DE2312001A1 - Magnetische lagerung eines rotors an einem stator - Google Patents

Description

• Magnetische Lagerung eines Rotors an einem Stator Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung eines ferromagnetische Teile besitzenden Rotors an einem Stator mit einer aktiv geregelten Radiallagerung, die den Rotor auf seiner Soll-Drehachse hält, mit wenigstens einem radial destabilisierende Kräfte erzeugenden Magneten, wobei zwischen dem Magneten und dem Rotor ein ringförmiger Luftspalt gebildet ist7 in dem über den Luftspaltumfang ein Magnetfeld gleicher Richtung besteht, das einen konstanten Magnetfeldanteil besitzt.
• Eine derartige magnetische Lagerung ist in der deutschen Offenlegungsschrift 1 750 602 beschrieben. Mit ihr ist zwar auch die Lagerung eines Rotors mit horizontaler Drehachse oder eines Rotors mit einer mehr oder weniger konstanten radialen Belastung möglich, jedoch müssen diese radialen Kräfte von den aktiv geregelten Radiallagern aufgenommen worden. Dadurch wird aber nicht nur die Baugröße und der Energiebedarf für die Radiallagerung erheblich vergrößert, sondern auch die auf eine Drehung des Rotor;3 breinsend wirkenden Kräfte ("Lagerreibung") werden wegen der dabei auftretenden Inhomogenität des Magnetfeldes vergrößert.
• Lagerungen, die Querkräfte aufnehmen können, beispielsweise Lagerungen horizontaler Rotoren oder von Rotoren beliebiger Achslage mit einseitigen Querkräften, werden aber in der Technik häufig benötigt. Es ist beispielsweise erstrebenswert, die horizontal liegenden Läufer sogenannter "open-end-"Spinnturbinen, die mit sehr hohen Drehzahlen umlaufen, magnetisch zu lagern. Solche Spinnturbinen sirfl z.B. in der Zeitschrift Deutsche Textiltechnik, q971, Heft 12, Seiten 763 ff beschrieben.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine magnetische Lagerung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der ohne wesentliche Erhöhung der "Lagerreibung" und des Bau- oder Energieaufwandes für die Lagerung Querkräfte aufgenommen werden können.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Radiallagerung den Rotor zur Aufnahme von im wesentlichen stationären Querkräften in einer Lage festlegt, in der im Luftspalt zwischen dem Magneten und dem Rotor ein dem konstanten Magnetfeldanteil überlagerter, über den Luftspalt umfang sich ändernder Magnetfeldanteil vorhanden ist.
• Ein derartiger Magnet kann vorzugsweise ein den Rotor umgebender Ringmagnet sein. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der der Magnet im Zusammenwirken mit einer Kante im ferromagnetischen Material des Rotors als Axial-Stabilisierungsmagnet wirkt. Der Magnet kann also identisch mit dem zur Axialstabilisie@ung brnutzten Kngneten @ein.
• Insofern erf2llt er eine Doppelfunktion, die die Wirtschaftlichkelt der Lagerung erhöht. Wenn nach einem vorteilhaften Merkmal ferner der Magnet derart aneordnet ist, daß sein Magnetfeld eine Vormagnetisierung für ein elektromugnetisches Radiallager-Element bildet, dann erfüllt der Magnet eine weitere Funktion, die sich auch auf die Badiallagerung positiv auswirkt.
• Während man bisher geglaubt hatte, daß eine Aufnahme von im wesentlichen stationären Querkräften in einer Magnetlagerung eine derart große Inhomogenität des Magnetfeldes erzeugt, daß die dabei entstehenden Wirb ei strom- und Hystereseverluste im Rotor die Lagerung unwirtschaftlich machen, hat sich herausgestellt, daß dies bei der Erfindung nicht der Fallk ist. Bei den bekannten Magnetlagern versuchte man diese durch spezielle Ausbildung des Rotors (Rotorblechung, hysteresearmeii ferritischen Werkstoff o. dgl.) zu verringern. Nach der Xrfindung ist es möglich, die entstehenden Verluste so gering zu halten, daß solche aufwendigen und die Rotorfestigkeit vermindernden Maßnahmen nicht notwendig sind. Durch die tberlagerung des zur Aufnahme der Querkräfte über den Luftspalt umfang sich ändernden