DE2649182C3 - Magnetische Lagereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Lagereinrichtung mit einem scheibenförmigen Statorteil und einem Rotorteil, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und jeweils zumindest zwei permeable rechtwinklig zur Achse angeordnete Scheiben aufweisen, wobei der Rotorteil und/oder der Stator teil einen zwischen den Scheiben angeordneten axial polarisierten Permanentmagneten aufweist und wobei die permeablen Scheiben des Rotor- bzw. Statortcils nach innen gerichtete schmale ringförmige Polflächen bilden, deren Abstand im Rotor- und Statorteil gleich ist.

Bei einer bekannten magnetischen Lagereinrichtung dieser Art (DE-AS 12 91575) ist eine Anzahl von magnetisch permeablen Scheiben in Achsrichtung der Lagereinrichtung "»untereinander angeordnet, wobei aufeinanderfolgende Scheiben im P.otorteil und Statorteil jeweils durch Permanentmagneten getrennt sind und die aufeinanderfolgenden Permanentmagneten jeweils eine abwechselnde Magnctisierungsrichtung aufweisen. Die Achsrichtung dieser magnetischen Lagereinrichtung verläuft vertikal und die magnetische Lagereinrichtung dient dazu, ein zusätzlich vorgesehenes Zapfenlager von jeder axialen Belastung zu entlasten. Andererseits nimmt dieses Zapfenlager alle auftretenden radialen Kräfte auf, da diese Lagereinrichtung in Radialrichtung nur geringe Rücksteükräftc aufweist.

Weiterhin ist eine magnetische Lagereinrichtung bekannt (US-Patentschrift 38 U8 553), bei der ein vollständig magnetisch gelagerter Rotor vorgesehen ist, dessen Lagerung auf der gegenseitigen Abstoßung /wischen konzentrischen gleichnamigen Polen beruht. Hierbei wirken kreisringförmige Pcrmancntniagnct-Polflächcn mit Elektromagneten zusammen, um eine passive Zentricrwirkung durch magnetische Abstoßung an den oberen und unteren Bereichen des Rotors zu ■ erzielen. Die Lagereinrichtung weist eine aktive Axial-Lagen-Sleuerung auf, für die Elektromagnete verwendet werden, die über Verstärker gesteuert werden, die ihrerseits Signale von einem Abgriffsystem empfangen, das auf die Axialbcwcgung des Rotors anspricht. Einrichtungen zur aktiven radialen Zentrierung des Rotors sind auch bei dieser bekannten magnetischen Lagereinrichtung nicht vorgesehen.

Es wurde schließlich bereits eine magnetische Lagereinrichtung vorgeschlagen (DE-OS 25 19 651), bei der an entgegengesetzten Enden einer den Stator bildenden Welle sowie an den entsprechenden Enden eines Rotors quer zur Achsrichtung verlaufende scheibenförmige Magnetplaltcnpaarc angeordnet sind, die in Axialrichtung magnetisiert sind, wobei in den einzelnen Paaren entgegengesetzte Pole einander zugewandt sind. Bei einer weiteren Ausführungsform dieser vorgeschlagenen magnetischen Lagereinrichtung sind ringförmige Magnetscheiben am Außenumfang des

Rotors bzw. am Innenumfang des Stators angeordnet, die in Radialrichtung magnetisiert sind, wobei ebenfalls entgegengesetzte Magnetpole des inneren und äußeren Ringes einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Magnetplatten bzw. Magnetringe weisen jeweils auf den einander zugewandten Flächen Nuten zur Aufnahme von Sektorwicklungeii auf, um eine aktive Lageregelung in Axialrichtung bzw. in Radialrichtung bei dem weiteren Ausführungsbeispiel zu erzielen. In der jeweils anderen Richtung erfolgt eine passive Lageregelung, die jedoch keine besonders hohe Steifigkeit aufweist, da die neben den die Wicklungen aufnehmenden Nuten verbleibenden Stege der Magnetplatten bzw. Magnetringe eine erhebliche Breite aufweisen und keine hohe Feldkon.zcntration auftritt.

Zur Ansteuerung der Sektorwicklungen von magnetischen Lagereinrichtungen ist es bekannt (US-PS 38 60 300, 37 91 704 und DE-OS 2! 29 018) Regeleinrichtungen zu verwenden, die auf Ausgangssignale von Meßfühlern ansprechen, um die erwünschte aktive Lageregelung zu erzielen. Diese aktive Lageregelung ist in den meisten Fällen erforderlich, da sich anderenfalls eine instabile Lagerung ergeben würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Lagereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei einfachem Aufbau eine aktive radiale Lageregelung mit hohen Rückstellkräften für das gelagerte Teil erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angegebene Erfindung gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unleransprüchen.

Die erfindungsgemäße magnetische Lagereinrichtung weist auf Grund der geringen Dicke der Lagercinhcitcn, verglichen mit dem Durchmesser eine wesentlich erhöhte Rückstellkraft in axialer Richtung, d. h. in der passiven Lagcregelungsrichtung auf, weil eine Axialbcwcgung eine starke Verzerrung des Magnetfeldes in dem Spalt zwischen den permeablen Scheiben des Stators und Rotors ergibt, weil die permeablcn Scheiben sehr schmale aktive Mantelflächen bilden, die ebenfalls sehr schmalen Mantelflächen der anderen permeablen Scheiben gegenüberliegen. Durch die Verwendung von sehr schmalen Mantelflächen oder sehr geringen Stärken der permeablen Scheiben ergibt sich eine hohe Magnetflußkonzentration in den Magnelspaltcn und eine sehr starke Änderung des Magnetfeldes bei einer axialen Verschiebung während bei den breileren Mantelflächen beispielsweise gemäß der vorgeschlagenen Lagercinheit diese Fcluänderung bei einer gleichen Axialverschiebung geringer ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. I eine teilweise wcggebrochcnc Draufsicht einer Ausführungsform der magnetischen Lagereinrichtung mit einer einzigen Stator- und Rotorscheibe, wie sie beispielsweise bei einem magnetischen Lagersystem bei einem Kreiselgerät oder einem anderen Trägheils-Bezugsgerät Verwendung finden kann;

