DE8901415U1

DE8901415U1 - Friction-free bearing of a rotating part

Info

Publication number: DE8901415U1
Application number: DE8901415U
Authority: DE
Original assignee: Horst Siedle KG
Current assignee: Horst Siedle KG
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1989-02-08
Publication date: 1989-04-27

Description

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Company Horst Siedle KG, 7743 Furtwangen

Reibungsfreie Lagerung eines drehbaren Teils Stand der Technik Friction-free bearing of a rotating part State of the art

Die Erfindung geht aus von einer reibungsfreien Lagerung eitlem drehbaren Teils nach dem Oberbegriff des AnspruchsThe invention is based on a friction-free bearing of a rotatable part according to the preamble of the claim

Reibungsfreie vier mindestens weitgehend reibungsfreie Lagerungen haben für viele technische Systeme eine erhebliche Bedeutung, insbesondere im Bereich der Meßtechnik, wo es darauf ankommt, noch durch sehr schwache Kräfte erzeugte Verdrehbewegungen hochgenau und möglichst ohne aus dem System heraus resultierende Rückstellkräfte zu erfassen und auszuwerten. Es handelt sich hier insbesondere um solche Drehbewegungen, die weniger als einen Vollkreis umfassen, obwohl auch eine Vielzahl von Anwendungsgebieten in Frage kommen, wo möglichst reibungsfrei, aber gedämpft ablaufende Bewegungen ausgewertet werden müssen, die aus Drehwinkeln von mehr als 360" herrühren.Friction-free or at least largely friction-free bearings are of considerable importance for many technical systems, especially in the field of measurement technology, where it is important to record and evaluate twisting movements caused by very weak forces with high precision and, if possible, without restoring forces resulting from the system. This particularly concerns rotary movements that cover less than a full circle, although a number of application areas are also possible where movements that are as friction-free as possible but dampened and that result from angles of rotation of more than 360" must be evaluated.

Allgemeine Anwendungsgebiete für solche reibungsfreien Lagerungen sind beispielsweise die Pendellagerung für optische ieneoren, für Neigungegeber, sogenannte Xnklinometer, elektronische Wasserwaagen, die Lagerung fürGeneral areas of application for such friction-free bearings are, for example, the pendulum bearing for optical sensors, for inclination sensors, so-called xnclinometers, electronic spirit levels, the bearing for

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Zeigerinstrumente u.dgl., also überall dort, wo eine Drehbewegung hochgenau in eine vorgegebene Endlage überführt werden muß, ohne daß hierbei Drehmomente überwunden werden müssen, die hauptsächlich auf Lagerreibung zurückzuführen sind. Dabei ist es sehr häufig erforderlich, solche Bewegungen gleichzeitig zu dämpfen, und zwar gerade dann, wenn die Lagerung reibungsfrei oder praktisch reibungsfrei ist, da von dieser dann keine Dämpfungswirkungen erwartet werden können.Pointer instruments etc., i.e. anywhere where a rotary movement has to be transferred to a specified end position with high precision without having to overcome torques that are mainly due to bearing friction. It is very often necessary to dampen such movements at the same time, especially when the bearing is friction-free or practically friction-free, since no damping effects can then be expected from it.

Es sind schon eine Vielzahl von Techniken bekannt, um solche Lagerungen zu realisieren, beispielsweise die Auswahl besonders reibungsfreier Kugellager, wobei die Dämpfung dann über kräftige Magnete unter Ausnutzung von induzierten Wirbelströmen (Wirbelstromdämpfung) erfolgen kann.A variety of techniques are already known for implementing such bearings, for example the selection of particularly friction-free ball bearings, whereby the damping can then be achieved via powerful magnets using induced eddy currents (eddy current damping).

Es ist auch bekannt, eine Pendellagerung beispielsweise für optische Sensoren insofern lagerfrei auszubilden, als der Pendel selbst ein Federstab ist. In diesem Fall sind jedoch nur sehr kleine Auslenkungen möglich, da sich mit der Auslenkung eine FederrUckstellkraft aufbaut; außerdem weist ein solcher Federstab innere Dämpfungseigenschaften auf.It is also known to design a pendulum bearing, for example for optical sensors, without bearings, in that the pendulum itself is a spring rod. In this case, however, only very small deflections are possible, since a spring restoring force builds up with the deflection; in addition, such a spring rod has internal damping properties.

