DE2213470A1

DE2213470A1 - Magnetisches lagerelement zur magnetischen lagerung von koerpern

Info

Publication number: DE2213470A1
Application number: DE2213470A
Authority: DE
Inventors: Karl Boden; Dietrich Dipl Ing Dr Scheffer
Original assignee: Padana AG
Current assignee: Padana AG
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1972-03-20
Publication date: 1973-10-04
Also published as: FR2331254A5; US3890019A; DE2213470B2; DE2213470C3; JPS5858528B2; JPS496334A; GB1424072A

Description

PATENTANWÄLTE

Dipf.-Ing. EIDENEIER 9 9

Dipl.-Chem. Dr. RUFF Dipl.-Ing. J. BEIETT

7 STUTTGART 1 Neckarstraße 50 Telefon 22 70S1

20- März 1972 - JB/Va

Anmelderin: Padana AG, Zug,/ Schweiz,'' liaarerstraße

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Magnetisches Lagerelement zur magnetischen Lagerung von Körpern

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Lagerelement zur magnetischen Lagerung von Körpern unter Verwendung von ein elektromagnetisches PeId erzeugenden elektrischen Wicklungen und eine Vormagnetisierung erzeugenden Permanentmagneten, wobei ein auf ferromagnetische Teile an dem Körper einwirkendes, geregeltes Magnetfeld erzeugt wird.

Aus der US-Patentschrift 1 112 962 ist ein magnetisches Lagerelement bekannt geworden, das in einer radialen Lagerebene Lagerelemente besitzt. Die Lagerelemente bestehen aus nahezu zu einem Eing zusammengebogenen Hufeisenmagneten aus Permanentmagnetmaterial, die eine elektrische Wicklung tragen, die das Magnetfeld des Permanentmagneten schwächen oder stärken soll., Diese Hinge, deren Achse

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parallel zur Rotorachse liegt, erzeugen ein den Rotor durchsetzendes Magnetfeld, das sehr starke Polausbildung zeigt und daher hohe Ummagnetisierungsverluste hervorruft.

Bei dem bekannten Lagerelement ist der magnetische FeIdwiderstand für das elektromagnetisch erzeugte Feld außerordentlich groß. Es gibt nur einen einzigen magnetischen Kreis, d. h. der Verlauf der magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten stimmt mit denen des elektromagnetischen Feldes überein. Daher wird dieses Feld (mit Ausnahme des zu lagernden Körpers) ausschließlich durch Medien mit großem magnetischen Feldwiderstand geleitet, da das permanentmagnet! sehe Material im stabilen Bereich seiner magnetischen Kennlinie geringe Permeabilitätswerte besitzt ( yu-D in der Größenordnung von 1). Zur Erzeugung von Regelkräften sind demnach enorm hohe elektromagnetische Durchfluturigen (Ampere-Windungszahlen) notwendig. Zu hohe Amplituden des elektromagnetischen Regel-Feldes können zur Entmagnetisierung des Permanentmagneten führen. Aus diesen Gründen ist die bekannte Lagerung für die wirtschaftliche Nutzung sehr nachteilig.

Aufgabe der Erfindung ist ein Lagerelement der eingangs erwähnten Art, mit dem auf einen zu lagernden Körper große mechanische Energien bei geringem Aufwand an elektrischer Energie, kleinem Volumen und einfachem Aufbau übertragen werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in dem Lagerelement wenigstens zwei magnetische Kreise vorhanden sind, von denen wenigstens einer ein von wenigstens einem Permanentmagneten erzeugter permanentmagnetischer Kreis und ein anderer ein von den elektrischen

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Wicklungen erzeugter elektromagnetischer Kreis ist und daß das Lagerelement ferromagnetische Bauteile hoher " Permeabilität besitzt, die der elektromagnetische Kreis durchsetzt.

Der permanentmagnetische und der elektromagnetische Kreis verlaufen nun zumindest teilweise getrennt, wobei sie jedoch teilweise parallel bzw. einander entgegengesetzt verlaufen. Im elektromagnetischen Kreis ist das ferromagnetische Material hoher Permeabilität vorhanden, das für einen geringen Feldwiderstand in diesem Kreis sorgt und damit gegenüber der bekannten Anordnung Eegelenergie spart. Durch die permanentmagnetische Tormagnetisierung' wird im Verhältnis zur aufgewendeten elektrischen Energie eine sehr große mechanische Anziehungskraft auf den Körper ausgeübt. Im Luftspalt überlagert das Eegelfeld die Vormagnetisierung. Es wird dabei der Effekt ausgenutzt, daß die Anziehungskraft vom Quadrat der magnetischen Induktion B abhängig ist. Venn man diese Erscheinung einmal unabhängig von allen Eanderscheinungen theoretisch betrachtet, so kann man sich die kraft erhöhende Wirkung an folgendem Beispiel klarmachen: ,Es sei angenommen, daß im Luftspalt ein permanentmagnetisches Feld mit einer Induktion einer Vergleichsgröße 10 herrscht. Diesem Feld wird ein Eegelfeld, das elektromagnetisch erzeugt wird, in der Größe 2 überlagert. Wenn beide Felder in der gleichen Eichtung. verlaufen, so ergibt sich die resultierende Induktion 12, während bei entgegengerichteten Feldern die Induktion 8 im Luftspalt herrscht. Die daraus resultierenden Kräfte entsprechen dem Quadrat der Induktion, d. h. sie betragen 144 bzw. 64, und ihre Differenz beträgt 80.. Hätte man dagegen die Eegelgröße von ί 2 ohne Vormagnetisierung aufgebracht, so hätte man lediglich eine Kraft in der

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Größe 4- erhalten. Bei solcher Strombelastung ein und ; derselben Spule wird folglich die erzeugbare Kraft mit ansteigender Vormagnetisierung größer. Für die Vormagnetisierung muß keine ständige Energie aufgebracht werden, so daß mit im wesentlichen gleichbleibendem Aufwand an elektrischer Energie größere magnetische Feldenergien und damit Anziehungskräfte erreicht werden.

Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung durchsetzen die beiden Kreise, d. h. der elektromagnetische und der permanentmagnetische Kreis, den bzw. die Luftspalte zwischen Körper und Lagerelement im wesentlichen parallel und gemeinsam.

Zwei innerhalb des Lagereiementes im wesentlichen getrennte magnetische Kreise vereinigen sich also im Luftspalt und werden dann durch.den zu lagernden Körper geschlossen.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform nach der Erfindung, wenn zwischen dem zu lagernden Körper und dem Lagerelement zwei Luftspalte vorhanden sind, deren Wirkrichtung einander entgegengesetzt ist und in denen Magnetfelder erzeugbar sind, die unterschiedlich starke Anziehungskräfte auf den Körper entstehen lassen. Es wird hier mit einem einzigen Element, das auch nur eine einzige Wicklung besitzen muß, möglich, Kräfte in zwei Orientierungen zu erzeugen, d. h. einen Ireiheitsgrad vollständig aktiv festzulegen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der permanentmagnet!sehe Kreis über die ferromagnetisehen Bauteile rückgeschlossen ist und die Bauteile dabei zumindest teilweise bis in den Bereich der magnetischen Sättigung magnetisiert sind und daß die Bauteile gleich-

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zeitig inidem elektromagnetischen Kreis der-elektrischen Wicklung liegen, dessen Magnetfeld in den Bauteilen im wesentlichen die gleiche Sichtung hat wie das Magnetfeld des permanentmagnetischen Kreises. Bevorzugt weist dabei der permanentmagnetische Kreis wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Permanentmagnet e/f mit einander entgegengesetzter Magnetisierungsorientierung auf. In den beiden die ungleichnamigen Pole der nebeneinander .angeordneten Permanentmagnete^ rückschließenden Bauteilen tritt also ein jeweils einander entgegengesetzt orientierter magnetischer Fluß auf, der diese "bis zur Sättigung magnetisiert. In dem einen Bauteil addiert sich das permanentmagnetische PeId mit dem magnetischen Regelfeld, das von der Wicklung herrührt, während sich die Pelder in dem anderen Bau subtrahieren. Das bedeutet, daß d'as eine Bauteil weiter in den Bereich der Sättigung hinein getrieben wird, während das andere aus diesem Bereich herauskommt. In dem ersten ist der magnetische Leitwert sehr, gering (bzw. der magnetische Widerstand sehr hoch), während in dem anderen die entgegengesetzte Erscheinung auftritt. Das letztere bleibt also im Bereich des Perromagnetismus. Entsprechend verhalten sich die durch den Strom der elektrischen Wicklung erzeugten magnetischen Pelder, so daß in den benachbarten Luftspalten entsprechend niedrige bzw. hohe Peldstärken vorhanden sind.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und wer- den im folgenden näher erläutert. Es zeigen :

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Pig. 1 eine schematische, teilgeschnittene Seitenansicht eines berührungslos magnetisch gelagerten rotierenden

Körpers,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines magnetischen Axiallagers,

Ig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines magnetischen Axiallagers,

ig. 4 eine schematische perspektivische Teilansicht eines magnetischen Linearlagers,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines anderen Linearlagers,

Fig. 6 einen schematischen Teilschnitt, der zur Erläuterung eines Lagerprinzips dient, ·

Fig. 7 zwei schematische perspektivische ^un Teilschnitte von Linearlagern,

Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX --IX in Fig. 8, ·

Fig. 10 einen schematischen perspektivischen Teilschnitt einer Linearlagerung, die gleichzeitig die aktive Stabilisierung in einem rotatorischftn Freiheitsgrad er laubt,

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Fig. 11 einen Perspektiven Teil-Längsschnitt eines Axiallagers und

5"ig. 12 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Axiallagers.

Zu den Zeichnungen ist zu bemerken, daß sie zur Verdeutlichung sehr schematisch gehalten sind. Der Freiheitsgrad bzw. die Freiheitsgrade, die mit dem jeweiligen Lagerelement begrenzt .werden, sind durch Pfeile angedeutet. Die nur schematisch dargestellten Wicklungen sind-in ihrer Wicklungsrichtung und Stromlaufrichtung durch einen Punkt im Kreis (Pfeilspitze) bzw. Kreuz im Kreis (Pfeil- · ende) gekennzeichnet.

Ferner sind teilweise strichliert die magnetischen Kreise bzw. der magnetische Feldlinienverlauf angedeutet. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete ist durch Angabe ihrer Pole (N, S) angedeutet. In Fig. 1 ist ein Körper 13 in Form eines Rotors dargestellt, der um eine vertikale Drehachse 14 drehbar gelagert ist. Er wird von einer magnetischen Lagerung berührungsfrei gelagert, die aus zwei am oberen und am unteren Teil des Rotors 13 angreifenden Radiallagern 15 und einem Axial-Stabilisierungsmagneten 16 besteht. Eine derartige Lagerung ist in der deutschen Offenlegungsschrift 1 750 602 beschrieben. Dementsprechend besteht der Axial-Stabilisierüngsmagnet aus einem ringförmigen Permanentmagneten, der im Zusammenwirken mit einer Kante 17 des ferromagnetischen Rotors " eine axial stabile, jedoch radial destabilisierte Lage des Rotors herbeiführt. Der destabilisierenden Wirkung, sowie allen übrigen Radialkräften und -schwingungen wirken die Radiallager 15 entgegen, die aus elektromag-

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netischen Mitteln gebildet sind, die in den in der Zeichnung angedeuteten zwei horizontalen Freiheitsgraden aktiv geregelte Kräfte auf den Rotor aufbringen. Dazu werden die elektromagnetischen Mittel mit Ausgangssignalen von Regelgeräten 18 gespeist, die diese Ausgangssignale in Abhängigkeit von Fühlersignalen erzeugen, die von Fühlern 19 erzeugt werden, die auf den jeweiligen Abstand des Rotors zu ihnen ansprechen. Das Regelgerät 18 ist gleichstromgespeist und enthält einen Verstärker und einen Phasenschieber, der die Ausgangssignale gegenüber den Fühlersignalen zeitlich um einen gewissen Betrag vorauseilend phasenverschoben abgibt, der normalerweise zwischen Null und einer viertel Schwingungsperio"de der Fühlersignale (und damit des Rotors) liegt.

