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.
Magnetic levitation bearings, in particular for an electricity meter
In the case of magnetic bearings for standing waves, for example for the rotor shaft of electricity meters, the weight of the shaft and all the parts that form a movable structural unit with it are partially or completely compensated by magnetic fields. In the case of complete compensation, the shaft is held in suspension magnetically; in the case of partial compensation, the pressure of the shaft on a bearing that supports it is reduced. A floating mounting of a shaft is not possible without additional guides for the shaft, which hold the shaft in its vertical position so that it cannot be tilted. Such guides, usually designed as neck bearings, usually cause only very small, but at least significant friction and thus friction losses.
A floating state of a paramagnetic body, e.g. B. an iron body, in a magnetic field is physically impossible without stabilizers.
A single measuring system is known in which a vertical shaft held in suspension by paramagnetic forces is stabilized without contact: the guides are each replaced by a diamagnetic body that is immersed in an inhomogeneous field in the gap of a magnet. The diamagnetic bodies and the magnetic gaps are annular in shape. In another known application of the aforementioned measuring system as an armature of an electricity meter, diamagnetic ring bodies sit on the two ends of the axis of rotation of the meter, respectively. Armature, immersing one pot magnet each made up of a permanent magnet core and an iron jacket into the annular gap.
Since diamagnetic forces are extremely small, very strong magnetic fields and thus very strong and very large magnets are required in the aforementioned measuring system to stabilize the diamagnetic bodies. As a result, the storage is still very sensitive even to small changes in the forces.
The use of the known measuring system will therefore have to be limited to special cases in which the aforementioned defects can be accepted.
To make the invention easier to understand, the mode of operation of the aforementioned known measuring system will first be explained with reference to FIG. 1 of the drawing. A floating mount for the rotor of an electricity meter is shown here, which in a further development of the aforementioned known measuring system manages with only a single diamagnetic transverse stabilization device for the rotor axis. The rotor of an electricity meter, which is to be held in suspension, consists here of a rotor 1 and a shaft 2. A magnet ring 3 is attached to the upper end of the shaft 2 and is located above a stationary magnet ring 4.
The two magnetic rings face each other with such a polarity that they repel each other and thus push the shaft 2 upwards. A ring 5 is also attached to the lower end of the shaft 2; In contrast to the ring 3, however, this does not consist of a paramagnetic, but a diamagnetic substance. It is located in the inhomogeneous gap field of a strong pot magnet 6. The field of the magnet 6 pushes the diamagnetic ring 5 away from itself. Since this displacement occurs at every circumferential point of the magnetic gap or the ring with the same strength, the ring 5 always floats exactly above the field gap of the magnet 6 and always exactly in a horizontal position, so that the shaft 2 is always kept in its vertical position .
Such a measuring system, like the known measuring system, offers the advantage of the non-contact stabilization that the shaft to be kept in suspension is completely free of friction, apart from air friction.
Even the latter can be avoided in a vacuum. The structural complexity of this measuring system is still considerable, although it only requires a single diamagnetic stabilization device.
The invention also achieves a non-contact floating state of a vertical shaft in a magnetic floating bearing, but with far less effort and also by eliminating the sensitivity of the bearing to small changes in force.
Naturally, it also cannot achieve this goal without stabilizing agents, but it is not dependent on the use of diamagnetic agents. It achieves the goal in a magnetic floating bearing for a standing wave, in particular the rotor shaft of an electricity meter, with magnetic stabilizing means maintaining the shaft in its vertical position, according to the invention in that the stabilizing means consists of a magnet with a round cross-section and a magnetically soft magnet placed in front of this magnet at a distance , round disc, with one of these two parts attached to the shaft and the other fixed, and that the magnet with a responsive to changes in height of the shaft,
the height position of the shaft is provided by influencing its magnetic action on the disc automatically complying control means. In contrast to the known measuring system mentioned, the floating bearing according to the invention uses only paramagnetic forces; instead of a diamagnetic system, it uses a magnetic stabilization control as stabilization means. As in the known measuring system, the magnet of the stabilizing means can for example be an electrically excited pot magnet. There are many options for the choice of control agent; a particularly simple and for the present purpose particularly advantageous control means is an electric field plate. The advantages of the subject matter of the invention are explained using the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 to 5 of the drawing.
To the extent that the individual parts of these examples correspond to the individual parts in FIG. 1, they are provided with the same reference numerals as there.
In Fig. 2 is at the upper end of the shaft 2 as in Fig.
1, a permanent magnet 3 is attached, which is pushed upwards by a stationary magnet ring 4 with the polarity shown. In addition, a second permanent magnet 30 is shown with a polarity such that the forces acting on magnets 3 and 30 are directed against one another. The force acting on the magnet 30 is, however, much smaller than the force acting on the magnet ring 3. At least one of the two magnets 3 and 30 is along the shaft z. B. adjustable by means of a thread, so that the resulting force on the shaft can be adjusted. The magnet 30 can also be omitted. On the carrier disk 1, two drive systems of the meter, not designated in any more detail, are indicated as an indication.