Für eich gesehen ebenfalls schon bekannt ist die Realisierung sogenannter Magnetlager, bei denen die Wirkung von gleichnamigen und sich daher voneinander abstoßenden Polen ausgenutzt wird.Also already known to me is the realization of so-called magnetic bearings, in which the effect of poles with the same name and therefore repelling each other is exploited.

Die folgende Erläuterung der Erfindung bezieht eich speziell auf eine Pendellagerung für einen optischen Sensor, bei dem beispielsweise ein Spiegel einen auf ein optoelektronisches Element fallenden LichtstrahlThe following explanation of the invention relates specifically to a pendulum bearing for an optical sensor in which, for example, a mirror reflects a light beam falling on an optoelectronic element.

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entsprechend ablenkt. Die AueWertung der Auslenkung dee Pendele erfolgt dann elektronisch, so daß sich jedenfalls in diesem elektronischen Bereich keine Temperaturprobleme ergeben können, da hierfür gängige und zufriedenstellend arbeitende Kompensationen möglich sind.The evaluation of the deflection of the pendulum is then carried out electronically, so that no temperature problems can arise in this electronic area, since common and satisfactory compensations are possible.

Problematisch ist aber bei allen solchen Lagerungen der Temperaturgang im mechanischen Bereich, der nur schwer beherrscht werden kann und insbesondere bei Federstabpendeln nachteilig sein kann.However, the problem with all such bearings is the temperature variation in the mechanical area, which is difficult to control and can be particularly disadvantageous for spring rod pendulums.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine reibungsfreie Lagerung für ein drehbares Teil zu schaffen, welches mit hoher und höchster Genauigkeit bei völliger reibungsfreiheit Drehbewegungen auswerten kann und besonders platzsparend gleichzeitig eine besonders wirkungsvolle Dämpfung ermöglicht.The invention is based on the object of creating a friction-free bearing for a rotating part which can evaluate rotary movements with high and highest precision and with complete freedom from friction and at the same time enables particularly effective damping in a particularly space-saving manner.

Advantages of the invention

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß sich durch die Kombination einer Magnetlagerung mit einer magnetischen Dämpfung ein insofern synergistischer Effekt ergibt, als bei Auswahl von jeweils einen einheitlichen, also vollständigen Magneten mit Nord- und Südpol für jeden Lagerungspunkt der Pendelachse jeweils ein freier und daher nicht belegter Südpol und Nordpol ergeben, die dann gleichzeitig zu Dämpfungszwecken durch Induzierung von Wirbelströmen im Pendelbereich ausgenutzt werden können.The invention solves this problem with the characterizing features of the main claim and has the advantage that the combination of a magnetic bearing with a magnetic damping results in a synergistic effect in that when selecting a uniform, i.e. complete magnet with a north and south pole for each bearing point of the pendulum axis, a free and therefore unoccupied south pole and north pole are created, which can then be used simultaneously for damping purposes by inducing eddy currents in the pendulum area.

Ein solches Grundsystem, welches die magnetische Dämpfung mit einer magnetischen Lagerung integriert, ist VölligSuch a basic system, which integrates magnetic damping with a magnetic bearing, is completely

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reibungsfrei und auoh In seinem mechanischen Itemperaturverhalten problemlos, wobei der Aufbau auf kleinstem Kaum gelingt, denn die für die Lagerung der Achse herangezogenen Magnete übernehmen gleichzeitig die Dämpfungsaufgabe für das achsgelagerte System.friction-free and problem-free in its mechanical and temperature behavior, whereby the structure is achieved on the smallest possible scale, because the magnets used for the bearing of the axle simultaneously take on the damping task for the axle-mounted system.

Durch die in den UnteransprUchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung jedes der beiden Magnete als Hufeisenmagnet von allgemeiner U-Form, so daß für die Magnetlagerung eine Nord-Südpolpaarung und für die Dämfpung eine Süd-Nordpolpaarung der sich mit ihren jeweiligen Polflächen gegenüberliegenden Magneten möglich ist.The measures listed in the subclaims enable advantageous further developments and improvements of the invention. Particularly advantageous is the design of each of the two magnets as a horseshoe magnet with a general U-shape, so that a north-south pole pairing is possible for the magnetic bearing and a south-north pole pairing is possible for the damping of the magnets with their respective pole faces opposite one another.