F i g. 2 eine Querschnittsansicht;

F i g. 3 eine auseinandergezogene Ansicht der Statorscheiben und des Permanentmagneten für eine Scheibeneinheit;

Fig.3A eine abgeänderte Ausführungsform der F i g. J mit abgeänderten Wicklungsschlitzen;

Fig.4 eine vergrößerte Teilschnittansicht in der Nähe der Elektromagnet-Wicklungen nach F i g. 2;

Fig.5 ein Schaltbild der Steuerschaltungen für eine einzelne Lagerscheibeneinheit;

F i g. 6 eine Ausführungsform einer Stator- und Rotor-Baugruppe;

Fig.7 eine erläuternde Darstellung eines Vertikalkreisels unter Verwendung der Lagerscheiben und der Steueranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig.8 eine weitere Ausführungsform eines magnetischen Lagersystems, bei dem der Rotor von dem Stator umgeben ist.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist eine einzelne Lagereinrichtung oder Lagerscheibe eines magnetischen Lagersystems gezeigt, wobei bestimmte Teile schematisch in Fig.3 gezeigt sind. Diese magnetische Lagerscheibe besteht im wesentlichen aus zwei gegenüberliegend angeordneten permeablen Polstücken (d. h. Polscheiben) 11 und 12, zwischen denen ein axial polarisierter Permanentmagnet 13 (F i g. 3) eingr·- ..hichtel ist. Wie es aus den Fig. 3 und 3A zu erkennen ist, kann der Permanentmagnet 13 die allgemeine Form einer dicken Unterlegscheibe aufweisen und er kann aus einem geeigneten Material hergestellt sein, wie z. B. aus einer der Alnico-Legierungen oder vorzugsweise aus Samariumkobalt. Die scheibenförmigen Polstücke 11 und 12 weisen einen größeren Außendurchmesser auf als der zwischen diesen eingeschichtete Magnet 13 und die Polstücke U und 12 sind so angeordnet, daß sie sich in Radialrichtung über den Magneten 13 hinaus erstrekken, um Platz für die Segmentwicklungen in ihren Umfangsbereichen zu schaffen.

Bei der in Fi g. 3 dargestellten Ausführungsform sind Wicklungsschlitze 15, 16, 17 und 18 unter 90°-Intervallen am Umfang des PoKtückes 11 vorgesehen und entsprechende Schlitze 15', 16', 17' und 18' sind um den Umfang des Polstückes 12 herum vorgesehen.

In Fig. 3 ist die Lage von vier SegmentwicHungen für das Polstück 11 angedeutet. Die Lage eines Paars von gegenüberliegenden Wicklungen A und C ist am öl· cren und unteren Ende in F i g 3 angedeutet, während die Lage für das andere Paar von gegenüberliegenden Wicklungen B und D rechts bzw. links gezeigt ist. In ähnlicher Weise ist das Polstück 12 so ausgebildet, daß es Segmentwicklungen bei A 'und C'sowie ein weiteres Paar von gegenüberliegenden Segmentwicklungen bei ß'und D'aufnimmt.

Nach dem Zusammenbau der Polstücke 11 und 12 und des dazwischenliegenden axialpolarisierten Permanentmagneten 13 können die Segmentwicklungen auf die Polstücke aufgebracht werden, wie dies im Querschnitt in F i g. 4 dargestellt ist. Bei dieser Teilschnittansicht, die dur^h das obere Segment in der Draufsicht gemäß F i g. I gelegt ist, sind die scheibenförmigen Polstücke 11 und 12 mit dem dazwischenliegenden Permanentmagneten 13 gezeigt. Isolierringe 21 und 22 sind an den äußeren Stirnflächen der Polstücke 11 bzw. 12 befestigt und koaxial mit dem Permanentmagneten 13 ausgerich tet, so daß sie jine Basis für den äußeren Teil der Wicklungen A bzw. A'bilden. Weitere Isoliermaterialstückc 23,24 und 25 und zylindrische lsolierstürke 26,27 und 28 sind zur Abstützung der Wicklungen A und A' (und der entsprechenden Wicklungen in den anderen Segmenten der geschichteten Anordnung) in den dafür bestimmten Lagen vorgesehen.

Die Schlitze 15,16, 17 und 18 und die entsprechenden Schlitze 15', 16', 17' und 18' in den Polscheiben 11 und 12

können irgendeine gewünschte Form aufweisen, wie /. H. eine rechtwinklige Form oder eine kreisförmige form. Die Segmenlwicklungcn Λ und A ' gemäß Γ i g. 4 können in Serie geschalte! sein, wobei die Stromriehtung so ist, wie dies durch die Punkte und die Plus/eichen in Fig. 4 angedeutet ist. |edc dieser Wicklungen induziert in dem jeweiligen Quadrantensegment des Stators eine Magnetisierungskraft, die in Abhängigkeit von der Richtung des Stromflusses durch uicse Wicklung den radial gerichteten Magnetfluß, der in den Umfangsicilen der Polslücke I! und 12 durch den Permanentmagneten IJ induziert wird, entweder verstärkt oder diesem entgegenwirkt.