Die Radiallager 15 und der Axialstabilisierungsmagnet 16 sind an einem allgemein als Stator 20 oder feststehendes Teil bezeichneten Gehäuse angebracht.

Am oberen Teil besitzt der Rotor eine umlaufende Ausnehmung 21, in die ein Lagerelement 22 eingreift, das im vorliegenden Falle als Axial-Lagerelement ausgebildet ist und im einzelnen, beispielsweise die anhand von Fig. 12 beschriebene Ausbildung haben kann. Zwischen der Kante 17 und dem Lagerelement 22 bzw. zwischen einer oberen, der Ausnehmung 21 zugekehrten Fläche 23 eines oberen Rotorteils 24 und dem Lagerelement 22, bilden sich zwei Luftspalte 25, 26, in denen das Lagerelement 22 ein geregeltes Magnetfeld erzeugt, das den Rotor in einer axial genau positionierten Lage hält. Es sei dazu bemerkt, daß der Rotor 13 an sich durch den Axial-Stabilisierungsmagneten 16 in einer axial stabilen Lage gehalten wird, wobei bei der vorliegenden Lagerung mit vertikaler Dreh-

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achse die Schwerkraft eine entsprechende Gegenkraft liefert. Auch die Dämpfungsenergien in axialer Richtung, die durch Wirbelstrom-- und Hystereseverluste im Läufer aufgebracht werden, reichen in den meisten !Fällen aus, wenn es auf die axiale Positionierung nicht so genau ankommt und in dieser Richtung keine wesentlich veränderlichen Kräfte wirken. Wenn es jedoch auf die genaue Einhaltung einer axialen Position des Läufers ankommt, so ist es angebracht, ein Axial-Lagerelement 22 vorzusehen. Dieses bringt, wie bereits gesagt, ein geregeltes Magnetfeld auf. Darunter wird in erster Linie ein aktiv geregeltes Magnetfeld verstanden, d. h. ein automatisch lageabhängig geregeltes Magnetfeld. Es ist Jedoch auch denkbar, das Lagerelement 22 bei geringeren Anforderungen lediglich nachstellbar zu machen, indem beispielsweise eine Fach- · regelung der axialen Lage von Hand erfolgt.

In !Fig. 1 ist eine aktive Regelung vorgesehen. Dazu ist an das Lagerelement 22 ein Regelgerät 27 angeschlossen., das im wesentlichen den'bereits beschriebenen Regelgeräten 18 entsprechen kann. Es wird mit !Fühlersignalen von einem Fühler 28 beaufschlagt, der ein berührungsloser Wegaufnehmer ist und am Stator 20 derart angebracht ist, daß er Abweichungen des Rotors von seiner axialen Sollposition feststellt und in !Fühl er signale· umsetzt. Es können an sich bekannte induktive, kapazitive oder lichtelektrische Fühler verwendet werden. Auch die Verwendung von galvanomagnetischen Bauelementen ist bei entsprechender Ausbildung möglich.

Das Regelgerät 27 wird mit Gleichstrom gespeist und besitzt einen Verstärker und einen Phasenschieber. In ihm werden die Fühlersignale verstärkt und in Ausgangssignale umgesetzt, die den Fühlersignalen um einen Betrag zwischen

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Null und einer Viertel Schwingungsperiode der Fühlersignale vorauseilend phasenverschoben sind. Die Ausgangssignale sind Gleichstromsignale, d. h. die Abweichungen in Strom- bzw. Spannungsamplituden sind lediglich von Abweichungen oder Schwingungen des Rotors verursacht, es wird jedoch keine Trägerfrequenz benutzt. DieseArt der Regelung, die auch bei den Radiallagern 15 benutzt wird, hat den großen Vorteil erheblich geringerer Uimnagnetisierungsverluste im Rotor. Es ist daher möglich, daß, wie dargestellt, der Rotor aus beliebigem ferromagnetischem Material, beispielsweise normalem Baustahl, besteht. Eine Rotorblechung oder andere Maßnahmen zur Senkung der ümraagnetisierungsverluste können meist unterbleiben.

Die Ausgangssignale des Steuergerätes 27 lassen bei ihrer Umsetzung in den Lagerelementen in magnetische Felder, die auf den Rotor IJ einwirken, auf den Rotor Krafteinwirkungen entstehen, die in zwei Komponenten eingeteilt werden können, nämlich eine Rückstell-Kraftkomponente, die mit den Fühlersignalen phasengleich liegt und für eine Rückstellung des Rotors aus einer von der .Sollposition abweichenden Lage in die Sollposition sorgt, und eine Dämpfungs-Kraftkomponente, die Schwingungen des Rotors däfnpft und gegenüber den Fühl er signal en um eine Viertel Schwingungsperiode der Fühlersignale vorauseilend phasenverschoben ist.

In Fig. 2 ist ein Axial-Lagerelement 22 dargestellt. Der nur teilweise dargestellte Rotor 13 besitzt einen umlaufenden Bund 29, dessen obere und untere Flächen 3°> den oberen und unteren Luftspalt 25, 26 begrenzen. Die jeweils feste Begrenzung des Luftspaltes bildet ein ringförmig umlaufendes ferromagnetisches Bauteil 32, das aus

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einem hoch permeablen Werkstoff besteht ( λχ-^t 1 000). Es kann aus Eisen bzw. Stahl entsprechender Eigenschaft, einem hoch permeablen Preßmaterial oder in Sonderfällen auch aus einzelnen, elektrisch voneinander isolierten Blechen (Dynamobleche) bestehen. Wichtig ist jedenfalls, daß das Bauteil J>2 für ein magnetisches Feld gut leitend ist. Alle übrigen Forderungen sind von den jeweiligen Verwendungszwecken abhängig.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat das Bauteil 32 im wesentlichen Ringform mit einem nach innen offenen U-Querschnitt. Dadurch bildet sich ein Kernteil 33 i*¹ Form eines äußeren Ringes und daran anschließender, die Schenkel des TJ bildender scheibenförmige Polteile 34-, 35* Diese bilden gleichzeitig die festen Begrenzungen der Luftspalte 25, 26. ' .