Die in den jeweiligen Polfassungen (beispielsweise Bohrungen) aufgenommenen Enden der Stabmagnet-Achse sitzen in diesen Bohrungen vollkommen reibungsfrei, da allseitig im Abstand durch die magnetische Abstoßung gehalten; dabei setzt sich ein von dieser Achse ausgehendes Teil, welches auch einstückiges Teil des Pendels selbst sein kann, bis in den Bereich des anderen Magnetfelds fort, welches sich durch die Luft aufgrund der aufeinander ausgerichteten restlichen beiden Magnetpole der Hufeisen-Magnete aufbaut. Dort induziert dann dieses Magnetfeld entsprechende Wirbelströme in einem entsprechenden Material des Pendels bzw. des dortigen Pendelteils, welches eine Scheibe, eine Kupferfahne, ein (Teil)kreisbogen oidgl. sein kann und dämpft hierdurch gleichzeitig die Pendelbewegung geschwindigkeitsabhängig.The ends of the bar magnet axis, which are accommodated in the respective pole holders (for example holes), sit in these holes completely friction-free, as they are kept at a distance on all sides by magnetic repulsion; a part emanating from this axis, which can also be an integral part of the pendulum itself, continues into the area of the other magnetic field, which is built up through the air due to the remaining two magnetic poles of the horseshoe magnets being aligned with one another. There, this magnetic field then induces corresponding eddy currents in a corresponding material of the pendulum or the pendulum part there, which can be a disk, a copper flag, a (partial) circular arc, etc., and at the same time dampens the pendulum movement depending on the speed.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden BeschreibungEmbodiments of the invention are illustrated in the drawing and are described in the following

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nähär erläutert. Es zeigensexplained in more detail. It shows

Pig. 1 stärk schematisiert eine Aueführungeform einer erfindungsgemäßen reibungsfreien Pendellagerung mit integrierter Dämpfung undPig. 1 shows a highly schematic design of a friction-free pendulum bearing according to the invention with integrated damping and

Fig. 2 eine Ansicht hauptsächlich der Pendelerstreckung längs der Linie H-II der Fig. 1 .Fig. 2 is a view mainly of the pendulum extension along the line H-II of Fig. 1 .

Description of the implementation examples

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, in einer Kombination die von einer Magnetlagerung für eine Achse herrührenden, jeweils freien, ungleichnamigen Magnetpole zu einer weiteren Paarung zusammenzustellen und in einem durch die körperliche Erstreckung der verwendeten Magnete vorgegebenen Abstand ein Luftmagnetfeld aufzubauen, in welches sich dann ein Teil des Pendels selbst bzw. eine Pendelfahne erstreckt und so ausgebildet ist, daß sich hierdurch gleichzeitig eine in der üblichen Weise geschwindigkeitsgedämpfte Wirbelstrombremsdämpfung ergibt.The basic idea of the present invention is to combine the free, opposite magnetic poles originating from a magnetic bearing for an axle into a further pairing and to build up an air magnetic field at a distance determined by the physical extension of the magnets used, into which a part of the pendulum itself or a pendulum vane then extends and is designed in such a way that this simultaneously results in eddy current braking damping with speed damping in the usual way.

Die beiden jeweils die Lagerschalen links und rechts für die Pendellagerung bildenden Hufeisenmagnete sind mit 10a und 10b bezeichnet; sie bilden mit einem drehbaren Teil 11 eine reibungsfreie Lagerung, speziell eine Pendellagerung mit gleichzeitiger Dämpfung.The two horseshoe magnets forming the bearing shells on the left and right for the pendulum bearing are designated 10a and 10b; together with a rotating part 11 they form a friction-free bearing, specifically a pendulum bearing with simultaneous damping.

Das drehbare Teil umfaßt eine Achse 12 und eine von dieser Achse 12 ausgehende, eine im Grunde beliebige körperliche Erstreckung aufweisende Verlängerung 13, die als Pendel bezeichnet werden kann. Die Achse 12 lagert das Pendel 13 beispielsweise mittig, so daß sich symmetrische Belastungen der beiden Lagerschalen 14a, 14b für dieThe rotating part comprises an axis 12 and an extension 13 extending from this axis 12, which can be referred to as a pendulum. The axis 12 supports the pendulum 13, for example, centrally, so that symmetrical loads on the two bearing shells 14a, 14b are generated for the

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Axis 12.