In ilen Fig. I. 2 und 4 ist weiterhin der Rotorteil gezeigt, der dem geschichteten Statorleil aus den Scheiben Il und 12 zugeordnet ist. Der Rotor weist einen im wesentlichen U Törniigen Querschnitt auf. der vorzugsweise durch die llbereinanderschichtung eines in Axialrichtung polarisierten Permanentmagneten 31 in l'orni eines Ringes zwischen gegenüberliegenden dünnen Polstückcn 32 und .3) gebildet ist.

Wenn der Permanentmagnet 13 des Stators seinen Nordpol auf der linken Stirnfläche aufweist wahrend sein Südpol auf der rechten Stirnfläche liegt, wie dies in den Γ i g. 3. 3A und 4 gezeigt ist. so sollte der Permanentmagnet 31 die entgegengesetzte Polarisierung aufweisen, d. h. der Südpol sollte links angeordnet sein während der Nordpol sich auf der rechten Seite gemäß den Γ i g. 3 und 4 befindet. Hei dieser Polarisation liegen Nord· und Südpole einander über jeden der beiden sehr schmalen Spalte gegenüber, so daß eine Anziehungskraft erzeugt wird, die bestrebt ist. jeden Teil des Rotorelementes in Richtung auf die Achse des Stators zu ziehen. Wie es in den Γ i g. I und 3 gezeigt ist. weisen die Polschciben Il und 12 im wesentlichen kreisförmige Schlitze bei 40 Intervallen für die Segmenlwicklungcn auf. Wenn dies bevorzugt wird, können die Schlitze für diesen /weck mit einer allgemein rechtwinkligen Form eingefräsl oder eingestanzt werden, um die Wicklungen aufzunehmen, wie dies in F i g. 3A bei 35, 36, 37 und 38 in der Scheibe 1 Γ

UlIU \1\. I JJ , J\} , Jl UItU

In jedem Fall sollte der Spalt am Umfang der Polscheibe sehr schmal sein, um die FUißänderung so weit wie möglich zu verringern, die irgendein Teilabschnitt des Rotors erfährt, wenn er an dem Wicklungsspalt vorbeiläuft. so daß auf diese Weise resultierende in dem Rotor induzierte Wirbelströme so weit wie möglich verringert werden.

Mcßfühler-(Wandler-)Finriehlungcn und ein elektrisches Steuersystem unter Finschluß von Verstärkerstufen sind zur Regelung der relativen Stärke der Magnetfeldanteile vorgesehen, die durch die Segmentwicklungen in den Quadrantenteilen der Polscheiben induziert werden, auf denen sie sich befinden. Bei Betrachtung beispielsweise der Fig. I und 4 ist zu erkennen, daß bei einer Bewegung des Rotors nach oben aus der konzentrischen Anordnung mit der Statoranordnung es erforderlich ist. die Stärke der Umfangsmagnetpole an der oberen Segmentposition zu erhöhen oder die Stärke der Umfangsmagnetpole in dem entgegengesetzten Segment zu schwächen, oder beides. Dies wird dadurch erreicht, daß solche Ströme durch die Segmentwicklungen A und A 'geleitet werden, die in Richtung einer Verstärkung des nordgerichteten Feldes an dem oberen Umfangsteil der Scheibe 11 und einer Vergrößerung der südpolarisierten Feldstärke im Umfangstei! am oberen Bereich der Scheibe 12 wirken.

so daß die Anziehungskräfte zwischen diesen Nord- und Südpolkantenbereichen und den gegenüberliegenden Süd- und Nordpolteilcn des Rolorelementcs vergrößert werden, so daß eine Verstärkung der Anziehungskräfte in dem oberen Bereich des Stators erzielt wird. Die Schwächung der Anziehungskräfte in dem gcgenüberligenden Segment des Stators wird dadurch erreicht, daß die Scgmentwicklungen C und C" in einer Richtung erregt werden, die im Sinne einer Polarisierung des unteren Umfangslcib der Scheibe Il mit einem Südpol und einer Polarisierung des unteren Bereiches der Scheibe 12 mit einem Nordpol wirkt, so daß die resultierende Wirkung in einer Verringerung der Anziehungskräfte besteht, die zwischen den unteren Qiiadrantensegmenlen der Scheiben 11 und 12 und den benachbarten feilen des Rolorelemenies ausgeübt werden. Wie es weiter oben erwähnt wurde, können beide Frregungsarlen der unteren und oberen Segment wicklungen gleichzeitig verwendet werden, so dall sie beide einen Beilrag zur Überwindung einer unter wünschten Bewegung des Rotorteüs in Translations richtung liefern.

Wie dies gut bekannt ist. können verschiedene Ausführungsformen von Posiiionsmeßfuhlern zur Fr Zeugung der Signale zur Steuerung der Verstärkerein richtungen verwendet werden, die ihrerseits die Erregung der Segment wicklungsieile steuern. I i g. 4 zeigt als ein Wandler-Beispiel die Verwendung einer Lampe 41 mit einem Reflektor 42 und einer Photozellc 43. die so ungeordnet ist. daß sie ein größeres elektrisches Ausgangssignal erzeugt, wenn sich der Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor im Bereich dieses Meßfühlers (Wandlers) vergrößert während ein verringertes Ausgangssignal erzeugt wird, wenn der Abstand in diesem Bereich kleiner wird. Fin Salz von vier derartigen Meßfühlern ist vorgesehen, wobei der Reflektor der zweiten und dritten Meßfühler bei 46 bzw. 47 in F i g. 1 sichtbar ist.