Magnetfeldanteils mit einem konstanten Magnetteldanteil können die Verluste relativ gering gehalten werden. Die Ummagnetisierungsverluste, die im Rotor entstehen, wenn dieser sich in einem inhomogenen Magnetfeld dreht, sind nämlich abhängig vom Quadrat der Amplitude der magnetischen Induktion des veränderlichen Magnetfeldanteils, während die magnetischen Anziehungskräfte, die zum Ausgleich der Querkräfte erforderlich sind, von dem Produkt der magnetischen Induktionen des konstanten und des sich ändernden Magnetfeldanteils abhängen. Mit anderen Worten: Der über den Luftspaltumfang konstante Magnetfeldanteil trägt zwar nicht zur Vergrößerung der Verluste bei, wirkt aber als die Anziehungskräfte erhöhender Faktor. Wenn eingangs von einem Magnetfeld gleicher Richtung gesprochen wurde, so soll damit ausgedrückt werden, daß das Magnetfeld über den gesamten Luftspaltumfang nur anziehende Kräfte ausübt und vorzul^£weine in Umfangsrichtung seine Polarität nicht ändert.
• Auf diese Weise können auch Lagerprinzipien, dio sonst wegen ihrer hohen prinzipbedingten Verluste als nachteilig gelten, mit brauchbarer Wirtschaftlichkeit eingesetzt werden. So ist es nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung möglich, daß der Magnet ein wechselstromgespeister Elektromagnet ist und mit einer Spule räumlich und/oder funktionell gekoppelt ist, die nach Art eines Wechselspannungslagers eine radiale Stabilisierung der Soll-Drehachse bewirkt. Derartige Lager, die auch als Resonanzkreislager bezeichnet wrrden, können Vorteile bieten, da sie u.a. keine Sensoren benötigen.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Einiee Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische, teilgeschnittene Seitenansicht einer elektromagnetischen Lagerung eines Rotors mit horizontaler Drehachse, Fig. 2 einen schematischen Schnitt nach der Linie lI-IIin Fig. 1, Fig. 3 ein schematisches Diagramm der magnetischen Induktion B über den Luftspaltumfang U, Fig. 4 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Details einher anderen Ausführungsform, Fig. 5 andere Ausführungsformen von Magneten und 6 in Darstellungsweise gemaß Fig. 2, Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII in Fig. 6, Fig. 8 eine abgeänderte jusführungsform eines - Magneten in der Darstellungsweise der Fig. 2, 5 und 6, Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in Fig. 8, Fig. 10 eine Ausführungsform eines Magneten, entsprechend Fig. 8 dargestellt, Fig. 11 einen schematischen Schnitt nach der Linien Xl-XI in Fig. 10 und Fig. 12 eine teilgeschnittene schematische Seiten-Detailansicht einer Ausführungsform mit einem Elektromagneten und einem Wechselspannungs-Resonanzkreislager.
• In Fig. 1 ist eine völlig berührungslose magnetische Lagerung eines Rotors 11 an einem nur schematisch angedeuteten Stator 12 dargestellt. Der Rotor besteht beim dargestellten Beispiel ganz aus ferromagnetischem Werkstoff, beispielsweise einem Stahlrohr oder Stahl Zylinder. Es ist jedoch auch möglich, den Rotor aus beliebigem anderem Werkstoff herzustellen und ihn nur im Bereich der l,a,ser mit ferromngnetischen Teilen zu verschen.
• Im Bereich seiner beiden Enden ist der Rotor durch magnetische Lager 13 gelagert.
• Die magnetischen Lager 13 besitzen je einen Magneten 14, 14'-, der in Form eines axial magnetisierten, ringförmigen Permanentmagneten ausgebildet ist. Ferner besitzt jede magnetische Lagerung 13 eine Radiallagerung 15, die elektrische Wicklungen 16 besitzt, die an ein Regelgerät 17 angeschlossen sind.
