Magnetisches Schwebelager, insbesondere für einen Elektrizitätszähler
Bei magnetischen Lagern für stehende Wellen, beispielsweise für die Läuferwelle von Elektrizitätszählern, wird das Gewicht der Welle und aller mit ihr eine bewegliche Baueinheit bildenden Teile durch Magnetfelder teilweise oder auch ganz kompensiert. Im Falle der vollständigen Kompensierung wird die Welle magnetisch in der Schwebe gehalten, bei teilweiser Kompensierung wird der Druck der Welle auf ein sie tragendes Lager verringert. Eine schwebende Lagerung einer Welle ist jedoch nicht ohne zusätzliche Führungen für die Welle möglich, die die Welle in ihrer senkrechten Stellung unkippbar festhalten. Solche Führungen, gewöhnlich als Halslager ausgebildet, verursachen eine zwar in der Regel nur sehr kleine, aber immerhin noch nennenswerte Reibung und damit Reibungsverluste.
Ein Schwebezustand eines paramagnetischen Körpers, also z. B. eines Eisenkörpers, in einem Magnetfeld ist ohne Stabilisierungsmittel physikalisch unmöglich.
Ein einziges Messsystem ist bekannt, bei dem eine in der vorerwähnten Weise von paramagnetischen Kräften in der Schwebe gehaltene senkrechte Welle berührungsfrei stabilisiert wird: Die Führungen sind hier durch je einen diamagnetischen Körper ersetzt, der in ein inhomogenes Feld des Spaltes eines Magneten eintaucht. Die diamagnetischen Körper und die Magnetspalte sind dabei ringförmig ausgebildet. Bei einer ebenfalls bekannten Anwendung des vorgenannten Messsystems als Anker eines Elektrizitätszählers sitzen diamagnetische Ringkörper auf den beiden Enden der Drehachse des Zählers bwz. Ankers, wobei sie in den Ringspalt je eines aus einem Dauermagnetkern und einem Eisenmantel aufgebauten Topfmagneten eintauchen.
Da diamagnetische Kräfte ausserordentlich klein sind, werden bei dem vorgenannten Messsystem zur Stabilisierung der diamagnetischen Körper sehr starke Magnetfelder und somit sehr starke und sehr grosse Magnete benötigt. Dadurch ist die Lagerung auch gegen kleine Änderungen der Kräfte noch sehr empfindlich.
Die Anwendung des bekannten Messsystems wird sich daher auf Sonderfälle beschränken müssen, bei denen die vorgenannten Mängel in Kauf genommen werden können.
Zum leichteren Verständnis der Erfindung sei zunächst die Wirkungsweise des vorgenannten bekannten Messsystems an Fig. 1 der Zeichnung erläutert. Es ist hier eine Schwebehalterung des Läufers eines Elektrizitätszählers dargestellt, der in einer Weiterbildung des vorgenannten bekannten Messsystems mit nur einer einzigen diamagnetischen Querstabilisierungseinrichtung für die Läuferachse auskommt. Der in der Schwebe zu haltende Läufer eines Elektrizitätszählers besteht hier aus einer Läuferscheibe 1 und einer Welle 2. Am oberen Ende der Welle 2 ist ein Magnetring 3 befestigt, der sich über einem feststehenden Magnetring 4 befindet.
Die beiden Magnetringe stehen sich mit einer solchen Polarität gegenüber, dass sie sich gegenseitig abstossen und damit die Welle 2 nach oben drücken. Auch am unteren Ende der Welle 2 ist ein Ring 5 angebracht; dieser besteht aber im Gegensatz zu dem Ring 3 nicht aus einem paramagnetischen, sondern einem diamagnetischen Stoff. Er befindet sich im inhomogenen Spaltfeld eines starken Topfmagneten 6. Das Feld des Magneten 6 drängt den diamagnetischen Ring 5 von sich weg. Da dieses Wegdrängen an jeder Umfangsstelle des Magnetspaltes bzw. des Ringes mit der gleichen Stärke geschieht, so schwimmt der Ring 5 stets genau über dem Feldspalt des Magneten 6 und stets genau in waagrechter Lage, womit auch die Welle 2 stets in ihrer senkrechten Stellung erhalten wird.
Ein solches Messsystem bietet wie das bekannte Messsystem durch die berührungsfreie Stabilisierung den Vorteil der völligen Reibungsfreiheit der in der Schwebe zu haltenden Welle, abgesehen von der Luftreibung.
Selbst letztere lässt sich im Vakuum vermeiden. Der bauliche Aufwand auch dieses Messsystems ist aber, obwohl sie nur eine einzige diamagnetische Stabilisie rungseinrichtung benötigt, immer noch beträchtlich gross.
Auch die Erfindung erreicht einen berührungsfreien Schwebezustand einer senkrechten Welle bei einem magnetischen Schwebelager, aber mit einem weit geringeren Aufwand und auch unter Ausschaltung der Empfindlichkeit der Lagerung gegen kleine Kräfteänderungen.