Das Bauteil 32 ist am nur abgebrochen dargestellten Stator 20 befestigt. Die übrige Lagerung des Rotors 13 kann der nach Fig. 1 entsprechen.

Auf dem Kernteil ist eine elektrische Wicklung 36 vorgesehen, die im vorliegenden Beispiel innen und außen auf dem Kernteil 33 vorgesehen ist und das Bauteil ganz umfaßt. Hier sei gleich bemerkt, daß für die Wicklung 36 die verschiedenartigsten Formen möglich sind, indem beispielsweise die Wicklung nur innen oder außen ,vorgesehen ist oder in Einzelspulen aufgelöst ist. Wesentlich ist lediglich, daß die Wicklung in der Lage ist, in dem Kernteil 33 ein veränderliches magnetisches Feld zu erzeugen, dessen Feldlinien von einem Polteil zum anderen verlaufen. Dieser Feldverlauf ist im folgenden als elektromagnetischer Kreis 37 bezeichnet und strichliert angedeutet. Pfeile kennzeichnen die Flußrichtung. Die Wicklung ist in nicht dargestellter Weise an ein Regelgerät 27 angeschlossen.

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Audi der. zugehörige Fühler 28 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Er kann auch mit jedem beliebigen Läuferteil zusammenarbeiten, das eine Peststellung der axialen Lage ermöglicht. Der dektromagnetische Kreis 57 verläuft durch das Kernteil 33 und schließt sich über die Pol teile 3^-, 35» die Luftspalte 25, 26 und den ferromagnetisehen Bund 29·

Es sei bemerkt, daß, wenn nur der elektromagnetische . · Kreis 37 in. dieser Form vorhanden wäre, in beiden Luftspalten 25, 26 im wesentlichen gleich große magnetische Felder auftreten wurden, so daß zwischen dem ferromagnetisehen, aber nicht permanentmagnetischen Bund 29 und den Polteilen 34-, 35 gleich große,'einander entgegengesetzt gerichtete Anziehungskräfte auftreten wurden. Eine' Lageregelung wäre auf diese Weise nicht möglich.

In axialer Sichtung außen an den Polteilen 3^, 35 sind Permanentmagnete 33, 39 angeordnet. Sie haben'die Form von Ringmagneten aus einem ferritischen Preßmaterial und sind axial magnetisiert. Sie erzeugen Je einen permanentmagnetischen Kreis 4-0,, 41, dessen ungefährer Verlauf und Richtung ebenfalls strichliert und durch- Pfeile angedeutet ist. Wenn von "Kreisen" 37, 4-0 oder 41 gesprochen wird, so ist darunter ein in sich geschlossener Magnetfeldverlauf zu verstehen, der durchaus nicht geometrische Kreisform haben muß. In den vorliegenden Fällen sind die "Kreise" eher tooridförmig.

Die Permanentmagneten 38, 39 sind so angeordnet, daß jeweils gleichnamige Pole den Polteilen 3^-, 35 zugekehrt sind, im vorliegenden Beispiel die Nordpole. Der entstehende magnetische Feldverlauf ist also derart, daß in dem oberen Luftspalt 25 das durch den Kreis 40 symboli-

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sierte Vormagnetisierungsfeld gestärkt wird, wenn durch entsprechende Strombeaufschlagung der Wicklung 36 der elektromagnetische Kreis 37 die in Pig. 2 skizzierte Richtung bzw. Orientierung hat. Dagegen wird der permanentmagnetische Kreis 41 durch den elektromagnetischen Kreis 37 überlagert, so daß also eine verstärkte Anziehungskraft in dem Luftspalt 25 und eine abgeschwächte Anziehungskraft im Luftspalt 26 auf den Rotor ausgeübt wird und dieser aufwärts gezogen wird. Bei Umkehrung der Stromrichtung in der Wicklung 36 würde das Entgegengesetzte eintreten, d. h. das Vormagnetisierungsfeld im Luftspalt 26 wird verstärkt, während es im Luftspalt'25 geschwächt wird. Es ist also eine aktive Steuerung der Rotorlage mittels des Lagerelementes 22 möglich.

Es ist zu erkennen, daß das Lagerelement 22 mit außerordentlich geringer elektrischer Regelenergie auskommt. So ist es beispielsweise nicht zwingend notxtfendig, daß die Wicklung 36 von einem konstanten Vorstrom durchflossen wird, dessen Amplitude geregelt wird, sonder es ist auch die natürlich energiesparendste Regelung mit Stromrichtungsumkehr möglich und vorteilhaft. Regelung mit Vorstrom ist natürlich ebenfalls möglich, wobei man vorteilhaft den Vorstrom zu Tragfunktionen mit heranzieht. Energiesparender wäre jedoch, wenn man diese Aufgabe einem Permanentmagneten überträgt. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Anordnung der beiden Permanentmagneten ,natürlich eine destabilisierende_fWirkung auf die axiale Lage des Rotors hat. Durch die aktive Regelung wird jedoch·diese wieder aufgehoben, so. daß erstaunlicherweise keine negativen Erscheinungen auftreten.