• Das Radiallagerelement 15 besitzt einen ferromagnetischen ringförmigen Kern 18, um den die Wicklung 16 wiederum rirgförmig, d.h. toroidförmig herumgewickelt ist. Vorzugsweise besteht die Wicklung 16 aus vier getrennt elektrisch beaufschlagbaren Wicklungsabschnitten. Eine solche Radiallagerung ermöglicht eine aktiv geregelte Lagerung in zwei radialen Richtungen, beispielsweise einer in Fig. 1 in der Zeichenebene liegenden vertikalen und einer zur Zeicherebene senkrechten horizontalen Richtung. Die Radiallagerung ist im einzelnen in der deutschen Patentanmeldung P 22 13 465.2, die am 20.3.1972 unter dem Titel 11Elektromagnetisches Lagerelement" von der gleichen Anmelderin eingereicht wurde, beschrieben. Es können jedoch auch andere Radiallagerelemente Verwendung finden, wie sie in den deutschen Offenlegungsschriften 1 750 602 und 1 933 031 beschrieben sind.
• Das Steuergerät verarbeitet die Signale von berührungslosen Sensoren 19, die beim dargestellten Beispiel galvanomagnetische Bauelemente sind, die im Bereich der Magneten 14 angeordnet sind und die Signale in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Abstand vom Rotor 11 erzeugen. Derartige Sensoren sind als Feldplatten bekannt. Es können jedoch auch an sich bekannte kapazitive, induktive oder lichtclektrische FFihler Verwendung finflera. Jjri.': Prr:1 Resrelgerit 1/ ist d'fl dz e-irle Stromquelle, vorzugsweise eine Gleichstromquelle, angeschlossen und besteht in bekannter Weise aus einem Verstärker und einem Phasenschieber für die MeBsignale der Sensoren. Durch eine Justiereinrichtung 21, beispielsweise ein zum Regelgerät 17 gehörendes Potentiometer, kann die Lage der Soll-Drehachse 22 des Rotors 11 eingestellt werden. Der Einfachheit halber ist in der Zeichnung nur ein Regelgerät mit seinen beiden einander entgegengesetzt angeordneten Sensoren und einer Justiereinrichtung 21 dargestellt. Für die senkrecht dazu liegende Ebene ist ebenso ein Regelgerät notwendig, das jedoch mit dem ersten zu einer konstruktiven Einheit zusammengefaßt sein kann.
• Die Lager auf beiden Seiten des Rotors 11 unterscheiden sich nicht wesentlich voneinander. Der auf der linken Seite dargestellte Magnet 14' ist radial magnetisiert, d. h. selne Pole liegen an dem inneren bzw. äußeren Umfang.
• Bei dem Beispiel nach Fig. 1 sind die Magneten 14, 14' unw die Radiallager 15 zu einer Mittelachse 23 ausgerichtet, die, wie insbesondere auch aus Fig. 2 zu erkennen ist, nicht mit der Soll-Drehachse 22 übereinstimmt. Die Soll-Drehachse 22 liegt vielmehr in dem gezeigten Beispiel gegenüber der Mittelachse 23 aufwärts verschoben, so daß sich zwischen den Magneten 14, 14' und dem Rotor 11 ein Luftspalt 24 bildet, dessen radiale Abmessungen sich über den Umfang ändern. Auf den Rotor wirkt eine im wesentlichen stationäre Querkraft ein, die bei dem hier dargestellten Beispiel durch die Schwerkraft des Rotors gegeben ist, die wegen seiner horizontalen Lage in radialer Richtung wirkt. Es sei jedoch bemerkt, daß durch die magnetische Lagerung nach der Erfindung auch andere Querkräfte aufgenommen werden können, die auf den Rotor einwirken. Sie sollten vorzugsweise im wenentlichen r;tationrr nein, d. h., dnB dic l.ngerurlg rauch der Erfindung benorsderrl vorteilhaft eingesetzt werden kann, wenn die Querkraft ihre Größe und ihre Richtung in bezug auf den Stator nur wenig ändert. Durch besondere Maßnahmen, beispielsweise Verlegung der Lage der Soll-Drehachse 22 in bezug auf das Magnetfeld der Magneten 14, 14' kann jedoch auch bei sich in Größe und Richtung ändernden Querkräften eine Anpassung geschaffen werden.
• Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lagerung arbeitet wI folgt: Der als Ring ausgebildete Magnet 14 übt radiale Kräfte auf den Rotor 11 aus, die mit Ausnahme der Mittellage, in der sie sich kompensieren, destabilisierend auf den Rotor wirken, d. h. der Magnet sucht den Rotor unter Überbrückung des Luft spaltes 24 heranzuziehen. Diese destabilisierenden Kräfte nehmen mit der Auslenkung von der Mittellage zu, sind also progressiv. Bei einem Rotor ohne einwirkende stationäre Querkräfte wird vorzugsweise durch die Radiallagerung 15 der Rotor in einer Lage gehalten, die der beschriebenen Mittellage möglichst nahekommt. Das wird bei den rotationssymmetrisch ausgebildeten und magnetisierten Magneten 14, 14' die Lage sein, in der die Soll-Drehachse 22 auf der Mittelachse 23 liegt.