Under the lower end of the shaft 2, as in FIG. 1, there is again a pot magnet 6. Instead of the diamagnetic ring 5 in FIG. 1, however, a simple soft iron disk 7, that is a disk made of soft magnetic material, is placed above the pot magnet in FIG attached to shaft 2. In contrast to the diamagnetic ring 5 in FIG. 1, the disk 7 is not repelled by the magnet 6, but is attracted. Since the force of attraction is the same over the entire circumference of the pot magnet 6, it has the same stabilizing effect on the disk 7 and thus on the shaft 2 as the repulsion force of the pot magnet 6 on the ring 5 in FIG. 1. In addition, it is on the central core of the pot magnet 6, an electric field plate 8 is placed on it. This is thus located in the magnetic field between the pot magnet 6 and the disk 7.
In addition, as can be seen from FIG. 2, it is connected in series with the excitation winding 9 of the pot magnet 6 via a rectifier arrangement 10 to an AC voltage source 11.
To understand the mode of operation of the illustrated arrangement, it should be remembered that the electrical resistance of the field plate 8 changes in a magnetic field approximately according to FIG. 3: A field plate has its smallest electrical resistance when no field is acting on it; the greater the field induction, the greater its electrical resistance. The resistance increases approximately linearly with the field induction, regardless of the direction of the field.
In FIG. 2, as mentioned, the field plate is in the field between the magnet 6 and the disk 7.
It is assumed that the shaft 2 together with the disk 7 is in the floating state of rest. If the disk 7 sinks somewhat downwards due to any disruptive influences, it approaches the magnet 6, so that the field strength between the magnet and the disk and thus also in the field plate 8 increases. With increasing field strength, however, according to FIG. 3, the resistance of the field plate also increases. This increase in resistance leads to a weakening of the excitation 9 of the pot magnet 6 and thus a decrease in the force of attraction of the magnet 6 on the disk 7 until the upward force on the magnet 3 brings the shaft 2 back into equilibrium or into the original height position of its floating position brings back.
If, on the other hand, the disk 7 moves upwards due to any disturbing influences, its distance from the magnet 6 increases, the field strength and the electrical resistance of the field plate 8 decreases and the excitation of the excitation winding 9 increases, and thus the attraction of the magnet 6 also increases on the disc 7 is larger, so that the disc 7 is automatically pulled down again until the equilibrium position is reached again.
Since the automatic control already responds to the smallest changes in force, with the smallest changes in height of the shaft 2, and automatically reverses these changes, the magnet 6 does not need to be particularly strong. It can be considerably weaker than a magnet which, as in FIG. 1, has to keep a diamagnetic body in suspension.
In the exemplary embodiment in FIG. 4, the field plate 8 is arranged in a stationary manner below the movable magnet 3. It is located in the field area of this magnet, and the field strength acting on it is therefore dependent on the height of the magnet 3. All other parts in Fig. 4 have the same arrangement and design as in Fig. 2. The circuit of the field plate is the same. The mode of operation results from the above explanation of FIG. 2, if one takes into account that here, too, when the shaft 2 or the magnet 3 drops, the field strength at the field plate and thus also the field plate resistance increases, while when the Magnet 3 the resistance of the field plate becomes smaller.
5 shows a stabilization control in a differential arrangement. Here the magnets 3 and 4 and parts 6 to 9 are provided twice, once at the upper and once at the lower end of the shaft 2. The double magnets 3 and 4 act in the same direction, the sum of their upward forces on the shaft 2 corresponds to the upward force of the Magnets 3 and 4 in Fig. 2 and 4. The duplicated parts 6 to 9, however, are provided in opposite directions: at the lower end of the shaft 2, the disk 7 is pulled downwards by the magnet 6 as in FIGS. 2 to 4, while at the upper end of the shaft the disc 7 is pulled upwards by the magnet 6.
The two field plates 8 are also arranged in opposite directions: at the lower end of the shaft, the field plate 8 is arranged below the movable magnet 3, as in FIG. 4, while the field plate 8 is arranged above the movable magnet 3 at the upper end of the shaft. In terms of the circuit, the two field plates 8 are parallel to one another on the rectifier 10 and via this on the network 11. The mode of operation is again obtained using the diagram in FIG. 4 an increase in resistance of the field plate and thus a lower downward force on the lower disk 7, while at the upper end of the shaft there is a resistance reduction and thus a stronger upward force on the upper disk 7 results.
With this, both disks 7 are moved upwards again and thus also the shaft 2 again in its original equilibrium position.