DE3048071C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus "Feinwerktechnik" 68 (1964) S. 383-390 sind magnetisch entlastete Lager bekannt, die eine koaxiale Anordnung von Ringmagneten unterschiedlicher axialer Länge aufweisen. Dabei sind zwei Ringmagnete mit kürzerer Längsabmessung jeweils einem Ringmagneten mit größerer Längsabmessung zugeordnet und im Bereich von dessen Enden in der Weise angeordnet, so daß z. B. der Südpol des kürzeren Ringmagneten in die gleiche axiale Richtung wie der Südpol des längeren Ringmagneten weist, während aber der andere kürzere Ringmagnet in umgekehrter Ausrichtung angeordnet ist. Bei dieser Lageranordnung taucht der eine Magnet in den anderen ein und die magnetische Kraft ist in an sich bekannter Weise von der Eintauchtiefe abhängig. Hierbei geht es darum, eine stabile Lageranordnung vorzusehen.

In der FR-PS 67 101 erster Zusatz zu FR-PS 8 76 922 wird eine Ringmagnetanordnung für ein ähnliches Lager beschrieben, wobei jeweils einem längeren Ring- oder Stabmagneten in Achsrichtung kürzere Ringmagnete an dessen Enden zugeordnet sind.

Auch in der DE-AS 11 65 144 wird eine symmetrische Ringmagnet­ anordnung offenbart, die zur Lagerung einer Zentrifugalpumpe dient, wobei mehrere Ringmagnete einander zugeordnet sind. In der "VDI-Zeitschrift" 110 (1968) S. 1141-1143 werden allgemeine Betrachtungen zu den Änderungen der Kraft bei axialer Ver­ schiebung eines kürzeren Stabmagneten relativ zu einem in Achsrichtung längeren Ringmagneten wiedergegeben und die US-PS 24 86 939 beschreibt kegelstumpfförmige magnetische Lagerkörper.

Ferner werden in "VALVO-Berichte" Band XIX (1974) S. 29-40, Permanentmagne­ te und ihre Weiterentwicklung dargestellt. Dabei wird unter anderem auch auf einen AlNiCo-Werkstoff eingegangen.

Aus der NL-Patentanmeldung 78 00 866 bzw. der entsprechenden DE-OS 29 02 492 ist ein Lager bekannt, das einen Rotor von unten abstützt. Wie in dieser Anmeldung beschrieben ist, neigen lange Rotoren zum Kürzerwerden, wenn sie mit einer hohen Geschwindig­ keit umlaufen, was auf die axiale Kontraktion zurückzuführen ist, die durch die Tangentialbeanspruchung in den Teilen des Rotors bewirkt wird. Dieses Lager ermöglicht eine axiale Verschiebung, z. B. eines Drehzapfens bei einer gegebenen Drehzahl, um so die axiale Kontraktion auszugleichen, wobei sich zwischen zwei Lagerflächen ein Fluid befindet, und dessen Abstand durch den Druck des Fluids eingestellt werden kann. Ein solches Lager, das über den Fluiddruck gesteuert wird, ist im Vergleich zu dem eingangs genannten Radiallager sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Ringmagnetanordnung so auszubilden, daß sie für einen Rotor einer Ultrazentrifuge geeignet ist, bei der sich aufgrund der hohen Drehzahl eine Verkürzung des Rotors gegenüber dem Ruhezustand ergibt.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die unterschiedlich langen Ringmagnete sind in Achsrichtung derart zueinander versetzt angeordnet, daß im Ruhezustand die einen gleichen Pole der beiden Ringmagnete näher aneinanderlie­ gen als die gegenüberliegenden, während bei der Betriebsdrehzahl eine Verkürzung des Rotors in einer Verschiebung der Ringmagnete relativ zueinander führt, wobei die anderen gleichen Pole der beiden Ringmagneten näher aneinander zu liegen kommen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine magnetische Ringanordnung;

Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Ringanordnung;

Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform von Fig. 2, die mit einem Kugellager versehen ist;

Fig. 4 eine Draufsicht einer Ringmagnetanordnung mit einem genau erkennbaren Spalt zwischen den zylindrischen Teilen;

Fig. 5 eine vertikale Schnittansicht der Ringmagnetanordnung von Fig. 4;