• In dieser Lage ist nicht nur die geringste Beeinflussung des Rotors 11 durch die destabilisierenden Kräfte gegeben, sondern der Rotor 11 wird auch von einem homogenen, d. h.
• über den Luftspaltumfang gleich bleibenden, Magnetfeld der Magneten 14, 14' durchsetzt. Die Magneten 14, 14' wirken in der in Fig. 1 angegebenen Anordnung als Axial-Stabilisierungsmagneten, da sie im Zusammenwirken mit den Rotorenden 26 eine ohne aktiv geregelte Beeinflussung stabile axiale T?otorlage schaffen. Bei einer vertiknlen Rotorlagerung würde daher der oberste Magnet 14 als Traglager dienen.
• Beim dargestellten Beispiel ist die Lage der Soll-Drehachse 22 gegenüber der Mittelachse 23 verschoben, und zwar entgegen der durch den Pfeil 25 angedeuteten Richtung der Querkraft. Dies kann durch entsprechende Justierung der Radiallager 15 geschehen, indem sie durch die Justiereinrichtungen 21 so eingestellt werden, daß sie den Rotor auf der Soll-Drehachse 22 halten.
• Auf den Rotor 11 wirken nun die entgegen der Querkraftrichtung 25 gerichtete destabilisierenden Kräfte ein, die ihn nach oben zu ziehen suchenund der Kraft 22 entgegenwirken. Die Soll-Drehachse 22 wird vorzugsweise so gelegt, daß diese destabilisierenden, der Querkraftrichtung 25 entgegengerichteten Kräfte die Querkraft 25 genau aufheben. Im Luftspalt 24 herrscht nunmehr eine Magnetfeldverteilung, wie sie in Fig. 3 angedeutet ist.
• In Fig. 3 ist die magnetische Induktion B über dem Umfang U des Luftspaltes 24 aufgetragen. Dem konstanten Magnetfeldanteil Bo ist ein über den Luftspaltumfang U veränderlicher Magnetfeldanteil B überlagert. Wenn man die Viertel des Luftspaltumfanges im Uhrzeigersinne, von oben beginnendmit a bis d bezeichnet, so ist aus Fig. 3 zu erkennen, daß die Induktion B am Punkt a am großen ist (Bo + #B), während sie am Punkt c am kleinsten ist o -AB).
• ER int zu beachten, daß die Fig. 3 nur eine. schematirche barstellung ist. Die Kurve für A B braucht nicht, wie dargestellt, Sinusform zu haben, obwohl dies im Interesse geringer Verluste anzustreben ist.
• Es ist also zu erkennen, daß-gegenüber der magnetischen Induktion Bo eine änderung aufritt, die das Magnstfeld am Punkte a stärkt, während sie das Magnetfeld im Punkt c schwächt. Man sollte annehmen, daß eine Aufnahme der Querkräfte sehr nachteilig ist, die man damit erkaufen muß, daß man einer großen in einer Richtung wirkenden Kraft eine noch größere in der anderen Richtung wirkende entgegensetzt, und daß insbesondere die-Verluste durch die Magnetfelder stark ansteigen müßten. Es tritt jedoch das Gegenteil ein. Während nämlich die Wirbelstrom- und Hystareseverluste, die bremsend auf die Drehung des Rotors einwirken, vom Quadrat des sich ändernden magnetfeldanteils (d B) abhängig sind, sind jedoch die den Querkräften entgegenwirkenden Kräfte von dem Produkt des konstanten und veränderlichen Magnetfeldanteils (JB . B0) abhängig. Es ist daher nicht nur kein Nachteil, sondern sogar erstrebenswert, den konstanten Magnetfeldanteil Bo im Verhältnis zu 1 B sehr hoch zu wählen. Es wird dann nur ein sehr geringer veränderlicher Magnetfeldanteil 1 B benötigt, um große Kräfte zu erzielen, während-die Verluste, da sie von 1 B abhängig sind, klein bleiben.
• Dies sind jedoch nicht die einzigen Vorteile, die ein hoher konstanter Magnetfeldanteil hat. Wenn, wie In Fig. 1 dargestellt, die Magneten 14, 14' in ihrem axialen Gegeneinanderwirken die axiale Führung desRotors Ii übernehmen, so kann mit einem hohen konstanten Magnetfeldanteil, d. h.
• einer großen im Luftspalt 24 fließenden MagnetSeldstärke, auch eine besonders steife axiale Lagerung geschaffen werden. Ferner wirkt sich eine hohe Vormagnetisierung der Radiallager 15 vorteilhaft auf deren Wirksamkeit aus. Es sei bemerkt, daß die hier speziell dargestellten radial lager 15 stets eine Vormagnetisierung benötigen, die in dieses Falle von den Magneten 14, 14' übernommen wird.