Auch sie erreicht dieses Ziel naturgemäss nicht ohne Stabilisierungsmittel, aber sie ist nicht auf die Verwendung diamagnetischer Mittel angewiesen. Sie erreicht das Ziel bei einem magnetischen Schwebelager für eine stehende Welle, insbesondere die Läuferwelle eines elektrizitätszählers, mit die Welle in ihrer senkrechten Stellung erhaltenden magnetischen Stabilisierungsmitteln, erfindungsgemäss dadurch, dass die Stabilisierungsmittel aus einem Magneten runden Querschnitts und einer diesem Magneten im Abstand vorgelagerten, weichmagnetischen, runden Scheibe bestehen, wobei der eine dieser beiden Teile an der Welle angebracht und der andere feststehend angeordnet ist, und dass der Magnet mit einem auf Höhenänderungen der Welle ansprechenden,
die Höhenstellung der Welle durch Beeinflussung seiner magnetischen Einwirkung auf die Scheibe selbsttätig einhaltenden Regelmittel versehen ist. Das Schwebelager nach der Erfindung bedient sich also im Gegensatz zu dem erwähnten bekannten Messsystem ausschliesslich paramagnetischer Kräfte; statt eines diamagnetischen Systems verwendet sie als Stabilisierungsmittel eine magnetische Stabilisierungs-Regelung. Der Magnet des Stabilisierungsmittels kann wie bei dem bekannten Messsystem beispielsweise ein elektrisch erregter Topfmagnet sein. Für die Wahl des Regelmittels gibt es viele Möglichkeiten; ein besonders einfaches und für den vorliegenden Zweck besonders vorteilhaftes Regelmittel ist aber eine elektrische Feldplatte. Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden an in Fig. 2 bis 5 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
Soweit die Einzelteile dieser Beispiele den Einzelteilen in Fig. 1 entsprechen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen wie dort versehen.
In Fig. 2 ist am oberen Ende der Welle 2 wie in Fig.
1 ein Dauermagnet 3 angebracht, der von einem feststehenden Magnetring 4 bei der eingezeichneten Polarität nach oben gedrängt wird. Zusätzlich ist noch ein zweiter Dauermagnet 30 mit solcher Polarität dargestellt, dass die auf die Magnete 3 und 30 wirkenden Kräfte gegeneinandergerichtet sind. Die auf den Magnet 30 wirkende Kraft ist aber viel kleiner als die auf den Magnetring 3 wirkende Kraft. Mindestens einer der beiden Magnete 3 und 30 ist entlang der Welle z. B. mittels Gewinde verstellbar, so dass die resultierende Kraft auf die Welle einstellbar ist. Der Magnet 30 kann aber auch fortgelassen werden. An der Läuferscheibe 1 sind noch zvei nicht näher bezeichnete Triebsysteme des Zählers andeutungsweise eingezeichnet.
Unter dem unteren Ende der Welle 2 befindet sich wie in Fig. 1 wiederum ein Topfmagnet 6. Statt des diamagnetischen Ringes 5 in Fig. 1 ist aber in Fig. 2 eine einfache Weicheisenscheibe 7, also eine Scheibe aus weichmagnetischem Werkstoff, über dem Topfmagneten an der Welle 2 angebracht. Die Scheibe 7 wird von dem Magneten 6 im Gegensatz zum diamagnetischen Ring 5 in Fig. 1 nicht abgestossen, sondern angezogen. Da die Anziehungskraft an dem ganzen Umfang des Topfmagneten 6 gleich gross ist, so wirkt sie auf die Scheibe 7 und damit auf die Welle 2 genau so stabilisierend wie in Fig. 1 die Abstossungskraft des Topfmagneten 6 auf den Ring 5. Ausserdem ist auf den Mittelkern des Topfmagneten 6 eine elektrische Feldplatte 8 aufgesetzt. Diese befindet sich damit in dem Magnetfeld zwischen dem Topfmagnet 6 und der Scheibe 7.
Ausserdem liegt sie, wie aus Fig. 2 ersichtlich, in Reihenschaltung mit der Erregerwicklung 9 des Topfmagneten 6 über eine Gleichrichteranordnung 10 an einer Wechselspannungsquelle 11.
Zum Verständnis der Wirkungsweise der dargestellten Anordnung sei daran erinnert, dass sich der elektrische Widerstand der Feldplatte 8 in einem Magnetfeld etwa nach Fig. 3 ändert: Ihren kleinsten elektrischen Widerstand hat eine Feldplatte, wenn kein Feld auf sie einwirkt; je grösser die Feldinduktion ist, um so grösser ist ihr elektrischer Widerstand. Der Widerstand nimmt etwa linear mit der Feldinduktion zu, und zwar unabhängig von der Richtung des Feldes.