Die Schaltungsanordnung zur Steuerung der Erregung der einander jeweils gegenüberliegenden Sektor wicklungen der I agerscheibe nach den Fig. I. 2. 3 und 4 ._r. :„ [·:„ s .ι.,-...,, i„iii ii;„ ηι,,,ι.. ,„ιι.. Al _n....u r ;.. λ

ist schematisch am oberen linken Teil der I i g. 5 bei 43 gezeigt, während die direkt hinter dem Reflektor 47 und der zugehörigen Lampe angeordnete Photozellc bei 48 gezeigt ist. [lic w eiteren Photozellen-Symbole 49 und 50 stellen jeweils die dem Reflektor 46 nach Fig.! zugeordnete Photozelle sowie die Photozellc dar. die diametral entgegengesetzt zu dieser Photozellc im Teil der Lagerschcibc angeordnet ist. der in F i g. I fortgebrochen gezeigt ist.

Die Photozcllcn 43 und 48 liefern Ausgangsspannungen, die sich In entgegengesetzter Richtung ändern wenn sich der Rotorteil 31, 32, 33 nach oben oder nach unten aus seiner konzentrischen Lage bezüglich de; Stators der Lagerscheibeneinheit bewegt. Wenn sich somit der Rotor nach oben bewegt, wird die auf die Photozelle 43 auftreffende Lichtmenge größer während die auf die Photozclle 48 auftreffendc Lichtmenge verringert wird und die Ausgangsspannungen, die läng« der Widerstände 51 und 52 erzeugt werden, werden differential geändert (sie nehmen eine unterschiedliche re Größe an) wenn die Bewegung oder die Verschiebung vergrößert wird-

Es sind Serienkondensatorelemente 53 und 54 sowie Lastwiderstände 55 und 56 zusammen mit parallel zu den Kondensatoren geschalteten Widerständen 57 und 58 vorgesehen. Die längs der Widerstände 55 und 5€

er/eiigicn Signalspanmingcn weisen dither sowohl durch die WiderslandsSpanniingsleilerwirkung erzeugte Vcrschiebiingskomponenicn ills auch vergrößerte Bewegiingsgesehv.indigkeits Komponenten auf. die clutch die Kondensatoren 53 und 54 hervorgerufen werden (die jeweils durch die Widerstünde 57 und 58 überbrückt sind), Entsprechend werden an den Eingängen d<; ■ Verstärker 61 und 62 Eingangssignalpcgcl erzeugt, die symmetrisch sind, wenn der Rotor konzentrisch angeordnet ist und die fortschreitend mehr unsymmetrisch werden, wenn sich der Rotor gegenüber der SymiiK'lriestellung mich I i g. I nach oben oder nach unten bewegt. Der Ausgang der gegenüberliegenden Differenzverstärker hl und 62. der längs der Ausgangs l.astuidcrständc 61 und 64 erzeugt wird, wird dein r.ingiingssehaltiingS'lntegriiliirverstiirker 65 zugeführt, dessen Ausgang eine Integratoreinlieil 66 ansteuert. Die Ink'graloremhcit 66 kann die l'orm eines integrierenden (icgcnkoppliiMKSVcrstärkcrs aufweisen oiler es kann eine kleine Moloreinlieit mit einem untersetzten Antrieb für einen l'olenlionicteraiisgarig verwendet werden oder es kann irgendeine andere bekannte l'orm eines Integrators verwendet werden, der so angeordnet ist. dall er ein Signal liefert, das graduell in einer Richtung vergrößert wird, wenn der Ausgang der l'liolozelle 4 3 langer großer als der Ausgang der l'holozelle 48 ist. während es sich graduell in der entgegengesetzten Richtung vergrößert, wenn der Ausgang der l'holozelle 48 lungere /eil größer als der ■\usgang der l'hotozelle 4 3 ist.

Wi: dies in der llS-l'alcnlschrilt 58 60 3(X) der gleichen Anmelderin beschrieben ist. lsi das l.agersystein auf (irund der r.infugung der Integrator Aus gaiigskomponenle zusäzilicb zu dem resultierenden Alisgangssignal, das längs der Widerstände 55 und 56 ei zeugt wird, und die Verschiebung und die Anderungsgcschwindigkeil der Verschiebung darstellt, in der Lage, das Rohrelement ausgehend \on einer normalerweise konzentrischen Position bezüglich des Stators in eine Position einzustellen, die so verschoben ist. daß das Krafliingleichgewicht.das durch die Permanentmagneteinheil hervorgerufen wird, ausgeglichen wird oder daß irgendeine voiimiiueiie i5csi_nicumguiigski,m du^cpiichcn wird, wie z. B. die Kraft des F.rd-Schwcrkrafisfcldcs. Wenn beispielsweise die l.agcreinheit nach den Fig. 1 und 2 in der Nähe der Ode verwende! wird und normalerweise so angeordnet ist. daß sich die Drehachse in lloriz.onlalrichtiing erstreckt, wobei der Meßfühler, der den Reflektor 42 einschließt, sich an der Oberseite der Einheit befindet, so versucht die Gravitationskraft der Erde, den Rotor 31, 32, 33 nach unten aus der Position zu verschieben, in der er konzentrisch zum Stator angeordnet ist. Bei Fehlen eines Signalbeitrags von dem Integrator 66 würde hierdurch das aus den Verstärkern 61, 62 und 71, 72 bestehende System so angesteuert, daß ein Erregungsstrom durch die oberen Wicklungen A. A' und die unteren Wicklungen C. ("'in einer derartigen Richtung geliefert würde, daß die Feldstärke in dem oberen Sektor des Stators verringert würde, während die Feldstärke in dem unteren Sektor vergrößert würde. Eine derartige elektrische Erregung mußte in einem Gleichgewichtszustand aufrechterhalten werden, der von den Verstärkungen der Verstärker und den Ausgangssignalstärken der Pholozellen 43 und 48 abhängt, wobei die verringerte Erregung der PhotozeHe 43 und die vergrößerte Erregung der PhotozeHe 48 bewirken würde, daß der Ausgang der letzteren um einen Helrag überwiegt, der gerade ausreicht, d;imil die Vergrößerung der Feldstärke in dem unteren Sektor und die Verringerung der Feldstärke in dem oberen Sektor insgesamt die auf den Rotor 31, 32, 33 wirkende ί Schwerkraft ausgleichen. Es wäre eine beträchtliche elektrische Leistung erforderlich, weil die elektromagnetischen Komponenten, die von den Spulen A, A 'und C, C'erzcugi weiden, nicht nur die vorhandene Kraft (in dem Beispiel die Schwerkraft) überwinden müßten.