• Im Beispiel nach Fig. 1 haben also die Magneten 14, 14' eine Dreifachfunktion: Sie nehmen die Querkraft 25 auf, sie schaffen ohne aktive Regelung eine axiale Lagestabilisierung für den Rotor i1 und wirken als Vormagnetisierung fur die Radiallager 15. Nur der Vollständigkeit halber sei bemerkt, daß der Rotor auf beliebige Art und Weise angetrieben werden kann, beispielsweise durch einen nicht dargestellten Drehstrommotor, dessen Läufer der Rotor ist.
• In den Zeichnungsfiguren 4 bis 12 sind Varianten der beschriebenen magnetischen Lagerung dargestellt. Die Funktionsweise ist, sofern nichts anderes erläutert ist, im wesentlichen die gleiche, wie sie bereits beschrieben ist,und für gleiche. Teile werden gleiche Bezugszeichen verwendet.
• Das Lager nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem rechten Lager in Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß das Radiallager 15 seinen Mittelpunkt nicht auf der Mittelachse 23 des Magneten 14 hat, sondern auf der Soll-Drehachse 22. Auch die Sensoren 19 sind so angeordnet, daß sie jeweils im gleichen radialen Abstand von der Soll-Drehachse 22 liegen. Mit anderen Worten: Das Radiallager 15 ist gegenüber dem Magneten 14 radial entgegen der Querkraft--richtung 25 verschoben. Während also bei Fig. 1 die Verschiebung der Soll-Drehachse 22 aus der Mittellage durch Justierung am Regelgerät 17 vorgenommen wurde erfolgt bei Fig. 4 eine mechanische Verschiebung zwischen Radiallager und Magnet.
• Jile Ausführungsform nch Fig. 5 besitzt einen Iogneten 14a, der swer ia wesentlichen auch als Ringmagnet susEetildet iat, aber in radialer Richtung eine ungleichmaßige Wandstärke besitzt. Im dargestellten Falle greift die Querkraft beispielsweise durch Antriebseinflüsse etc. bedingt, unter einem Winkel zur Vertikalen am Rotor 11 an. Dementsprechend ist die innere Öffnung 27 des Magneten 14a in Richtung der Querkraft 25 gegenüber der äußeren Begrenzung 28 des Magneten verschoben. Bei gleicher spezifischer Magnetisierung des Magnetmaterials des Magneten bildet sich also auf der der Querkraftrichtung 25 entgegengesetzten Seite (linksoben) im Luftspalt 24 ein stärkeres magnetisches Feld heraus. Beim dargestellten Beispiel geht die Soll-Drehachse 22 durch den Mittelpunkt des die äußere Begrenzung 28 bildenden Kreises. Er steht also wiederum unsymmetrisch zur inneren Offnung 27, so daß der Luftspalt 24 unterschiedliche Dicke hat. Es sei jedoch bemerkt, daß auch dann, wenn der Motor um die Mittelachse 23' der inneren Öffnung laufen würde, noch die beabsichtigte Wirklang der Querkraftaufnahme entstehen würde, da das Magnetfeld auf der linken oberen Seite in Fig. 5 wegen der größeren Ansammlung von Magnetmaterial stärker wäre.
• Nach den Fig. 6 und 7 ist der Magnet aus zwei axial hintereinander angeordneten Magneten 14b und 14c zusammengesetzt. Sie sind beide mit einer exzentrischen inneren Öffnung 27 entsprechend Fig. 5 versehen. Während die äußere Begrenzung 28 der miteinander identischen Magneten übereinstimmt, sind sie jedoch in ihrer Winkellage zueinander derart verdreht angeordnet, daß sie zwischen sich eine resultierende Öffnung 27' bilden, die eine aus zwei Kreisbögen zusammengesetzte ovale Form besitzt. In dieser Liffnung ist der Rotor 11 in Richtung auf die Seite, an der die größte radiale Materialstärke der beiden Magneten 14b und 14c liegt, d. h. entgegengesetzt der Querkrsftrichtong 25, versehoton angeordnet. Seine Soll-Drenachse 22 liegt wiederum im Mittelpunkt des die äußere Begrenzung 28 bildenden Kreises. Auch hier ist, wie bei den Fig. 4 und 5, eine Verschiebung der Soll-Drehachse gegenüber den angegebenen bevorzugten Lagen möglich. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 ist zusätzlich zu dem Vorteil, daß im Vergleich zu Fig. 2 die Änderung der Stärke des Luftspaltes nicht zu groß zu werden braucht, die Möglichkeit gegeben, durch Verdrehung der beiden Magnethälften 14b und 14c gegeneinander die Größe der aufgenommenen Querkräfte 25 einzustellen.