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Vor allem ist aber zu erkennen, daß der elektromagnetische Kreis 37 mit einem Minimum an Feldwiderstand geleistet wird, indem er nahezu vollständig in dem hoch permeablen Bauteil 32 und dem ebenfalls ferromagnetischen und vorzugsweise hoch permeablen Rotorteil 29 auftritt. Er hat lediglich die Luftspalte 25, 26 zu überbrücken, die, wie auch in den übrigen Zeichnungen, hier übertrieben groß dargestellt sind. Es sei jedoch bemerkt, daß bei dieser Art der Regelung die Luftspalte ohne wesentliche Nachteile um vieles größer sein können als bei bekannten Ausführungen. Der permanentmagnetisehe Kreis 4-0 läuft im wesentlichen überall getrennt vom elektromagnetischen Kreis. Lediglich in den Lufrspalten 25, 26 verlaufen beide Kreise parallel und'gemeinsam, so daß eine gegenseitige Verstärkung oder Schwächung möglich ist. Auf den elektromagnetischen Kreis 37 wirkt sich daher die geringe Permeabilität des Materials der Permanentmagneten 38» 39 nicht nachteilig aus. Es besteht auch keine Neigung, daß die Permanentmagneten 38, 39 durch größere und stark wechselnde magnetische Felder im Kreis 37 entmagnetisiert werden.

¹Ii Fig. 3 ist eine Ausführung eines Lagerelementes 22 dargestellt, die in ihrem Grundaufbau und ihrer Funktionsweise mit dem nach Fig. 2 vollständig übereinstimmt. Es wird daher auf eine nochmalige detaillierte Beschreibung verzichtet, und lediglich die Unterschiede werden hervorgehoben. Gleiche bzw. entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Ector 13 ist mit einem Bund 29 versehen, der bei diesem Ausführungsbeispiel nach innen gerichtet ist. Dementsprechend hat das Bauteil 32 die Form einer Spule, d. h. eines Ringes mic nach außen offenem U-förmigen Querschnitt. Die Wicklung 36 ist auf dem Spulengrund angeordnet. Das Lagerelement 22 ragt durch eine öff-

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nung 42 in den Rotor teilweise hinein und ist oben am Stator 20' befestigt.

In Fig. 4 ist die Anwendung des Lagerprinzips auf ein Linearlager dargestellt. Das Bauteil 32 hat hier die Form einer langgestreckten U-förmigen Schiene, die einen Strombelag bzw. eine Wicklung 36 an ihrem den U-Bogen bildenden Kernteil 33 trägt. Auch die Permanentmagneten 385 39 sind langgestreckt und leistenförmig ausgebildet. Der zu lagernde Körper 13 hat hier ebenfalls die Form einer Leiste oder Schiene, die in das U-förmige Bauteil 32 hineinragt. Das ganze System hat eine bestimmte endliche Länge, die je- . vie ils "von den Verhältnissen bestimmt wird. Die Wicklung 36 kann eine langgestreckte "ovale" Wieklung sein.

Es sei bemerkt, daß das hier dargestellte Lagerelement die Stabilisierung in einem in der Zeichnung angedeuteten.horizontalen Freiheitsgrad, jedoch"in seinen beiden Orientierungen (rechts, links) ermöglicht. Dazu müßten Fühler zwischen irgendwelchen f-esten und beweglichen Teilen in diesen Richtungen angreifen. Wenn der Körper 1'3 jedoch so lang ist, daß er jeweils mindestens im Bereich von zwei getrennten Lagerelement en sich befindet", dann ist durch unterschiedliche Regelung dieser beiden Lagerelemente 22 auch eine Stabilisierung in einem rotativen Freiheitsgrad möglich, dessen Achse im dargestellten Beispiel senkrecht steht.

Es sei außerdem bemerkt, daß gerade bei einem Linearlager, jedoch auch grundsätzlich bei rotativen Lagern die Umkehrung zwischen statorfesten und rotorfesten Teilen möglich ist. So könnte beispielsweise das Lagerelement 22 sich auch am beweglichen Teil befinden, während der Körper 13 feststehend ist.

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. 5 zeigt eine gegenüber Pig. 4 sozusagen verdoppelte Ausführungsform, bei der das Bauteil 32 nicht U-förmig, sondern TT-förmig ausgebildet .ist. Dabei bildet das Kernteil 33 den Steg, während die Polteile 34, 34' und 35, 35' die Flanschen bilden. Die Permanentmagneten 38, 39 sind in Form von für jede Seite durchgehenden breiten Platten ausgebildet, können jedoch auch nur aus Leisten bestehen, die lediglich ein Polteil überdecken. In den beiden Ausnehmungen zwischen den Polteilen 3^-, 35 bzw. 3^¹, 35' sind Körper 13, 13' angeordnet, die die freien Enden einer insgesamt C-förmigen Schiene 43 bilden.

Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen sind bei den Linearlagerii nach Fig. 4 und 5 im wesentlichen die gleichen wie bei den Axiallagern nach den Fig. 2 und '3 oder anderen denkbaren Anwendungsmöglichkeiten. In jedem Falle entstpht ein in Umfangs- bzw. Bewegungsrichtung homogenes Vormagnetisierungsfeld, dem lediglich die Hegelfelder überlagert werden. Dadurch treten kaum Ummagnetisierungsverluste auf, die sich auf den Körper 13 bremsend und erwärmend auswirken könnten. Der Aufbau ist in allen Fällen besonders einfach, und die Ausnutzung der elektrischen Regelenergie, ebenso wie des permänentmagnetischen Werkstoffes, ist sehr gut. ,

Auf den gleichen Grundvoraussetzungen zweier' %τα wesentlichen voneinander getrennter magnetischer Kreise bauen die Ausführungsformen nach den Fig. 6 bis 12 auf. Anhand von Fig. 6 werden diese in ihren Grundzügen, erläutert. Von dem ferromagnetisehen Körper 13 sind lediglich zwei an das Lagerelement 52 angrenzende Abschnitte dargestellt, Diese begrenzen auch die Luftspalte 25, 26. Das Lagerelement 52 besitzt Permanentmagneten 68, 69, von denen in.Fig. 6 zwei dargestellt sind. Sie sind nebeneinander derart angeordnet,

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daß ihre Polflächen 44 in einer Ebene liegen, jedoch mit jeweils entgegengesetzten Polen. Sie sind also mit paralleler Magnetisierungsachse, jedoch unterschiedlicher Orien-• tierung der Magnetisierung nebeneinander angeordnet.