in sondern weil der verengte Spalt in der Nähe der Oberseite der Lagereinheil und der vergrößerte Spalt an der Unterseite der Lagereinheil außerdem in nachteiliger Weise die I cldbciträge au! (irund der Permanentmagnete unsymmetrisch machen würden.

Ii Wenn der Verstärker 65 und der Integrator 66 in die Schaltung eingeschaltet sind, liefert der Integrator 66 einen graduell anwachsenden Ausgang in einer in Serie geschalteten addierenden Richtung, so daß der resultierende Ausgang, der längs der Widerstände 55 und 56

;<i besieht, vergrößert wird. Wenn daher ein resultierender Ausgang mit einem vorgegebenen Vorzeichen längs der Widerslände 55 und 56 andauert, wird zu diesem resultierenden Ausgang graduell ein weiterer sich in Reihe addierender Ausgang hinzuaddiert, der von dein

.'-, Integrator 66 stammt und die eirolle dieses Ausganges isl proportional zum Integral der /eil, während der der Ausgang mil der vorgegebenen Richtung längs der Willerstande 55 und 56 angedauert hat. Entsprechend ergeben die Verstärker 71 und 72 eine noch weiter

in verstärkte Aktivierung der Wicklungen A. /A'und ('. (" in einer Richtung, die den Rotor in die konzentrische Lage bezüglich des Stators zurückbringt und diesen über diese Position hinaus in eine Position bewegt, in der er in der entgegengesetzten Richtung aus der

r> konzentrischen Position um einen Betrag hcrausbewegt isl. der ausreicht, damit die resultierenden unsymmetrischen Beiträge der Permanentmagneten und die hierdurch am Umfang des Stators induzierte Feldstärke die andauernde Beschleunigungskraft (wie z. B. die nach

4» unten gerichtete Schwerkraft) kompensieren. Wenn dieser Zustand erreich! ist. ist der resultierende Ausgang längs der Widerstände 55 und 56. der die vertikale Vu.^-.icbüMg^r.-.pr.r.cr.e besuch ds;. P.e!or< d?.rstellt. gleich und entgegengesetzt zum Ausgang des

4ί Integraiors 66. so daß die diffcrcnlicllen Ansteucrungcn der Verstärker 61 und 62 praktisch auf 0 verringert wurden, wobei die diffcrcniielle Erregung der Leistungsverstärker 71 und 72 in gleicher Weise praktisch auf 0 verringert wurde.

so Das auf die Photozcllcn 49 und 50 ansprechende Steuersystem zur differeniiellen Steuerung der Erregi'ng der Wicklungen D. D'und der Wicklungen B. ß'ist in gleicher Weise wie die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung für die Steuerung der Wicklungen

A. A'und der Wicklungen C. ("'aufgebaut. Die in F i g. 5 gezeigten Schaltungsanordnungen reichen zur Steuerung der eine einzige Scheibe aufweisenden Lagereinheit aus. wie sie beispielsweise in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.

Auf Grund der Tatsache, daß der Lagerspalt zwischen dem Stator und dem Rotor bei dem großen aus den F i g. 1 und 2 erkennbaren Durchmesser liegt, ist die Positions-Stabilisierungsstärke und die Stabilität der magnetischen Lagerung für die Lagereinheit so groß wie möglich. Auf Grund der dünnen Polstücke 11 und 12 in dem Stator, die sehr schmale Umfangsringoberflächen bilden, die sehr schmalen Ringflächen der Rotorpolstücke gegenüberliegen, wirkt weiterhin jeder

Neigung des Rotors, sich in einer Axi.ilrichliiiig gegenüber clem Suitor zu verschieben, die resultierende Störung des Magnetfeldes sehr stark entgegen. Daher ergibt das Lagersyslem eine Steifigkeit gegen eine bewegung in Axialriehtung zusammen mit der Stabilität gegenüber einer Verschiebung in Richtungen, die zueinander senkrecht und senkrecht zur Achse des Stators sind.

Die hier beschriebenen l.iigcrcinheit ist im wesentlichen frei von größeren Wirbclstromwiderständen, so daß sie eine Drehung mit relativ hoher Drehzahl ermöglicht. Der Wirbelslromwiderstand weist ein Minimum auf, wenn die magnetische Feldstärke an irgendeinem funkt um den Umfang des Stators und des Rotors (die Feldstärke längs des Spaltes /wischen diesen Teilen) im wesentlichen gleich der Feldstärke an irgendeiner anderen Stelle entlang des Unifanges ist. Dieser Zustand ist am weitgehendsten erreicht, wenn

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wesentlichen kein andauernder Beitrag von der Klekiromagnet-Steuerschaltung gegeben ist.