• Aus Fig. 7 ist ferner zu erkennen, daß dieses Lager, wie die übrigen Lager auch (vgl. auch Fig. 9),lediglich als Radialtraglager eingesetzt werden können, indem sie nicht mit einem Ende oder einer Kante im ferromagnetischen Material des Rotors zusammenarbeiten. In diesem Falle üben sie keine wesentlichen axialen Kräfte aus.
• Die Fig. 8 und 9 zeigen eine Ausführungsform, bei der der Magnet 14d aus einem Permanentmagnetischen, axial magnetisierten Ringmagneten mit überall gleicher radialer Dicke besteht, der auf beiden Seiten mit scheibenförmigen Pol schuhen 29 versehen ist. Die Pol schuhe 29 haben eine innere Öffnung 30, die kleiner ist als die innere Öffnung 27 des Xingmagneten und die gegenüber der Öffnung 27 exzentrisch angeordnet ist. Obwohl die Soll-Drehachse 22 des Rotors 11 durch den Mittelpunkt des die äußere Begrenzung 28 des Magneten bildenden Kreises geht, wird so ein Luftspalt 24 geschaffen, der an der der Querkraftrichtung 25 entgegenge.tietzten Seite geringer ist als auf der in Fig. 8 unteren Seite. Die Polschuhe, die aus ferromagnetischen Blechscheiben bestehen können, verstärken also das Magnetfeld im oberen Bereich, ihre sie es nahe an den Löufer heranleiten In den Fig. 10 und 11 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ebenfalls wieder ein Magnetring mit gleicher Wandstärke verwendet wird, in dem der Rotor 11 jedoch zentrisch läuft. Der Luftspalt 24 zwischen dem Magneten 14e und dem Rotor 11 hat also überall die gleiche Stärke. Die veränderliche Magnetfeldkomponente wird bei dieser Ausführungsform durch ein magnetisches Rückschlußteil 32 erzeugt, das beispielsweise die gezeigte sichelförmige Form haben kann und im unteren Bereich des axial magnetisierten Magneten 14e einen magnetischen Kurzschluß bildet, so daß im unteren Teil des Luftspaltes 24 eine Magnetfeldschwächung gegenüber dem oberen Teil vorliegt. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich der Vorteil eines Luftspaltes gleichbleibender Stärke, sowie die vorteilhafte Möglichkeit, gleiche Ringmagneten verschiedenen Querkräften anzupassen. Es sei jedoch bemerkt, daß normalerweise die Anpassung an unterschiedliche Querkräfte ganz einfach durch Anderung des Betrages der Verschiebung der Soll-Drehachse entgegen der Richtung der Querkraft erfolgt.
• In Fig. 11 übt der Magnet 14e zusammen mit zwei Absätzen 33, 36 im ferromagnetischen Material 37 des Rotors 11 auf diese axiale stabilisierende Kräfte aus. Dabei ist der Absatz 36 nur im ferromagnetischen Material 37 gebildet.
• Die äußere Mantelfläche des Rotors 11 ist dagegen durchgehend, indem anschließend an den Absatz 36 ein nichtferromagnetisches Material 38 anschließt. Auf diese Weise ist es möglich, mit nur einem Magneten 14e eine axiale iZhrung des Rotors 11 in beiden axialen Richtungen zu erzeugen. Es sei noch bemerkt,-daß axiale Schwingungen des Rotors durch Wirbelstrom-Hystereseverluste gedämpft werden. Dies ist für die meisten Anwendungsgebiete ausreichend während in radialer Richtung viel eher eine aktive Dämpfung erforderlich ist, wie sie die magnetische Lagerung nach der Erfindung bietet.
• -Bei allen dargestellten Ausführungsformen war bisher der Magnet als ein den Rotor 11 umgebender Permanent-Ringmagnet ausgebildet. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, da einerseits ein Permanentmagnet nicht auf ständige Energiezufuhr angewiesen ist und zum anderen die Rotorenden frei von Lagerungsteilen bleiben. Es ist jedoch auch möglich, den Magneten als einen Stabmagneten auszubilden, der in ein hohles Rotorende hineinragt. Dabei wird in gleicher Weise durch Verlagerung der Soll-Drehachse eine Kraft geschaffen, die einer Querkraft 25 entgegenwirken kann.