Die Polflächen 44 werden von ferromagnetischen Bauteilen 62, 63 überdeckt, für deren Material das gilt, was vorstehend für das Bauteil J2 gesagt wurde. Diese auch als Leitbleche !bezeichneten Bauteile 62, 63 sind mit relativ geringen Querschnitten aufgeführt, so daß der permanentmagnetische Kreis 70, der, wie aus '!"ig. 6 zu erkennen ist, über den Permanentmagneten 68, das Bauteil 62, den Permanentmagneten 69 und das Bauteil 63 sich schließt, die Bauteile 62, 63 bis in den Bereich ihrer magnetischen Sättigung magnetisiert. Im Bereich der 'Stoßstellen zwischen beiden Magneten wird diese Sättigung>am ehesten erreicht werden. Die magnetische Durbhflutüng sollte so stark sein, daß schon relativ geringe durch Elektromagnetismus aufgebrachte magnetische !Felder in .den Bauteilen 62, 63 eine Magnetisierung über die Sättigung hinaus be-, wirken wurden. Auf dem Lagerelement 52, d." h. außen auf den Bauteilen 62, 63, angrenzend an die Luftspalte 25, 26, ist eine Wicklung 66 angeordnet. Sie kann auf verschiedene Weisen angeordnet sein. Wichtig ist lediglich, daß sie in der aus Permanentmagneten und Bauteilen bestehenden Einheit ein elektromagnetisches Feld aufbauen kann, das in den Bauteilen 62, 63 parallel zu dem Feld verläuft, das durch den permanentmagnet!sehen Kreis 70 erzeugt wird. Diese elektromagnetischen Kreise 57, 67 sind wiederum in Fig. 6 angedeutet. Es ist zu erkennen, daß bei dem angedeuteten Beispiel in dem Bauteil 62 die Feldlinien der Kreise 57, 70 zwar parallel, jedoch gegeneinander verlaufen, während in dem Bauteil 63 die entsprechenden Kreise 67,70 parallel zueinander verlaufen. Dadurch wird das . ·

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Bauteil 62 wieder in den Bereich unterhalb der Sättigung "zurückgeholt", während im Bauteil 63 die magnetische feldstärke über die in einzelnen Bereichen dieses Leitblechs bereits durch die permanentmagnetische Magnetisierung erreichte Sättigungsfeldstärke hinaus weiter ansteigt. Der magnetische Leitwert dieses Bauteils 63 ist daher sehr gering (die Permeabilität ist nahezu gleich der des Vakuums - u-^ ca. 1). Der durch die Wicklung 66 erzeugte magnetische Fluß ist daher in dem Leitblech 63 sehr gering und dafür in dem Leitblech 62 sehr groß, da dieses wieder im Bereich des Ferromagnetismus mit Permeabilitäten von Ai-^ etwa 1 000 arbeitet. Durch den erheblich kleineren magnetischen Leitwiderstand in dem Leitblech 62 ist dort die aufgrund der elektromagnetischen Erregung der Wicklung 66 entstehende feldstärke sehr groß und dementsprechend auch die magnetische Feldstärke in dem angrenzenden Luftspalt 25. Der Rückschluß der elektromagnetischen Kreise erfolgt über den Körper 13· Die Anziehungskraft ist daher im Bereich des Luftspaltes 25 wesentlich höher als die im Luftspalt 26. Bei Stromrichtungsumkehr der Wicklung 66 tritt die entgegengesetzte Erscheinung auf.

Es sei bemerkt, daß auch in diesem Falle'die Kraft erhöhende und Energie sparende Wirkung der Vormagnetisierung benutzt v/erden kann. Bei Erhöhung der permanenten Vormagnetisierung über die Sättigung hinaus entsteht nämlich die Luftspalte durchsetzendes vormagnetisierendes permanentmagnet!sehes Feld, das dann in der bereit vorstehend beschriebenen Weise lediglich von den elektromagnetischen Kreisen überlagert wird. Es ist zu erkennen, daß auch hierbei die Felder in der erwünschten Weise zur gegenseitigen Verstärkung bzw. Abschwächung zusammenwirken. Die Vormagnetisierung durch den gesonderten permanent;magnetischen Kreis 70 hat also zwei Funktionen: Sie dient erstens zur Magnetisierung der

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Leitbleche in den Bereich der Sättigung hinein, was für die Sanktion dieser Ausführung notwendig ist, und ferner zur Schaffung einer permanenten Vormagnetisierung im Luftspalt, die zu den erwähnten Einsparungen an Regelenergie führt.

In Fig. 7 ist ein Lagerelement 52 dargestellt, das zur Schaffung eines Linearlagers dient.' In der Ausnehmung eines schienenförmigen langgestreckten Körpers 15 mit U-förmigem Querschnitt ist das Lagerelement 52 angeordnet. Die beiden Permanentmagneten 68, 69 mit einander entgegengesetzter Polung sind übereinander angeordnet, d. h. in der durch den strichpunktierten Doppelpfeil angeordneten Bewegungsrichtung 45 des Linearlagers sind jeweils zwei Permanentmagneten 68, 69 parallel angeordnet. Ihre Stoßfuge 46 verläuft im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung 45. Die Bauteile 62, 63 überdecken die seitlich angeordneten Pole der Permanentmagneten und sind außen mit der Wicklung 66 versehen, die in diesem Falle die ununterbrochene Baulänge des Lagerelementes 52 begrenzt. Es ist zu erkennen, daß hier in Bewegungsrichtung 45 keine sich ändernden oder gar abwechselnden magnetischen Felder auftreten. Das Feld ist weitgehend homogen, so daß die Hysterese- und Wirbelstromverluste im Körper I3 sehr gering sind.

