungskörper 32 und Stator 34 eingesetzt.

Im Stator 34 ist eine elektrisch betriebene Primär­ lichtquelle 41 angeordnet. Im freien Achsraum zwischen den elektrischen Spulen 36, 37 und permanentmagneti­ schem Ring 35 verlaufen Lichtleiter 42 zur Weiterlei­ tung des in der Primärlichtquelle 41 erzeugten Lichts. Am Ende der Lichtleiter 42 ist eine optische Linse 43 im Stirnflächenbereich 44 des Stators 34 angeordnet. Über die Linse 43 gelangt das Licht entsprechend ge­ bündelt zum Beleuchtungskörper 32.

Auch der Beleuchtungskörper 32 weist Lichtleiter 45 auf. Sie leiten das von der Linse 43 ausgestrahlte Licht im Achsraum zwischen dem permanentmagnetischen Ring 39 zum Innenraum 46 des Beleuchtungskörpers 32 weiter. Das in der Glasfassung 33 befestigte eine Ende 47 der Lichtleiter 45 liegt somit im Strahlengang der Primärlichtquelle 41. Im Ausführungsbeispiel sind die Lichtleiter 45 an ihrem anderen Ende 48 im Innenraum 46 aufgespreizt, so daß innerhalb des gläsernen Be­ leuchtungskörpers viele Lichtpunkte entstehen, die in beliebiger Weise angeordnet sein können.

Im Ausführungsbeispiel ist der Stator 34 der äußeren Form nach einer Glühbirnenfassung entsprechend gestal­ tet, während der Beleuchtungskörper 32 eine unterhalb dieser Fassung frei schwebende Glühbirne darstellt. Bei Betrieb der Pirmärlichtquelle 41 wird dann der Ein­ druck erweckt, als würde die Glühbirne ohne in Verbi­ ndung mit der Birnenfassung zu stehen mit elektrischem Strom betreibbar sein.

Die schwebende Lage des Beleuchtungskörpers 32 und dessen Beleuchtung wird vom gleichen Regelkreis ge­ steuert. Im Ausführungsbeispiel "brennt" die Glühbirne nur im Schwebezustand.

Selbstverständlich läßt sich auch ein waagerecht an­ geordneter Beleuchtungskörper in einer magnetischen Lagerung der Fig. 2 analogen Art schwebend aufhängen.

Auf die Verwendung von Beleuchtungskörpern ist die Er­ findung nicht beschränkt. So lassen sich bei Bedarf z. B. in evakuierten Räumen berührungslos anzuordnende Teile örtlich fixieren oder als weiteres Beispiel zu Reklamezwecken dienende Gegenstände frei schwebend an­ bringen.

Claims (12)

1. Lagerung für einen Körper im Schwebezustand im magne­ tischen Feld eines Stators, der magnetisierbare Kom­ ponenten enthält, die mit magnetisierbaren Komponenten des Körpers zur Erzeugung einer stabilen berührungs­ losen Lage des Körpers zusammenwirken, wobei ein elek­ tronischer Regler in Verbindung mit einer vom Regler- Ausgangssignal beaufschlagten elektrischen Spule die zwischen den magnetisierbaren Komponenten herrschende magnetische Feldstärke entsprechend dem Ausgangssignal einer den Abstand des schwebenden Körpers vom Stator messenden Sensors beeinflußt, gekennzeichnet durch die Anordnung einer am Stator (1; 13, 14; 34) angebrach­ ten ersten elektrischen Spule (5; 22; 36), die gleich­ zeitig als Positionssensor und als elektromagneti­ sches Stellglied mit den magnetisierbaren Komponen­ ten des schwebenden Körpers (2; 11; 32) zusammenwirkt, wobei die erste elektrische Spule (5; 22; 36) Bestand­ teil einer Hochfrequenzmeßbrücke (24 bis 31) ist, die ihrerseits eine Referenzimpedanz (6; 21; 37) ent­ hält.

2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzimpedanz als weitere elektrische Spule (6; 21; 37) mit im wesentlichen gleicher Impedanz wie die erste Spule (5; 22; 36) ausgebildet und am Stator (1; 13; 34) auf der dem schwebenden Körper (2; 11; 32) ab­ gewandten Seite der ersten elektrischen Spule (5; 22; 36) angeordnet ist.

3. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere elektrische Spule (21) nur mit dem Wechselspannungsanteil der Hochfrequenzmeßbrücke beaufschlagt wird.

4. Nach Anspruch 1 und Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden elektrischen Spulen (5, 6; 36, 37) der statorseitige Permanentmagnet (4; 35) angeordnet ist und beide Spulen vom Regler-Ausgangsstrom in glei­ chem Drehsinn (8) durchflossen sind.

5. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig des Zwischenraums (7) zwischen schweben­ dem Körper (2; 11; 32) und Stator (1; 13, 14; 34) sowohl am Stator (1; 13, 14; 34) als auch am schwebenden Körper (2; 11; 32) Permanentmagnete (3; 4; 15, 16; 18, 19; 35; 39) mit gegenseitig anziehender Polarisierung angebracht sind.

6. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils am Stator (14) und am schwebenden Körper (11) mindestens je ein Permanentmagnet (16, 19) auf der den elektrischen Spulen (21, 22) abgewandten Seite des schwebenden Körpers (11) befestigt ist.

7. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Anbringung wenigstens einer Platte (20) aus elek­ trisch leitendem Material, vorzugsweise aus Kupfer, auf einer Polfläche eines der am Stator (14) oder am schwebenden Körper (11) angebrachten Permanentmagnete (16, 19).

8. Verwendung der magnetischen Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur schwebenden Anbringung eines Beleuchtungskörpers (32).

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungskörper (32) durch eine am Stator (34) angebrachte Primärlichtquelle (41) bestrahlt ist.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungskörper (32) von der Primärlicht­ quelle (41) bestrahlte Lichtleiter (42) aufweist.

11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtleiter (42) ein Glasfaserbündel einge­ setzt ist, dessen eines Ende (47) im Strahlengang der Primärlichtquelle (41) angeordnet ist, und dessen an­ deres Ende (48) zur Lichtabgabe aufgespreizt ist.

12. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die schwebende Lage des Beleuchtungskörpers (32) und dessen Beleuchtung mit Hilfe des gleichen Regel­ kreises gesteuert ist.