Eine gewisse VcrgröUerung des Wirbelstromwiderstandes tritt auf, wenn die Wicklungen in unterschiedlichen Sektoren des Stators unterschiedlich erregt werden. Es ist jedoch keine derartige unterschiedliche Erregung erforderlich, um irgendeine Neigung zu einer Verschiebung in Axialriehtung zu überwinden und hinsichtlich einer Verschiebung entlang einer oder beider der zwei zueinander senkrechten Achsen, die senkrecht zur Symmetrieachse des Stators sind, verringert der Beitrag der Integrationsschaltiing in der Steuereinrichtung die lang andauernde unterschiedliche Erregung durch die Elektromagnelwicklungen weitgehend. Ein Betriebszustand mit einer gewissen Exzentrizität des Rotors gegenüber dem Stator, der für eine gewisse Zeit hervorgerufen wird, um einen l.agerungszustand praktisch ohne Zuführung von Betriebsleistung bei Vorhandensein einer andauernden Beschleunigungskraft (wie z. B. der Schwerkraft) zu erzielen, bewirkt, daß ein vorgegebener Bereich des Rotors durch sich ändernde Magnetfeldstärkcn hindurchläuft, so daß üewissi! Wirhplslrnmp in ilom Rotor induziert werden. Weil die einander gegenüberliegenden Ringflächen des Stators und des Rotors jedoch sehr schmal sind, wird der Wirbclstromwidcrstand durch diese Geometrie wc'tgehend verringert.

Der sich aus einer andauernden Verschiebung des Rotors in einer vorgegebenen Richtung aus der konzentrischen Lage gegenüber dem Stator ergebende Wirbelstromwiderstand wird durch die sehr graduelle Änderung der Magnelfeldstärke gegenüber der Winkelbewegung über eine einzelne Umdrehung weitgehend verringert. Die magnetische Feldstärke ist am Punkt der größten Annäherung des StJtors und des Rotors am größten und sie ist am schwächsten an dem diametral gegenüberliegenden Punkt. Zwischen diesen Extremwerten ist die Änderung gleichförmig und sehr graduell und es treten keine abrupten Sprünge in der Magnetfeldintensität an irgendeinem Punkt auf. Diese Tatsache zusammen mit der geringen Dicke der Polstücke verhindert einen übermäßigen Wirbelstromwiderstand.

F i g. 6 zeigt eine Möglichkeit, wie mehrere Lagereinrichtungen nach den Fig. 1, 2, 3 und 4 verwendet werden können, wobei jede Lagereinrichtung mit zugehörigen Steuerschaltungen entsprechend der Fig.5 versehen ist. In Fig. 1 ist ein zylindrisches Rotorgehäuse 91 gezeigt, das gegenüberliegende scheibenförmige Endfliichen 92 und 93 aufweist, zwischen denen die Statoren von zumindest zwei l.agereinhcilen befestigt sind, wobei ein derartiger Stator bei 94 gezeigt ist, während der gegenüberliegcn-

•j de Stator mit 95 bezeichnet ist. Die Anordnung nach F i g. 6 schließt weiterhin einen Rotor-Zylinder 96 ein.

Wie es aus F i g. 6 zu erkennen ist, steht ein großer Raum zur Verwendung von mehr als zwei magnetischen l.agercinrichtungen innerhalb des Gehäuses 91 zur

in Verfügung. Mögliche Positionen zur Einfügung von zwei weiteren dcrsirligen l.iigereinrichtiingcn sind gestrichelt in tier Niilie des unteren Ernies der I i g. b gezeigt.

Wenn die zusammengesetzte Rotorbaiigruppe 96, 97,

ii 98 beispielsweise für einen Kreiselrolor verwendet werden soll, ist es erforderlich, ein Antriebssystem vorzusehen, um das notwendige Drehmoment zuzuführen, damit der Rotor 96, 47, 98 mit einer ausreichenden W/inLoljviii <Ίι«»>ίιτ/Ιΐ>?Ι/>·ϊι ι η l"iri»hiin*T iynrci»l /t und in ·· ■·■"*-·&,*-■"- ...f,.... _o .-...-

in Drehung gehalten wird. Zu diesem Zweck kann angenommen werden, daß der zylindrische Körper 96 des Rotors aus Messing oder ähnlichem leitenden Material hergestellt ist, und daß ein mehrphasiger Motor-Stator benachbart zu clem Zylinder 96 angeord-

2Ί net wird, entweder innerhalb des durch den Zylinder eingeschlossenen Volumens oder in dem Raum zwischen dem Zylinder % und dem Gehäuse.

Es ist weiterhin verständlich, daß integrierte Schaltungen in dem Verstiirkungs- und Steuersystem gemäß

id Fig. 5 für jede der l.agereinrichlungen in einer Anordnung wie der Anordnung nach F i g. b verwendet werden können, wobei es die Kompaktheit der integrierten Schaltung möglich macht, diese Schallungen innerhalb des Gehäuses anzuordnen, so daß die Anzahl der Verbindungen, die zur Zuführung elcktri scher Betriebsleistung in die Rotorbaugruppe innerhalb des Cjchäuscs 91, 92, 93 erforderlich ist, weilgehend verringert wird.