• In Fig. 11 ist dagegen eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Elektromagnet 14f Verwendung findet. Der Elektromagnet 14f ist als eine den Rotor 15 umgebende Ringspule ausgebildet, die ein axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt.
• Sie kann von Wechselstrom durchflossen sein und für die Aufnahme einer Querkraft 25 und/oder die axiale Rotorstabilisierung sorgen. Wenigstens drei weitere Spulen, von denen die Spulen 34,34' dargestellt sind, sind um den Rotorumfang herum angeordnet und haben eine radiale Wirkrichtung. Die Spulen 34 sind hier der Einfachheit halber gesondert dargestellt, können aber auch räumlich und/oder funktionell noch stärker mit dem Elektromagneten 14f gekoppelt sein. Jede Spule wirkt zusammen mit einem Steuergerät 35 als Radiallagerung. Das Steuergerät 35, das an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, bildet zusammen mit der Spule 34 ein Wechselspannungs-Resonanzkreislager. Bei dieser an sich bekannten @agerart ist jede Spule 34 in einem Schwingkreis angeordnet, der durch £2otorverlapterunfgen versttimmt wird und somit gSeielizeitl; Hadinllnger und Sensoren crsetzt. Durch Uborlagerung der magnetichen Felder dc Spule-Elektromagneten 14f und der Spule 34 tritt in beschriebener Weise eine Verstärkung der Kraftwirkung der Spule 34 auf, insbesondere, wenn sie mit der gleichen Frequenz betrieben werden. Dadurch kann der prinzipielle Nachteil eines Wechselspannungslagers, nämlich die Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Rotor, zum Teil abgebaut werden.
• Von den beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen sind zahlreiche Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich. So kann beispielsweise statt eines Permanentmagneten auch ein gleichstromgespeister Elektromagnet Verwendung finden, der die leichtere Möglichkeit einer Anpassung an wechselnde Querkräfte bietet. Auch dessen Kombination mit einem Permanentmagneten, der sozusagen die Grundlast aufnimmt, ist möglich. Es sollte bei der magnetischen Lagerung nach der Erfindung stets darauf geachtet werden, daß die Feldänderung im Luftspalt stetig erfolgt (siehe Fig. 3), d. h. daß im Luftspalt möglichst keine sprunghaften änderungen des Magnetfeldes auftreten, die im Rotormaterial bei dessen Umlauf verstärkt Wirbelströme oder Hysterese erzeugen würden. Das gilt natürlich in erster Linie für umlaufende und insbesondere schnell umlaufende Rotoren, während nur sehr langsam umlaufende oder nur Schwingbewegungen ausführende Rotoren derartige Maßnahmen weniger benötigen. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß, wenn vorstehend von Rotoren gesprochen ist, auch andersartige, beispielsweise für Meßzwecke magnetisch gelagerte Teile umfaßt sind. Vorstehend sind zahlreiche Ausführungsbeispiele genannt, bei denen durch gegenständliche Ausbildung erreicht wid, daß der Magnet über den Luftspalt;umfani, ungleich stnrke Magnetfeider erzeugt. Eine derartige Wirkung kann jedoch auch dadurch erzeugt werden, daß das Magnetmaterial über den Umfang ungleich stark magnetisiert ist. Man könnte dann beispielsweise einen Rotor zentrisch in einem rotationssymmetrischen Magneten laufen lassen, der trotzdem zur Aufnahme von Querkräften geeignet ist. Unter ferromagnetischem Material wird hier in erster Linie magnetisierbares, aber nicht selbst permanentmagnetisches Material verstanden. Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß normalerweise keine Permanentmagneten am Rotor notwendig sind, da diese meist nur eine geringe Festigkeit haben und das Gewicht des Rotors erhöhen. Für bestimmte Zwecke könnte man jedoch auch eine Ausbildung schaffen, bei der mittels eines am Rotor angeordneten Permanentmagneten eine destabilisierende Wirkung erzeugt wird. Dazu könnte beispielsweise der Rotor oder ein Rotorteil nach Art eines Stabmagneten ausgebildet sein, ddr mit einem ferromagnetischen, am Stator festen Ring zusammenarbeitet.

