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Magnetische Lagerung und Zentrierung für drehbare Teile
Die Erfindung
bezieht sich auf eine magnetische Lagerung und Zentrierung für hochempfindliche
oder im Dauerbetrieb stark beanspruchte Instrumeute, wie insbesondere elektrische
Zähler, sowie auch für Wellen hoher Drehzahl, bei der ein am Läufer angebrachter
ringförmiger, axial magnetisierter Dauermagnet derart in das Feld eines im Gehäuse
oder Gestell befestigten, ebenfalls axial magnetisierten Ringmagneten eintaucht,
daß sich jeweils gleichnamige Pole der einander mit entsprechendem Abstand umschließenden
Magnete gegenüberstehen.
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Bei Apparaten und Maschinen bestimmter Bauart, wie z. B. Kreiselkompassen,
Turbogebläsen, Kleinturbinen, Ultrazentrifugen usw., liegt oft die Aufgabe vor,
die Drehzahl so hoch wie möglich zu treiben, um zu kleinen Abmessungen zu gelangen.
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Die aus Gründen der Materialfestigkeit mögliche Drehzahl kann aber
in vielen Fällen in der Praxis nicht angewendet werden, da die gebräuchlichen Lager,
wie z. B. Kugel- oder Rollenlager, den hohen Anforderungen auch bei kurzzeitigem
Betrieb oft nicht gewachsen sind.
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Die bekannten Magnetlager, die grundsätzlich für die vorgenannten
Zwecke große Vorteile bieten würden, haben aber keine ausreichende Tragkraft, um
die Gewichte, die bei derartigen Apparaten zu lagen sind, zu tragen. Eine Vervielfachung
der bekannten Magnetlager würde aber nur sehr begrenzt diese Aufgabe lösen, da ja
im Falle der Magnetlager, wie bei keinem anderen Lager sonst, die am drehbaren Teil
angebrachten Lagerteile durch ihr Eigengewicht die ohnehin schon begrenzten Lagerkräfte
mit beanspruchen, so daß die magnetische Lagerung in all diesen Fällen zu untragbaren
Abmessungen kommen würde.
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Man hat deshalb schon vorgeschlagen, bei vertikalen Wellen magnetische
Anziehungskräfte ausnutzende Lagerungen so auszubilden, daß sowohl -am Gehäuse oder
Gestell als auch am Läufer jeweils mindestens zwei axial magnetisierte Ring- bzw.
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Zylindermagnete, die einander umfassen, in Achsrichtung so hintereinander
angeordnet sind, daß sich sowohl die am Gestell als auch die am Läufer befestigten
Magnete mit gleichnamigen Polen direkt berühren. Da an diesen Berührungsstellen
der beiden Magnete die Pol stärke etwa verdoppelt wird und die Anziehungskraft bekanntlich
ungefähr mit dem Quadrat der Pol stärke wächst, wurde die Tragfähigkeit des magnetischen
Lagers erhöht. Allerdings mußte hierbei eine Vergrößerung des Gewichtes der an der
Welle angebrachten Lagerteile in Kauf genommen werden, so daß auch dieser Vorschlag
den Anforderungen der Praxis nicht in allen Fällen gerecht werden konnte. Die Lösung
dieses Problems kann also nur in einer Erhöhung der spezifischen Lagerungskräfte
liegen, bei welcher also das Eigengewicht der am drehbaren Teil befestigten Lagerungsteile
bei Vergrößerung des Lagers weniger wächst als die Lagerkraft.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mehr als zwei
einander konzentrisch umschließende Ringmagnete derart entlang einer senkrecht zur
Laufachse liegenden Ebene angeordnet sind, daß jeweils zwischen zwei einander benachbarte,
am Gehäuse oder Gestell befestigte Ringmagnete ein am Läufer befestigter Ringmagnet
eingreift und umgekehrt, wobei bei Anwendung einer ungeraden Zahl von Magnetringen
am Gehäuse oder Gestell ein Magnetring mehr angeordnet ist als am Läufer. Durch
diese Anordnung wird erreicht, daß in dem Falle der Verwendung von beispielsweise
insgesamt drei Dauermagnetringen das am drehbaren Teil zu befestigende Magnetgewicht
gegenüber den bekannten Lagern nicht vergrößert zu werden braucht und trotzdem die
Lagerungs- und Zentrierungskräfte auf über das Doppelte ansteigen.
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Die Erklärung hierfür ist darin zu suchen, daß die bei der bekannten
Einfach anordnung auftretende, die Lagerungskräfte bewirkende Kraftlinienverdrängung
nur in dem Raum zwischen der Außenmantelfläche des am drehbaren Teil und der Innenfläche
des am Gehäuse befestigten Ringmagnets auftritt. Gleichzeitig wird ein Teil der
aus den Polflächen des am drehbaren Teil befestigten Ringmagnets austretenden Kraftlinien
in den für die Lagerung unwirksamen Hohlraum dieses Ringmagnets verdrängt, so daß
er nicht mehr bei der Ausbildung der Lagerungs- und Zentrierungskräfte nennenswert
mitwirkt. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung dadurch vermieden, daß dem
oder den am zu lagernden Teil befestigten Ringmagnet nicht nur auf ihrer Außenseite,
sondern auch auf ihrer Innenseite am Gehäuse befestigte Ringmagnete gegenüberstehen,
so daß praktisch alle von den ersteren ausgehenden Kraftlinien bei der Ausbildung
der Lagerungs- und Zentrierungskräfte wirksam werden. Wie alle maguetischen Lagerungen
läßt auch diese erfindungsgefäße Lagerung ein gewisses Spiel der Maschinenwelle
zu, so daß die neue Anordnung vorzugsweise zur Verwendung an solchen Maschinen und
Geräten in Betracht kommt, bei welchen zwischen Läufer und Gehäuse ein geringes
Spiel zulässig ist. Die durch das Eigengewicht bedingte Senkung des rotierenden
gegenüber dem feststehenden Teil kann bei vertikaler Lage der Rotationsachse leicht
durch entsprechende vertikale Verschiebung des feststehenden Lagerkörpers ausgeglichen
werden. Zur Begrenzung des Spieles zwischen Gehäuse und rotierenden Teilen auf ein
zulässiges Maß können bei jeder Achslage mechanische Auffanglager vorgesehen werden.