Dagegen läßt sich die Ausführungsform nach den Fig. 8 und sehr einfach herstellen. Es ist zu erkennen, daß dort die • Magneten 68, 69 in Bewegungsrichtung 45 hintereinander angeordnet sind, wobei Jedoch bei der dargestellten Lage ihre Magnetisierungsrichtungen horizontal liegenuid jeweils; entgegengesetzt gepolte Magneten aufeinanderfolgen. Es .sind in einem Lagerelement 52 zahlreiche Magneten hintereinander angeordnet. Zwei leistenförmige Bauteile 62,. 63 überdecken

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die PoIflachen 44 der Magnete. Die Wicklung 66 ist im Gegensatz zu der Wicklung bei Pig. 7 ringförmig um den aus den Permanentmagneten 68 und den Bauteilen 62, 63 bestehenden "Sandwich" derart angeordnet, daß im wesentlichen ein in Bexvegungsrichtung 45 verlaufendes Wendel entsteht.' Durch entsprechende Bewicklung bzw. Schaltung ist jedoch, wie aus Fig. 9 zu erkennen ist, die Wicklung 66 in jeweils längs aufeinanderfolgende Abschnitt 47, 4-8 unterteilt, die jeweils einander entgegengesetzte Stromlaufrichtungen aufweisen. Die Abschnitte 47, 48 sind jeweils symmetrisch zu den in diesem Falle quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden Stoßfugen 46 zwischen den Magneten angeordnet.

Der Grund für die unterschiedlichen Stromlaufrichtungen in der Wicklung 66 ist zu erkennen, wenn man die in Pig. 9 eingezeichneten magnetischen Kreise 57, 57', 67, 67' und 70, 7°' betrachtet. Durch die wechselnde Sichtung der permanentmagnet! sehen Kreise müssen auch die elektromagnetischen Kreis entsprechend ihre Richtung ändern, damit eine gleiche Wirkung auftritt.

Während in Pig. 7 die Feldlinien den Körper 13 im wesentlichen senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung 45 durchströmen, indem sie beispielsweise oben eintreten und im Bereich des Endes des U-Schenkels des Körpers 13 wieder in das Lagerelement 52 eintreten, verlaufen die Feldlinien bei der Ausführung nach Fig. 8 im wesentlichen längs der Bewegungsdichtung 45. Dabei wechseln jedoch die Richtungen des magnetischen Feldes bei jedem Abschnitt 47, 4-8 einander ab, co daß bei einer Bewegung Ummagnetisierungsverluste in dem Körper 13 auftreten. Diese. Ausführungsform wird daher vorzugsweise dann gewählt werden, wenn es auf derartige Verluste nicht ankommt, beispielsweise bei langsamen Bewegungen oder geringen Kräften.

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In Fig. 10 ist eine Ausführung dargestellt, die sich von Fig. 8 lediglich dadurch unterscheidet, daß in der Ausnehmung des Körpers 13, die entsprechend tiefer ist, zwei im wesentlichen identische Lagerelemente 52 angeordnet sind. Durch diese Anordnung ist es möglich,· bei Beauf- ■ -' schlagung der beiden Lagerelemente von unterschiedlichen Regelgeräten und Fühlern her außer einem horizontal liegenden translatorischen Freiheitsgrad auch noch einen rotatorischen Freiheitsgrad zu lagern, und zwar einen, dessen Achse in Bewegungsrichtung 45 verläuft.

In den Fig. 7 bis 10 sind Linearlager dargestellt worden, die nach dem anhand von Fig. 6. veranschaulichten Prinzip arbeiten. In den Fig. 11 und 12.ist nunmehr die Anwendung dieses Prinzips auf Axiallager drehbarer Körper dargestellt. Dabei bezutzt die Ausführung nach Fig. 11 das anhand der Fig. 8 und·9 erläuterte System mit in Bewegungsrichtung hintereinander angeordneten Permanentmagneten. In Fig. 11 ist das Lagerelement nach Fig. 8 "zu einem Kreis zusammengebogen". Diese Ausführung, bei der die Permanentmagneten jeweils aufeinanderfolgend in Art von Kreissegmenten angeordnet sind, wird entsprechend seiner größeren Ummagnetχει erungsverlus te für langsame Drehungen eingesetzt werden. Das in Fig. 12 dargestellte Axiallager baut dagegen auf dem anhand von Fig. 7 erläuterten Prinzip auf. Die Permanentmagneten bestehen aus zwei ineinander angeordneten konzentrischen Ringen, die jeweils entgegengesetzte, axial gerichtete Magnetisierung aufweisen. Die beiden Stirnseiten der Magneteinheit sind mit den Bauteilen 62, 63 in Form von Scheiben belegt, die im vorliegenden Fall leicht U-förmig ausgebildet sind, so daß sie eine Ausnehmung 49 bilden, in der eine Ring- bzw. Sp ir al-Wicklung 66 liegt. "Die beschriebene Form der Bauteile 62, 63 ermöglicht kleinere

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wirksame Luftspalte, da die U-Schenkel nach Art von Polschuhen wirken. Bei diesem Axiallager sind die Magnetfelder in den Luftspalten 25, 26 homogen, d. h. es treten bei Drehung des Rotors im wesentlichen nur Magnetfeldänderungen durch Kegeleinflüsse auf. Insbesondere das starke Vormagnetisierungsfeld ist vollständig'rotationssymmetrisch, so daß es keine ümmagnetisierungsverluste erzeugt. Bei den ?ig. 11 und 12 ist die Rotorausbildung im wesentlichen die gleiche, wie sie anhand von ?ig. 1 beschrieben wurde.