Eine der vielfältigen Anwendungen für eine Kreiselrotorbaugruppe ist eine Vertikalkreisel-Anwendung, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist. Zur Erzielung einer klareren Darstellung sind der den zylindrischen Teil % einschließende Rotor und ein Ende der Statorbaugruppc in F i g. 7 ohne ein Gehäuse gezeigt. Die Statoranordnung ist an einem Stalor-Befestigungsring IIO gehalten, der einige der Funktionen des Gehäuses 91, 92, 93 nach Fig. 6 erfüllt, der jedoch den Rotor und die .Statoranordnungen nicht umschließt und schützt. Dieser Stator-Befcstigungsring IIO ist mit Hilfe von Lagcrzapfen 105 und 107 in einem Kardanrahmen 103 gelagert. Der Kardanrahmen 103 ist seinerseits durch weitere Lagerzapfen 109 und IM gelagert, die eine freie Drehung um eine Achse senkrecht zur Achse der Lagerzapfen 105,107 ermöglichen.

Wenn die Antriebseinrichtung (wie z. B. ein mehrphasiger Stator zur Induktion von Strömen in dem Rotontylinder 96) und die Steuerschaltungen in der Statorbaugruppe mit eingefügt sind, so kann die elektrische Betriebsleistung für die Steuerschaltungen und die Antriebsleistung für den Kreisel über Schleifringe an den Lagerzapfen 105, 107,109 und 111 zugeführt werden.

Ein Navigations-Bezugskreiselgerät, wie z. B. ein Vertikalkreisel, der die magnetischen Lagereinrichtun-

6-; gen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, kann, wenn dies erwünscht ist, einen Servoantrieb der Kardanrahmenelemente in der kardanischen Aufhängung aufweisen, damit diese mit dem Rotor ausgerichtet

Il

gehalten werden, wobei sich eint minimale Keaklion des Rotors ergibt. Hei Fehlen eines Seivo-Nachlaufsystcms sind jedoch der Drehimpuls des Rotors und die in jeder l.agereinrichtung geschaffenen Zwangskräile bestrebt, eine Ausrichtung /wischen den .Stator- und Rotortcilcn s aufrecht /u erhalten, so daß das Kardanrahmcnsystem der stabilen Ausrichtung der Rolorachse nachfolgt, die sich aus dem bcträchtÜchen Drehimpuls des Rotors ergibt.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen magnelisehen Lagereinrichtung auf ein Kreiselgerät und die speziellere Anwendung bei einem Vertikalkreiselgerät stellen lediglich Heispiele dar und sind natürlich in keiner Weise die einzigen Anwendiingsmöglichkeilen der magnetischen l.agereinrichtung. Die erfindungsge- is mäße magnetische l.agereinrichtung weist wesentliche Vorteile auch bei der Lagerung von sich nicht drehenden Trägheitskörpern, für die Lagerung von ßige Lagerung einer Mittelwelle durch den Rolorteil. wobei gleichzeitig die Stcucrwicklung und der Spalt in idealer Weise wie in den F i g. I und 2 angeordnet ist. um die rotierende Masse am maximalen Radius des Systems /u halten.

Hei den dargestellten Ausführtingsbeispielen wurden die Polstückteile als vollständig eben dargestellt. Ks ist rw erkennen, daß eine größere Dicke (d. h. eine größere axiale F.rstrcckung) des Permanentmagneten in dem Stator und/oder dem Rotor bezüglich einer vorgegebenen Ausgestaltung der gegenüberliegenden inneren (Stator·) und äußeren (Rotor) llohlringc (wie in den F i g. I und 2) dadurch er/iell werden kann, daß man von den dargestellten parallelen ebenen Anordnungen abweicht, beispielsweise dadurch, daß die Polstücke tellerförmig ausgebildet werden oder die Form ν ;>η weitwinkligen konischen Anordnungen aufweisen.

I.s ist weiterhin versländlich, daß. wenn zwei

Mi-i!rn-i»!<*mi*nli'n iiml für vnrtrhirwlnm-» Λ nu/nn/liinupn I • iiTcriMnri/'hlnrnM'n ⁴SjMIi' :ιη ⁴SiMtI' :»ησι·ίΐτ-/1ηρι u/ι'πΐ-'η

auf. für die Lager erforderlich sind. Die beschriebene magnetische l.agereinrichtung ergibt besonders wesentliche Vorteile, wenn Schmiermittel, die für Kugellager erforderlich sein würden, austreten könnten, so daß schließlich eine Zerstörung der Kugellager auftreten würde.

Kinc Ausführungsform eines magnetischen Lagcrsyslcms, bei dem die Position der Rotor- und Statortcile der Lagereinrichtung vertauscht wurden, ist in F i g. 8 gezeigt. Bei dieser Ausführung¹ form ist der Rotor 121 von einem Stator 123 umgeben. In die geschichtete Konstruktion des Stators ist ein in Axialrichtung polarisierter kreisringförmiger Permanentmagnet 124 eingefügt und vorzugsweise ist ein weiterer Permanentmagnet in form eines Ringes in dem Rotor 12! vorgesehen, wobei dieser letztere Magnet 126 in r> Axialrichlung in der entgegengesetzten Richtung wie der Magnet 124 polarisiert ist. Kiner dieser beiden Permanentmagneten kann ohne den anderen verwendet werden.

Wie in den vorangehenden Beispielen liegt der -to /wischenspult zwischen dem Rotor und dem Stator bei einem relativ großen Radius, der in der Darstellung nach Fig.8 beträchtlich größer als der halbe maximale Radius des äußeren Teils der Lagereinrichtung ist. In diesem Fall sind die Segmenlwicklungcn AA. ("fund die weiteren Scgmcnlwickliingen IiB. DD. die in F i g. S strichpunktiert dargestellt sind, wieder in dem Statorteil der Lagereinrichtung angeordnet, um den Magnetfluß in irgendeinem vorgegebenen Sektor der Lagereinrichtung in dem Teil jedes Statorpolslückcs zu vergrößern ">o oder zu verkleinern, der dem Magnetflußspalt /wischen dem Stator und Rotor am nächsten liegt.