Bei dem dargestellten Aueführungebeispiel ist jeder Magnet 10a, 10b so ausgebildet, daß er über einen Basissteg 15a und über zwei an diesen senkrecht angesetzte kürzere Querstege 15b, 15b¹ verfügt. Die Pendelachse ist in Form eines Stabmagneten ausgebildet, so daß sich an deren Enden im Bereich der Fassungen 14a, 14b jeweils ein Nord- bzw. ein Südpol bilden. Die Fassungen sind gebildet von die Magnetstabenden aufnehmenden Bohrungen in den in der Zeichenebene der Fig. 1 oberen kürzeren Querschenkeln 15b der beiden Magnete - Bezugszeichen sind lediglich am linken Magneten 10a angebracht, da der rechte Magnet 10b identisch symmetrisch aufgebaut ist -, so daß die Magnetstabenden der Achse 12, wenn sie in die Aufnahmebohrungen 16 eingesetzt werden, zur zylindrischen Innenwandung jeder Bohrung und zum Bohrungsgrund einen Spaltabstand notwendigerweise einhalten müssen, infolge der bei gleichnamigen Polen wirkenden Abstoßungskräfte. Da diese mit sich verringerndem Abstand mit der dritten Potenz anwachsen, sind die Achsenden völlig reibungsfrei schwebend in ihren Fassungen gehalten. Dabei kann das Pendel selbst extrem leicht ausgebildet sein, da es aus diesem Grunde (keine Reibung) auch kein Drehmoment zu überwinden braucht.In the embodiment shown, each magnet 10a, 10b is designed such that it has a base web 15a and two shorter cross webs 15b, ^15b1 attached perpendicularly to this. The pendulum axis is designed in the form of a bar magnet, so that a north and a south pole are formed at its ends in the area of the holders 14a, 14b. The holders are formed by holes receiving the magnet rod ends in the shorter cross legs 15b of the two magnets, which are upper in the plane of the drawing in Fig. 1 - reference numerals are only applied to the left magnet 10a, since the right magnet 10b is constructed in the same symmetrical manner - so that the magnet rod ends of the axis 12, when they are inserted into the receiving holes 16, must necessarily maintain a gap between the cylindrical inner wall of each hole and the bottom of the hole, as a result of the repulsive forces acting on poles of the same name. Since these increase with the third power as the distance decreases, the ends of the axle are held in their sockets so that they float without any friction. The pendulum itself can be extremely light, as for this reason (no friction) it does not need to overcome any torque.

Durch die Rückkrümmung der für die.Magnetlagerung der Achse 12 benötigten Magnete 10a, 10b auf sich selbst angrenzend zur Magnetlagerung, wo sich dann also in der Zeichenebene der Fig= 1 unterhalb der Magnetlagerung nunmehr ein freier Südpol S' des Magneten 1Oa und ein freier Nordpol N* des Magneten 10b gegenüberstehen, ist es möglich, hier ein weiteres einwandfreies Magnetfeld 16 durch die Luft aufzubauen, so daß sich gleichzeitig eine wirkungsvolle, auf Wirbelstrombildung zu-By bending the magnets 10a, 10b required for the magnetic bearing of the axis 12 back onto themselves adjacent to the magnetic bearing, where then in the drawing plane of Fig. 1 below the magnetic bearing a free south pole S' of the magnet 10a and a free north pole N* of the magnet 10b are now facing each other, it is possible to build up another perfect magnetic field 16 through the air, so that at the same time an effective eddy current formation is achieved.

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rücksnführende Dämpfung der Pendellagerung realisieren läßt.reversible damping of the pendulum bearing can be realized.

Hierzu braucht lediglich ein mit der Achse 12 drehfestes Teil natürlich aus einem für Hirbelstrombildung geeigneten Material, beispielsweise Kupfer o.dgl, in den Bereich des Magnetfeldes 16 geführt zu werden. Es kann sich xiierbei um den Pendel selbst handeln, um eine Pendelfahne oder auch um eine von der Achse 12 scheibenförmig nach allen Richtungen gleichmäßig ausgehende, am Rande gleichmäßige oder ungleichmäßige Form 18, wie sie in Fig. 2 durch die unregelmäßig gebrochene Umrandung angedeutet ist.All that is required for this is that a part that is rotationally fixed to the axis 12 and is made of a material suitable for the formation of Hirbel currents, such as copper or the like, is guided into the area of the magnetic field 16. This can be the pendulum itself, a pendulum vane or a disc-shaped shape 18 that extends from the axis 12 in all directions and is uniform or irregular at the edge, as is indicated in Fig. 2 by the irregularly broken border.