Claims (22)

A n s p r ü c h e

1. Magnetische Lagerung eines ferromagnetische Teile besitzenden Rotors an einem Stator mit einer aktiv geregelten Radiallagerung, die den Rotor auf seiner Solldrehachse hält, mit wenigstens einem radial destabilisierende Kräfte erzeugenden Magneten, wobei zwischen dem Magneten und dem Rotor ein ringförmiger Luft spalt gebildet ist, in dem über den- Luftspaltumfang ein Magnetfeld gleicher Richtung besteht, das einen konstanten Magnetfeldanteil besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Radiallagerung (15, 34) den Rotor (11) zur Aufnahme von im wesentlichen stationären Querkräften (25) in einer Lage festlegt, in der im Luftspalt (24) zwischen dem Magneten (14, 14', 14a bis 14f) und dem Rotor (11) ein dem konstanten Magnetfeldanteil (Bo) überlagerter, über den Luftspaltumfang (U) sich ändernder Magnetfeldanteil (#B) vorhanden ist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14, 14', 14a bis 14f) ein den Rotor (11) umgebender Ringmagnet ist.

3. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14, 14', 14e,14f) im Zusammenwirken mit wenigstens einem Absatz (26, 33, 36) im ferromagnetischen Material (37) des Rotors (11) als Axial-Stabilisierungsmagnet wirkt.

4. Lagerung nech einem der Ansprüche 1 bin 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14, 14', 14a bis 14f) derart angeordnet-ist, daß sein Magnetfeld eine Vormagnetisierung für ein elektromagnetisches Radiallager-Element (15, 34) bildet.

5. Lagerung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet mit dem Radiallager-Element zu einer konstruktiven Einheit verbunden ist.

6. Lagerung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Einheiten aus Magnet und Radiallager-Element an zwei voneinander entfernten Stellen des Rotors (11) zu seiner vollständigen Lagerung angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Einheiten mit einem Rotorende(26)bzv. wenigstens einem Ab£atz(33)im ferromagnetischen Material des Rotors (11) zusammenwirkt.

7. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll- Drehachse (22) des Rotors (11) gegenüber dem Zcntrum des ungestörten Magnetfeldes entgegen der Wirkungrichtung der Querkraft (25) verschoben ist.

8. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotor (11) und Magnet (14, 14', 14a bis 14d, 14r) ein Luftspalt (24) unterschiedlicher Dicke gebildet ist, dessen Dicke an der der Wirkungsrichtung der Querkraft (25) entgegengesetzten Seite am geringsten ist.

9. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dudurch gekennzeichnet, da2 der Magnet (14, 14', 14a bis 14@@ über den Luftspaltumfang (Uj ungleiche Magnetfeld -stärke besitzt.

10. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14, 14', 14a bis 14e) ein Permanentmagnet ist.

11. Lagerung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14a bis 14c) wenigstens ein Permanentmagnetring mit exzentrischer Bohrung ist.

12. Lagerung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, aus dem der Magnet besteht, über den Umfang ungleich stark magnetisiert ist.

13. Lagerung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14a bis 14c) über den Umfang sich ändernde Abmessungen hat.

14. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14b, 14c) aus mehreren Permanentmagnetringen mit exzentrischen Bohrungen (27) besteht, die gegeneinander verdrehbar sind.

15. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14d) exzentrisch angeordnete Pol schuhe (29) besitzt.

16. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Magneten (14e) ein magnetisches Kurzschlußteil (32) angeordnet ist.

17. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Radiallagerung (15) gegenüber dem Magneten (14) versetzt angeordnet ist.

18. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Feldänderung im Luftspalt (24) stetig ist.

19. Lagerung nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Magnet (14a bis 14d) zusätzlich zu den als Axial-Stabilisierungsmagneten dienenden Magneten (14, 14', 14e, 14f) vorgesehen ist.

20. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14f) ein Elektromagnet ist.

21. Lagerung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14f) ein wechselstromtespeister Elektromagnet ist und mit Spulen (34) räumlich und/oder funktionell gekoppelt ist, die nach Art von Wechselspannungslagern eine radiale Stabilisierung der Soll-Drehachse (22) bewirken.

22.- Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des veränderlichen Magnetfeldanteils (nB) kleiner ist als der konstante Magnetfeldanteil (Bo) so daß das Magnetfeld in Umfangsrichtung des Luftspaltes (24) seine Polarität nicht ändert.

L e e r s e i t e