Die Anordnung nach F i g. 8 ermöglicht die zweckmäsollcn, diese Lagcrcinrichtungen vorzugsweise entgegengesetzt gerichtete axiale Polarisationen aufweisen sollten, so daß beispielsweise der Stator einer ersten derartigen Lagereinrichtung einen Nordpol auf seiner linken Seite aufweisen würde, während der Stator der /weiten Lagereinrichtung einen Südpol auf seiner linken Seile aufweisen sollte, und zwar benachbart zum Südpol des Stators der ersten l.agereinrichtung. Die entgegengesetzte Polarisation in jedem der jeweiligen Rotoren wird beibehalten.

Line weitere mögliche Abänderung bei der Anwendung von nebeneinander angeordneten mehrfachen Lagereinrichtungen besteht in der Verwendung von einem oder mehreren gemeinsamen Polstücken für aufeinanderfolgende l.agereinrichiungen in einer geschichteten Anordnung. Line derartige Anordnung würde jedoch auf den Vorteil von unabhängig hergestellten Lagereinrichtungen mit gleichförmigem zweipoligem Aufbau verzichten, bei dem es lediglich erforderlich ist. daß abwechselnde Lagereinrichtungen nach der Herstellung umgedreht werden, um gleiche Pole von irgendwelchen zwei aufeinanderfolgenden Statoren benachbart zueinander zu bringen.

In manchen Fällen können die SegmentwicHungcn. die in dem Slatorteil der Lagereinrichtung zur Erhöhung oder Verringerung des Magnetflusses vorgesehen sind, andere als Quadranten-Wicklungen sein. F.s können drei bis zwölf .Sektorwicklungen verwendet werden, beispielsweise drei UO-Scktorwicklungen. fünf 72"-Sektorwicklungen, sechs fa()°-Sektorwicklungen, acht 45°-Sektorwickliingen. neun 40 ■.Sektorwicklungen, zehn 36°-Seklorwicklungen oder zwölf iO -.Sektorwicklungen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 Patentansprüche;

1. Magnetische Lagereinrichtung mit einem scheibenförmigen Statorteil und einem Rotorteil, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und jeweils zumindest zwei permeable rechtwinklig zur Achse angeordnete Scheiben aufweisen, wobei der Rotorteil und/oder der Stalorteil einen zwischen den Scheiben angeordneten axial polarisierten Permanentmagneten aufweist und wobei die permeablen Scheiben des Rotor- bzw. Statorteils nach innen gerichtete, schmale ringförmige Polflächen bilden, deren Abstand im Rotor- und Statorteil gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die permeablen Scheiben (H, 12) als auch der dazwischen angeordnete Permanentmagnet (13) einen Durchmesser aufweisen, der beträchtlich größer als die Dicke der jeweils durch die Scheiben (11,12; 32,33) des Rotorteils und des Statorteils und den Permanentmagneten (13; 31) gebildeten Lagereinheit ist, und daß der Statorteil oder der Rotorteil Uli den Randbereichen der permeablen Scheiben (S 1, 12) eine Anzahl von Sektorwicklungen (A, A', B, B', C, C, D, D')aufweist, deren Erregerströme von einer auf Abweichungen von der konzentrischen Lage des Rotorteils in bezug auf den Statorteil ansprechenden Regeleinrichtung geregelt würden und die radial gerichtete Magnetflüsse in den jeweiligen Sektoren jeder Scheibe (11,12) induzieren.

2. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß axial polarisierte Permanentmagnete (13; 31)zwischen den permeablen Scheiben (11,12; 32,33) sowohl des Rolorteils als auch des Statorteils angeordnet sind.

3. Magnetische lagereinrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Scheiben (32,33) des Statortcils die dünnen Scheiben (11,12) des Rotorteils umgeben.

4. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stalorteil im Inneren des Rotortcils und konzentrisch hierzu angeordnet ist.

5. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuseelemenic (91, 92, 93) vorgesehen sind, die eine Anzahl von darin angeordneten Rotorteilcn (96) und Statorteilcn (94, 95) umschließen.

6. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektorwicklungen (A, A'. B, B'. C, C, D. D') einen Magnetfluß in den Polstückcn unmittelbar benachbart zu den Magnctspaltcn zwischen den Scheiben des Rotor- und Statorteils induzieren, der eine Änderung der Stärke der längs der Magnetspule te in irgendeinem Segmentbereich der durch den oder die Permanentmagneten induzierten Magnetflusses ergibt.

7. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Meßfühler (43,48,49,50) zur Messung einer Verlagerung des Rotorteils aus der konzentrischen Lage gegenüber dem Rotorteil vorgesehen sind, bei der der Magnctflußspalt an einem Sektorteil des Stators verringert und der Magnetflußspalt an dem gegenüberliegenden Sektorteil vergrößert ist, und daß die Regc'einrichtungen auf die Signale des Meßfühlers (43, 48, 49, 50) ansprechen und Verstärker- und Integnitoreinrichtungen (61,62,65, 66, 71, 72) aufweisen, die die Sektorwicklungen selektiv derart ansteuern, daö die Verlagerung aus der konzentrischen Lage beseitigt und überwunden wird und eine entgegengesetzte Verlagerung aus der konzentrischen Lage heraus erreicht wird, bei der die dauernde Erregung eines Satzes von Sektorwicklungen (A, a; b, b; C. c; d, υ') nicht erforderlich ist.