Fig. 6 eine vertikale Schnittansicht einer Ringmagnetan­ ordnung, bei der der innere zylindrische Magnet aus zwei gesonderten Ringmagneten besteht;

Fig. 7 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Stabilität in Abhängigkeit der Axialverschiebung X eines sich drehenden Ringmagneten;

Fig. 8 ein Diagramm der Axialkraft P in Abhängigkeit der Axialverschiebung X eines sich drehenden Ringmagneten, die auf diesen Ringmagneten durch die anderen stationä­ ren Magneten der Magnetanordnung ausgeübt wird;

Fig. 9 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Ringmagnetanordnung;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Magneten, der sich aus mehreren Ringmagneten zusammensetzt;

Fig. 11 eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Magneten, der in Richtung der Zylinderachse magnetisiert ist;

Fig. 12 eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Magneten, der konusförmig koaxial zu der Zylinderachse magneti­ siert ist;

Fig. 13 eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Magneten, der in einer Querschnittsebene in einer gekrümmten Richtung magnetisiert ist;

Fig. 14 eine abgewandelte Ausführungsform von Fig. 13; und

Fig. 15 einen eingebauten Ringmagneten.

In Fig. 1 sind zwei magnetische Ringe 1 und 2 gezeigt, die ineinander unter Einhaltung eines kleinen Zwischenraums passen. In Fig. 2 ist eine vertikale Querschnittsebene derselben Ringe gezeigt, wobei übereinstimmende Magnetpole in dieselbe axiale Richtung ausgerichtet sind. Bei 3 ist ein Zwischenraum vor­ gesehen, in den ein Schmiermittel eingebracht werden kann. In Fig. 3 ist ein Satz von magnetischen Ringen 4 und 5 gezeigt, die in ähnlicher Weise wie in Fig. 2 ineinander passen, wobei sie aber ein Kugellager 7 aufweisen, das zwischen den Ringen 4 und 5 angeordnet ist.

In Fig. 4 ist eine Draufsicht einer Ringmagnetanordnung gezeigt, wobei ein Spalt zwischen den Ringen 1 und 2 vorhanden ist. Eine vertikale Schnittansicht dieser Ringmagnetanordnung ist in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 6 zeigt einen inneren Magnetzylinder 8, der aus zwei gesonderten Zylindern 9 und 10 besteht, die derart angeordnet sind, daß ungleiche Pole aufeinanderliegen.

In Fig. 7 ist die Stabilität S, mit der der Rotor auf der Lagerachse gehalten wird, in Abhängigkeit von der Axialver­ schiebung X dargestellt, wobei sich die Stabilität mit der axialen Auslenkung des Rotors von der Mittelstellung 0 in eine der beiden axialen Richtungen erhöht d. h., daß sich die radiale Kraft, mit der der Rotor von der Lagerachse wegbewegt wird, umso größer wird, je weiter der Rotor aus der Mittelstellung 0 ausgelenkt wird.

Bei einer Auslenkung des Rotors von der Mittelstellung erhöhen sich gemäß Fig. 8 die axialen Rückstellkräfte. Diese Erhöhung der axialen Rückstellkräfte macht sich auch bei einer radialen Auslenkung bemerkbar, indem sie ein schnelleres Anwachsen der radialen Rückstellkräfte verursacht. Durch die Verkürzung des Rotors bei hohen Drehzahlen wird eine Auslenkung des Rotors aus der Ruhestellung a in Richtung b bewirkt, wodurch der Rotor sowohl in der Ruhestellung bei a als auch in der Arbeitsstellung bei b eine hervorragende radiale Stabilität aufweist.

In Fig. 8 ist die Axialkraft P in Abhängigkeit der axialen Verschiebung X längs der Lagerachse dargestellt. Wenn sich der äußere Magnet in der Mitte des inneren Magneten befindet, liegen die Südpole genausoweit voneinander entfernt wie die Nordpole, so daß sich alle Axialkräfte gegenseitig aufheben. Sobald jedoch der äußere Magnet etwas axial ausgelenkt wird, überwiegt die rücktreibende Kraft und es ergibt sich eine in die Mitte gerichtete resultierende Kraft unabhängig von der axialen Auslenkrichtung. Fig. 8 zeigt, daß die Rückstellkraft mit der Auslenkung zunimmt.