Es wird also ein Lagerelement für magnetische Lagerungen geschaffen, das einen einfachen Aufbau hat und insbesondere wenig komplizierte elektrische Teile besitzt..Es besitzt daher eine hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit. Es ist besonders als Axiallager geeignet, wobei es vorteilhaft ist, daß die Axialkräfte in beiden Axialrichtungen bzw. - Orientierungen an nur einer Stelle des Rotors aufgenommen werden können. Vor allem ist die Regelung in zwei Richtungen mit nur einem Lagerelement mit einer' wirksamen Wicklung möglich. Durch die Möglichkeit, sehr homogene Felder zu schaffen, sind auch am Rotor keine besonderen Maßnahmen bezüglich des Werkstoffes zu treffen, und- die Anforderungen an spezielle Formgebungen 'des Rotors sind gering. Vor allem, kann der Rotor frei von Permanentmagnet ten gehalten werden, die nicht nur zusätzliches Gewicht, sondern auch verringerte Drehzahlfestigkeit bedingen. Sowohl durch die Auslegung und Ausbildung des Regelgerätes als auch durch die Wahl der Vormagnetisierung sind Rückstellkräfte, Dämpfung und Jedersteifigkeit weitgehend variierbar. Eine genaue axiale Einstellung ist sowohl mechanisch wie auch elektrisch möglich. Das Verhältnis von Nutzinduktivität zu Streuinduktivität ist sehr groß, was insbesondere für die Linearlager im Verhältnis zu bisher Bekanntem große Vorteile bringt. Wenn vorstehend dieses

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Lagerelement bei der Anwendung bei völlig berührungsfreien magnetischen Lagerungen beschrieben wurde, so ist dies das bevorzugte Anwendungsgebiet. Es ist- jedoch auch eine Anwendung bei Lagerungen möglich, die noch nicht ganz auf mechanische Berührung mit dem Stator verzichten. "

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Claims

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ι *

Ansprüche

Magnetisches Lagerelement zur magnetischen Lagerung von Körpern unter "Verwendung von ein elektromagnetisches Feld erzeugenden elektrischen Wicklungen und eine Vormagnetisierung erzeugenden Permanentmagneten, wobei ein auf ferromagnetische Teile an dem Körper einwirkendes, geregeltes Magnetfeld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Lagerelement (22, 52) wenigstens zv/ei magnetische Kreise (37₅ 40, 41; 57, 67 > 70) vorhanden sind, von denen wenigstens einer ein von wenigstens einem Permanentmagneten (38, 39; 68, 69) erzeugter permanentmagnet!scher Kreis (40, 41; 70) und ein anderer ein von den elektrischen Wicklungen (36, 66) erzeugter elektromagnetischer Kreis (37^-> 57» 67) ist und daß das Lagerelement (22, 52) ferromagnetische Bauteile (32; 62, 63) hoher Permeabilität besitzt, die der elektromagnetische Kreis (375 57· 67) durchsetzt.
2. Lagerelement nach Anspruch 1, da'durch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Kreis (37, 57, 67) den oder die PermanentmagneteX (38, 395 68, 69) nicht durchsetzt, t
3. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet', daß das von den elektrischen Wicklungen (36, 66) erzeugte elektromagnetische Feld in seiner Richtung umkehrbar ist.

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4. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kreise (37; 57 ₅ 67; 40, 41; 70) den bzw. die Luftspal'te (25,26) zwischen Körper (13) und Lagerelement (22, 52) im wesentlichen parallel und gemeinsam durchsetzen.
5. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zu lagernden Körper (13) und dem Lagerelement (22, 52) zwei Luftspalte (25, 26) vorhanden sind, deren Virkrichtung einander entgegengesetzt ist und in denen Magnetfelder erzeugbar sind, die unterschiedlich starke Anziehungskräfte auf den Körper (13) entstehen lassen.
6. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (22, 52) zur aktiven axialen Stabilisierung bzw. Lageregelung eines rotierenden Körpers (13) ausgebildet ist.
7· Lagerelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Luftspalt (25 ₅ 26) · ein separater permanentmagnetischer Kreis (40, 41) zugeordnet ist.
8. Lagerelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7? dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Luftspalte (25, 26) in zueinander parallelen Ebenen verlaufen.
9. Lagerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetische Kreis (70) über die ferromagnetisehen Bauteile (62, 63) rückgeschlossen ist und die Bauteile dabei zumindest teilweise bis in den Bereich der magnetischen Sättigung magnetisiert sind und daß die Bauteile 62, 63 gleichzeitig in dem elektromagnetischen Kreis (57,67) der

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elektrischen Wicklung (66) liegen, dessen Magnetfeld in den Bauteilen (62, 63) im wesentlichen die gleiche Richtung hat, und in wenigstens einem Bauteil (63) auch die gleiche Orientierung hat, während es in einem anderen Bauteil (62) entgegengesetzt orientiert ist, wie das Magnetfeld des permanentmagnetischen Kreises (70).
10. Lagerelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetisch^ Kreis (70) wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Permanentmagneten (68, 69) mit einander entgegengesetzter Magnetisierungs-Orientierung aufweist.
11. Lagerelement nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet j daß die ferromagnetischen Bauteile (62, 63) zu beiden Seiten der Permanentmagneten (68, 69) angrenzend an deren Pole angeordnete Bleche sind, auf denen die elektrische Wicklung (66) angeordnet sind.
12. Lagerelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer Permanentmagnete (68, 69) mit jeweils entgegengesetzter Magnetisierungs-Orientierung die elektrischen Wicklungen (66) in Abschnitte (47, 48) eingeteilt sind, die jeweils einander entgegengesetzt gewickelt.bzw. geschaltet sind, und daß die Abschnitte (47, 48) jeweils zwei Permanentmagnete (68, 69) bis etwa zu deren Mitte überdecken.
13. Lagerelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, ,dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldstärke der Permanentmagnete (68, 69) derart bemessen ist, daß trotz Rückschluß durch die ferromagnetischen Bauteile (62, 63) ein die Luftspalte (25, 26) durchsetzendes Vorma.gnetisierungsfeld vorhanden ist.

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14. Lagerelement nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (68, 69) in bezug auf die Bewegungsrichtung des Körpers (13) gegenüber dem Lagerelement (52) nebeneinander angeordnet sind.
15. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14,· da-· durch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (22, 52) zv/ei Wirkungsrichtungen, jedoch nur einen elektromagnetischen Kreis besitzt.

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