In Fig. 2 befindet sich die Feldpatte, wie erwähnt, im Feld zwischen dem Magneten 6 und der Scheibe 7.
Es sei angenommen, dass sich die Welle 2 samt der Scheibe 7 im schwebenden Ruhezustand befindet. Sinkt die Scheibe 7 durch irgendwelche störende Einflüsse etwas abwärts, so nähert sie sich dem Magneten 6, so dass die Feldstärke zwischen Magnet und Scheibe und damit auch in der Feldplatte 8 ansteigt. Mit steigender Feldstärke aber steigt gemäss Fig. 3 auch der Widerstand der Feldplatte. Diese Widerstandszunahme hat eine Schwächung der Erregung 9 des Topfmagneten 6 zur Folge und damit ein Nachlassen der Anziehungskraft des Magneten 6 auf die Scheibe 7, bis die Aufwärtskraft an dem Magnet 3 die Welle 2 wieder ins Gleichgewicht der Kräfte bzw. in die ursprüngliche Höhenstellung ihrer Schwebelage zurückbringt.
Wenn sich dagegen die Scheibe 7 durch irgendwelche störende Einflüsse aufwärts bewegt, so wird ihr Abstand vom Magnet 6 grösser, die Feldstärke und der elektrische Widerstand der Feldplatte 8 wird kleiner und die Erregung der Erregerwicklung 9 grösser, und damit wird auch die Anziehungskraft des Magneten 6 auf die Scheibe 7 grösser, so dass die Scheibe 7 selbsttätig wieder abwärts gezogen wird, bis zum Wiedererreichen der Gleichgewichtslage.
Da die selbsttätige Regelung schon auf kleinste Kräfteänderungen, bei kleinsten Höhenänderungen der Welle 2, anspricht und diese änderungen selbsttätig wieder rückgängig macht, so braucht der Magnet 6 nicht besonders stark zu sein. Er kann ganz bedeutend schwächer sein als ein Magnet, der, wie in Fig. 1, einen diamagnetischen Körper in der Schwebe zu halten hat.
Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 ist die Feldplatte 8 unterhalb des beweglichen Magneten 3 feststehend angeordnet. Sie befindet sich im Feldbereich dieses Magneten, und die auf sie einwirkende Feldstärke ist damit von der Höhenlage des Magneten 3 abhängig. Alle übrigen Teile in Fig. 4 haben die gleiche Anordnung und Ausbildung wie in Fig. 2. Auch die Schaltung der Feldplatte ist die gleiche. Die Wirkungsweise ergibt sich sinngemäss aus der vorstehenden Erläuterung zu Fig. 2, wenn man berücksichtigt, dass sich auch hier bei einem Absinken der Welle 2 bzw. des Magneten 3 die Feldstärke an der Feldplatte und damit auch der Feldplattenwiderstand erhöht, während bei einem Steigen des Magneten 3 der Widerstand der Feldplatte kleiner wird.
In Fig. 5 ist eine Stabilisierungsregelung in Differentialanordnung gezeigt. Hier sind die Magnete 3 und 4 sowie die Teile 6 bis 9 doppelt vorgesehen, einmal am oberen und einmal am unteren Ende der Welle 2. Die doppelt vorhandenen Magnete 3 und 4 wirken gleichsinnig, die Summe ihrer Aufwärtskräfte auf die Welle 2 entspricht der Aufwärtskraft der Magnete 3 und 4 in Fig. 2 und 4. Die doppelt vorhandenen Teile 6 bis 9 dagegen sind gegensinnig vorgesehen: am unteren Ende der Welle 2 wird die Scheibe 7 vom Magneten 6 wie in Fig. 2 bis 4 abwärts gezogen, während am oberen Wellenende die Scheibe 7 vom Magneten 6 aufwärts gezogen wird.
Ebenso sind die beiden Feldplatten 8 gegensinnig angeordnet: am unteren Wellenende ist die Feldplatte 8 wie in Fig. 4 unterhalb des beweglichen Magneten 3 angeordnet, während am oberen Wellenende die Feldplatte 8 oberhalb des beweglichen Magneten 3 angeordnet ist. Schaltungsmässig liegen die beiden Feldplatten 8 zueinander parallel an dem Gleichrichter 10 und über diesen am Netz 11. Die Wirkungsweise ergibt sich wiederum unter Heranziehung des Schaubildes in Fig. 3: sinkt die Welle 2 beispielsweise abwärts, so ergibt sich am unteren Wellenende wie in Fig. 4 eine Widerstandserhöhung der Feldplatte und damit eine geringere Abwärtskraft an der unteren Scheibe 7, während sich am oberen Wellenende eine Wider standsverringerung und damit eine stärkere Aufwärtskraft an der oberen Scheibe 7 ergibt.
Hiermit werden beide Scheiben 7 wieder aufwärts bewegt und damit auch die Welle 2 wieder in ihre ursprüngliche Gleichgewichtslage.