Die axiale Bewegung ist eine ungedämpfte elastische, im Gegensatz zur radialen, die eine für die Stabilität des Rotors vorteilhafte Dämpfung aufweist.

Beim Stoppen des Rotors befindet sich die mittlere Querschnitts­ ebene des äußeren Magneten bei c, um allmählich nach rechts verschoben zu werden. Bei der normalen Arbeitsgeschwindigkeit wird der Punkt d erreicht. Die Richtung der Axialkraft wird somit umgekehrt.

Fig. 9 zeigt den Aufbau einer Ringmagnetanordnung einschließlich eines Rotorabschnittes. Der innere längere Magnet 11 ist als stationärer Magnet an einem Magnethalter 12 fest angebracht, wobei die Verbindung im allgemeinen durch Kleben ausgeführt wird. Der Magnethalter hängt über stabförmige Elemente 13 von einem Teil 14 des Gehäuses der Anordnung herab. Der sich drehende Magnet 15 ist fest an dem schematisch angedeuteten Rotor 16 angebracht. Dieser Rotor kann mit Hilfe einer Lagerung gehalten werden, wie beispielsweise in Fig. 1 der NL-Patentanmeldung 75 08 143 gezeigt ist.

Die stabförmigen Elemente 13 können elastisch ausgeführt sein, um Federkräfte sowohl nach oben als auch zur Seite aufnehmen zu können.

Mit 18 ist eine magnetische Abschirmung bezeichnet, die bei­ spielsweise aus Aluminium besteht. Der Halter 12 kann auch aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sein. In Fig. 10 ist gezeigt, auf welche Weise der magnetische Zylinder 15 aus Fig. 9 auch anders ausgestaltet sein kann, indem er eine Anzahl von Magnetringen aufweist, die mit ungleichen Polen übereinanderlie­ gend aufgestapelt sind, wobei die Ringe ungleiche Innendurch­ messer haben.

In Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht eines Magnetzylinders gezeigt, der in vertikaler Richtung magnetisiert ist, wobei sich der Bereich größter Feldstärke im mittleren Bereich des Magneten­ den befindet.

In Fig. 12 befinden sich die Bereiche größter Feldstärke an den Ecken 24 und 25 der Querschnittsansicht.

In Fig. 13 ist ein Magnet gezeigt, bei dem die Bereiche stärkster Feldstärke bei 26 und 27 angeordnet sind.

In Fig. 14 ist ein Magnet gezeigt, bei dem die Bereiche größter Feldstärke bei 28 und 29 liegen.

Fig. 15 stellt eine Ausführungsform von Fig. 14 dar, bei der der Magnet aus zwei Zylindern 30 und 31 sowie zwei Endringen 32 und 33 besteht. Teile 34 und 35 sind aus einem Material hergestellt, das magnetische Abschirmeigenschaften aufweist. Eine sog. schwimmende magnetische Lagerung bzw. ein magnetisch freihängen­ der Rotor wird erreicht, wenn die in Fig. 6 verwendeten Magnete so stark sind, daß nach der Montage der äußere und innere Ring magnetisch so fest verbunden sind, daß alleine dadurch der Rotor gehalten werden kann. Eine solche Lagerung weist minimalste Lagerverluste auf.

Bei einer schwimmenden magnetischen Lagerung entspricht die magnetische Flußverteilung zweckmäßigerweise der in Fig. 13 gezeigten für den längeren Magneten und der in Fig. 14 gezeigten für den kürzeren Magneten.

Es ist auch möglich, eine Flußverteilung analog zu der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform für zwei Ringelemente zu verwenden, die ähnlich wie die Ringe 9 und 10 in Fig. 6 zusammengesetzt sind. Der obere Ring 9 hat dieselbe Flußrichtung wie Fig. 12 und der Ring 10 hat die Flußrichtung, die von der linken unteren Ecke zur rechten oberen Ecke verschoben ist, so daß man eine in gebrochenen Linien angedeutete Annhährung der Flußverteilung von Fig. 13 erhält.