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Selbstverständlich muß auch bei diesem erfindungsgemäßen Magnetlager
wenigstens ein in einer Raumachse wirkendes mechanisches Stützlager vorgesehen sein,
da bekanntlich die Lagerung eines Körpers allein mittels magnetischer Kräfte zwischen
ferromagnetischen Stoffen nur in zwei Raumkoordinaten zu einer stabilen Lage führen
kann, während in der dritten Raumrichtung ein labiles Gleichgewicht entsteht. Dieses
labile Gleichgewicht kann jedoch, wie gesagt, durch Anbringen z. B. eines außerordentlich
reibungsarmen Spurlagers leicht stabilisiert werden.
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Wegen der großen Lagerungskräfte, die die erfindungsgemäße Anordnung
zur Verfügung stellt, kann diese auch für Maschinen mit normaler Drehzahl Anwendung
finden, wie z. B. für Säurepumpen, die gegebenenfalls noch über eine magnetische
Kupplung angetrieben æwerden können und dann keinerlei Wartung bedürfen. Lediglich
müßten hierbei die Magnete mit einem säurebeständigen Schutzüberzug versehen werden.
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Eine weitere Steigerung der Tragfähigkeit einer solchen magnetischen
Lagerung läßt sich dadurch erreichen, daß gemäß der Erfindung die Lagersysteme in
Doppelanordnung Anwendung finden, wobei entweder die feststehenden oder die umlaufenden
Systemteile einen einheitlichen Körper bilden.
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Bei sehr hohen Drehzahlen ist es ferner gemäß der Erfindung vorteilhaft,
die rotierenden Magnete zwecks Aufnahme der Fliehkräfte in unmagnetischem Werkstoff
von besonders hoher Festigkeit, wie z. B. Berylliumbronze, einzubetten.
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Grundsätzlich ist bei der Verwendung permanenter Magnete zu Lagerungszwecken
noch ein weiterer Gesichtspunkt zu beachten. Erfahrungsgemäß weisen fast alle magnetischen
Werkstoffe aus den verschiedensten Gründen, wie Magnetisierung, Inhomogenität im
Werkstoff usw., kleine Ungleichmäßigkeiten in ihrer Feldstärke auf. Derartige Ungleichmäßigkeiten
können jedoch, insbesondere bei hohen Drehzahlen, durch das Auftreten von Wirbelströmen
zu Verlusten führen. Es ist daher zweckmäßig, für permanentmagnetische Lagerungen
gemäß der Erfindung solche Werkstoffe zu benutzen, die aus zerkleinertem, permanentmagnetischem
Material unter Verwendung von isolierenden Bindemitteln zu den gewünschten Dauermagnetkörpern
verarbeitet
werden. Hierfür eignen sich besonders solche pennanentmagneti schen Ausgangsstoffe,
deren Koerzitivkraft höher als 300 Oersted liegt.
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Alle diese erfindungsgemäßen Lagersysteme können ähnlich wie Kugellager
zu einheitlichen Bauelementen zusammengefaßt und in der üblichen Art eingebaut werden.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Magnetlagern gemäß
der Erfindung veranschaulicht, und zwar zeigt Abb. I ein einzelnes Lagersystem,
bei welchem der eine Teil auf der Welle und der andere Teil im Gehäuse befestigt
ist, Abb. 2 ein zu einem Doppelsystem ausgebautes System gemäß Abb. I.
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Der im Gehäuse 1 hefestigte Systemteil 2 (vgl.
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Abb. I) besteht aus drei konzentrisch mit Abstand ineinander angeordneten
ringförmigen Dauermagnetkörpern 3 bis 5, die in Richtung der Wellenachse magnetisiert
sind. In den Zwischenräumen zwischen den Magnetkörpern 3 bis 5 rotieren gleichartig
gestaltete, konzentrisch auf einem auf der umlaufenden Welle befestigten Träger
6 angeordnete ringförmige Magnetkörper 7, 8, die gleichfalls in Richtung der Welle
magnetisiert sind, so daß zwischen den Magnetkörpern 3, 4, 5 einerseits und den
Magnetkörpern 7, 8 andererseits abstoßende Kräfte wirksam werden. Bei der Ausführungsform
nach Abb. 2 sind die benachbarten Träger der Ringmagnete zu einem einzigen Trägerkörperg
zusammengefaßt, auf welchem beiderseits die ringförmigen Magnetkörper I0, II, I2
mit Abstand voneinander angeordnet sind. In die so gebildeten Zwischenräume greifen
die auf den feststehenden Teilen I3 befindlichen, konzentrisch ringförmigen Magnetkörper
14, I5 und I6. Der Trägerkörper 9 ist auf der Welle befestigt und läuft mit dieser
um, während die Teile 13 im Gehäuse abgestützt sind und feststehen.