Die für sich gesehen bekannte, zur Bewegungsbremsung eingesetzte Wirbelstrombildung läuft im Grundprinzip so ab, daß das äußere, sich durch die Bewegung der Fahne an der Pendelachse oder der Pendelachse selbst ändernde, auf den Südpol S' und den Nordpol N' der Magnete 10a, 10b zurückzuführende Magnetfeld in der Fahne Wirbelströme induziert, die ihrerseits ein Gegenmagnetfeld aufbauen, welches dann als magnetische Bremse in Verbindung mit dem primären Magnetfeld wirkt.The eddy current formation, which is known in itself and used to brake movement, basically works in such a way that the external magnetic field, which changes due to the movement of the vane on the pendulum axis or the pendulum axis itself and is attributable to the south pole S' and the north pole N' of the magnets 10a, 10b, induces eddy currents in the vane, which in turn build up a counter magnetic field, which then acts as a magnetic brake in conjunction with the primary magnetic field.

Dieser magnetische Einfluß hört auf, wenn das Pendel sich nicht mehr bewegt, so daß die Lage des Pendels sich hochgenau einstellen kann. Tatsächlich ist die Dämpfung, da sie insofern geschwindigkeitsabhängig ist, im Ruhezustand gleich Null.This magnetic influence stops when the pendulum stops moving, so that the position of the pendulum can be adjusted with high precision. In fact, the damping, since it is speed-dependent, is zero when at rest.

Eine solche Pendellagerung läßt sich auf beliebige drehende Teile, die gleichzeitig in ihrer Bewegung gedämpft werden sollen, anwenden, also beispielsweise auf die erwähnte pendellagerung für optische Sensoren, auf Zeigerinstrumente, gegebenenfalls auch auf Schritt-Such a pendulum bearing can be used on any rotating parts that need to be dampened in their movement at the same time, for example on the pendulum bearing for optical sensors mentioned above, on pointer instruments, and possibly also on stepper motors.

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motoren, wobei dann die durch die Wirbelströme beeinflußte Fahne radförmig ausgebildet sein kann.motors, whereby the vane influenced by the eddy currents can be wheel-shaped.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All features presented in the description, the claims and the drawing can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.

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Claims

DlPL-ING. PETER OTTE IWENTAtWW-T..= .'." D-725ou»nt»g Representative at the European Patent Office / European Patent Attorney Tiroler Straße 15 2209/ot/mü 13.01.1989 Horst Siedle KG, 7743 Furtwangen Protection claims

1. Friction-free and at the same time damped bearing of a rotating part, in particular pendulum bearing for optical sensors, inclinometers, inclinometers, electronic spirit levels, for pointers in pointer instruments and the like, with an axis held in a bearing on both sides, characterized by the combination of the following measures:

a) the bearing of the (pendulum) axis (12) is carried out in a known manner by a magnetic bearing, in which the north pole/south pole ends of the axis (12) designed as a magnetic rod are held frictionlessly by magnetic pole holders of the same name with a gap on all sides based on magnetic repulsion and

b) one-piece magnets are provided on each side of the axis (12), i.e. a total of two magnets (10a, 10b), which are curved towards each other with their respective other free poles not occupied by the magnetic bearing and which accommodate between them a part (13) connected to the axis (12) made of such a material that eddy currents for damping are induced in it by the magnetic flux of the free poles (S', N') depending on the speed.

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2. Friction-free bearing according to claim 1, characterized in that the two magnets (10a, 10b) are horseshoe permanent magnets, with shorter transverse legs (15b, 15b') attached (at right angles) to a connecting base (15a), whereby a first pair of transverse legs aligned with one another forms the sockets for the ends of the axle (12) and the

other pairing in the air gap builds up a magnetic field (17) in which a vane extending from the pendulum bearing in a rotationally fixed manner or the pendulum (13) itself moves.

3. Friction-free bearing according to claim 1 or 2, characterized in that the sockets for the ends of the axis (12), which themselves form a north pole and a south pole as a magnetic rod, are holes (16) in the end faces of the mutually facing transverse legs (15b) of the two magnets (10a, 10b).

4. Friction-free bearing according to one of claims 1 to 3, characterized in that the vane induced at the pendulum bearing to form eddy currents and penetrating the free air magnetic field (17) is designed in a closed disk-shaped manner.

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