Bei schwimmenden Lagerungen ist es vor allem erforderlich, daß man eine radiale symmetrische Flußverteilung in den kreisförmi­ gen Ringen hat, die so genau wie möglich eingehalten wird, um eine genaue zentrische Ausrichtung der schwimmend gelagerten Teile zu gewährleisten.

Durch die Gestaltung der oberen und unteren Endränder durch Krümmungen oder Vertiefungen oder ähnlichen Formabweichungen können die magnetischen Eigenschaften bzw. Kennwerte der Magnetringe beeinflußt werden.

Falls keine schwimmende Lagerung verwendet wird, muß dafür gesorgt werden, daß der Rotor durch ein Axialstützlager von unten gestützt wird.

Claims (15)

1. Ringmagnetanordnung mit koaxial zueinander angeordneten Ringmagneten, die in Achsrichtung unterschiedliche Längsabmessungen haben, wobei gleiche Pole in dieselbe axiale Richtung weisen und ein Ringmagnet drehbar am Rotor und der andere am Stator angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ruhestellung des Rotors die sich senkrecht zur Rotationsachse erstreckenden Mittelebenen der beiden Ringmagnete (11, 15) in axialer Richtung derart versetzt angeordnet sind, daß die einen Pole der beiden Ringmagnete näher aneinanderliegen als die gegenüberliegenden Pole, während bei der Nenndrehzahl durch Verkürzung des Rotors die letzteren Pole näher aneinanderliegen als die ersteren.

2. Ringmagnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Ruhestellung des Rotors erzeugte axiale Magnetkraft in Gegenrichtung zu der axialen Magnetkraft beim Betrieb mit normaler Arbeitsgeschwindigkeit zeigt, wobei die beiden Axialkräfte vom Betrag etwa gleich sind.

3. Ringmagnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (16) am anderen Ende mittels eines Axiallagers gelagert ist, so daß durch die Ringmagnetanordnung auf dem Rotor (16) in Ruhestellung eine axiale Zugkraft und beim Betrieb mit der Arbeitsgeschwindigkeit eine axiale Druck­ kraft ausgeübt wird.

4. Ringmagnetanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilität, mit der der Rotor auf der Mittelachse der Ringmagnetanordnung gehalten wird, von der axialen Stellung der Ringmagnete (11, 15) abhängt, und sowohl in der Ruhestellung des Rotors als auch im Betrieb mit der normalen Arbeitsgeschwindigkeit ein Maximum aufweist.

5. Ringmagnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der längere Ringmagnet (8, 11) aus übereinanderliegenden Ringmagneten (9, 10) aufgebaut ist, wobei die sich berühren­ den Enden der Ringmagnete (9, 10) unterschiedliche Pole aufweisen.

6. Ringmagnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmagnete an den Enden Bereiche mit unterschied­ lich starkem Magnetfluß aufweisen.

7. Ringmagnetanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich stärksten Magnetflusses sich in der Mitte der Magnetenden befindet.

8. Ringmagnetanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bereich des stärksten Magnetflusses entweder am inneren oder äußeren Rand der Magentenden befindet.

9. Ringmagnetanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche des stärksten Magentflusses für den Nordpol sich am äußeren Rand des Ringmagneten und für den Südpol am inneren Rand befinden oder in umgekehrter Weise angeordnet sind.

10. Ringmagnetanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche stärkster Magnetfeldstärke an denselben bzw. unterschiedlichen Wandflächen der Ringmagnete angeord­ net sind.

11. Ringmagnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der kürzere zylindrische Magnet (1, 15) aus einer Kobalt-Samariumlegierung hergestellt ist.

12. Ringmagnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der längere Ringmagnet (8, 11) mit einem Magnethalter (12) verbunden ist, wobei der Magnethalter über stabförmige Elemente (13) an dem Gehäuse (14) aufgehängt ist und die stabförmigen Elemente (13) sowohl nach oben als auch zur Seite gerichtete Kräfte aufnehmen können.

13. Ringmagnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung nach außen hin durch ein nicht ferromagnetisches Material (18), wie Aluminium, magnetisch abgeschirmt ist.

14. Ringmagnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kräfte der Ringmagnetanordnung groß genug sind, um eine freischwimmende magnetische Lagerung auszubilden.

15. Ringmagnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Magnetrand von einer Ebene senkrecht zur Drehachse abweicht.