DE2342767A1 - Magnetlagerung - Google Patents

Description

Dr. - Ing. Herbert Moser 2 3 A 2 7 6 7

Pa tentanwalt 75 Karlsruhe.Nowackanlage 15

A 668

Anmelder: Cambridge Thermionic Corporation, Cambridge, USA

Magne tlagerung

Die Erfindung betrifft eine Magnetlagerung bzw. Magnetaufhängung von Gegenständen mit einem magnetischen Haltefeld, welches stationäre Anteile und durch Elektromagnete erzeugte Anteile aufweist.

Zur Magnetlagerung von Gegenständen, insbesondere Antriebswellen ohne Verwendung eines Trägermediums, sind bereits paarweise angeordnete Elektromagnete bekannt, welche radiale. Zentrierkräfte und axial gegeneinander gerichtete Schubkräfte durch veränderbare Erregung der Magnete in Abhängigkeit vom relativen Verhältnis der Bewegung und Verschiebung des Gegenstandes hervorrufen. Ein Beispiel einer solchen Magnetlagerung ist unter anderem in der US-PS 3 473 852 beschrieben. In Übereinstimmung mit dem dort beschriebenen System

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wird ein bewegbarer Körper unter Verwendung eines Paares von elektromagnetischen Trägern gelagert. Diese Träger werden mit Hilfe einer stabilen Verstärkeranordnung geregelt,, die hauptsächlich auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers und in zweiter Linie auf die Verschiebung des Körpers aus einer vorgegebenen Lage zwischen den Trägern anspricht. Bei diesem System ist jeder Elektromagnet aus einer Armatur mit einem topfförmigen Stator (re-entrant cup-type) zusammengesetzt, welcher auf seiner Innenseite eine eingesetzte Spulenauskleidung aufweist. Die inneren und äußeren Polflächen am Stator und an der Armatur sind im wesentlichen koplanar und mit gegenüberstehenden kreisförmigen Vorsprüngen oder Firststücken versehen, welche im wesentlichen ßadialkraftkomponenten in Abhängigkeit von und zur Rückführung bei geringen Verschiebungen in der koaxialen Ausrichtung zwischen den Elektromagneten und ihren Armaturen erzeugen.

Alle bisher zur Anwendung vorgeschlagenen magnetischen Lagerungen, welche Veränderungen der magnetischen Feldstärke erfordern, verlangen dauernd erregte Elektromagneten, um sowohl der statischen als auch der dynamischen Belastung entgegenzuwirken und dadurch den aufgehängten Körper in der gewünschten Position zu halten. Dies trifft sogar dann zu, wenn in Magnetlagerungssystemen Permanentmagnete verwendet wurden, wodurch die für die Elektromagnete erforderliche Gesamtleistung vermindert wird. Als Beleg für diese vorbekannte Ausführungsform wird auf die US-PS 3 243 238 verwiesen,

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welche eine Magnetlagerung mit Permanent- und Elektromagneten einschließt. Wegen der Erfordernisse eines sehr großen Dauerstromes für die Elektromagnete in früheren Magnetlagerungssystemen entstanden vielfache Schwierigkeiten bei dem Versuch, ein selbsthaltendes, magnetisches Lagerungssystem herzustellen. Diese Schwierigkeiten umfassen thermische Probleme, Größen- und Gewichtsprobleme, sowie Probleme der Kraftversorgung.

1842 entwickelte Earnshaw ein Theorem, welches darlegt, daß es grundsätzlich .unmöglich ist, eine stabile magnetische Lagerung ausschließlich durch Anwendung von statischen Feldern zu erlangen. Diesasunwiderlegbare Gesetz ließ die früheren Bearbeiter den Schluß ziehen, daß in jedem Falle zur Lagerung eines Körpers in einem magnetischen Feld Leistung aufgewendet werden müßte.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, den Leistungsbedarf derartiger Magnetlagerungen oder -aufhängungen wesentlich zu vermindern. Das Grundprinzip der Erfindung ist darin zu sehen, daß ein statisches Magnetsystem im wesentlichen die Tragkraft erzeugt, und daß ein regelbares Ililfsmagnetsystem vorgesehen ist, welches mit Hilfe eines unabhängigen, magnetischen Hilfsfeldes die erforderlichen Regelvorgänge ausführt. Ein solches System kann daher vorteilhaft so aufgebaut sein, daß die gesamte statische Last des gelagerten Körpers vom stationären Feldanteil aufgenommen wird, und daß die Elektromagnete mit

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einem als Servosystem dienenden, steuerbaren, magnetischen Hilfsfeld ausschließlich die zur Einhaltung der bestimmungsgemäßen Lage des Körpers erforderlichen Steuerkräfte liefern.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit die Schaffung einer magnetischen Lagerung mit höherem Wirkungsgrad. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Systems zur Aufhängung eines bewegbaren Körpers, in dem zwei unabhängig zusammenwirkende Systeme vorgesehen sind, welche ein Permanentmagnetsystem und ein Elektromagnetsystern einschließen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer effektiv leistungsfreien Magnetlagerung. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines Magnetlagerungssystems, bei dem alle statischen Lasten durch die Felder von Permanentmagneten getragen werden.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind daher zur Lagerung eines bewegbaren Körpers zwei unabhängige, zusammenwirkende Systeme vorgesehen, welche ein Permanentmagnetsystem und ein Elektromagnetsystem einschließen. Das Permanentmagnetsystem dient dazu, sämtliche statischen Lasten zu tragen, während das Elektromagnetsystem nur zur Regelung nach der Lageanordnung des gelagerten Körpers dient, wodurch dieses System eine effektiv leistungsfreie Magnetlagerung ergibt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes

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der Erfindung schematisch dargestellt, aus denen sich weitere Erfindungsmerkmale ergeben; es zeigen:

Figur 1 eine Ausführungsform einer Magnetlagerung gemäß der Erfindung, deren Teile im Querschnitt gezeigt sind,

Figur 2 und 3 grobsenematisehe Darstellungen, zur

Verdeutlichung der Anordnung der Permanentmagnete in anderen Ausführungsformen der Erfindung,

Figur 4 eine graphische Darstellung der bei

einer effektiv leistungsfreien Magnetlagerung auftretenden Kräfte.

In Figur 1, welche eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, ist ein fester Körper 11 zwischen Elektromagneten 12,13 und Permanentmagneten 14,15 gelagert. Dieser gelagerte, feste Körper 11 ist dabei in der Möglichkeit einer Umdrehung um seine Längsachse, beispielsweise als Zylinder oder Welle, dargestellt. Er kann die Form eines Kreiselrotors annehmen oder er kann vertikal als rotierende Masse angeordnet sein, mit der eine Zentrifugalkammer bestückt ist. Wie bei anderen magnetischen Lagerungen sind dabei Bürsten und mechanische Lagerungen von konventionellen Gleichstrommotoren mit ihren angeschlossenen Problemen vermieden. Zur Erzeugung einer hohen Drehge-

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schwindigkeit des gelagerten Körpers 11 kann mit Hilfe eines den aufgehängten Körper 11 umgebenden Motors 16 ein rotierendes Induktionsdrehfeld erzeugt werden.

Zusätzlich zu den Elektromagneten 12,13, die weiter unten besprochen werden, sind Permanentmagneten 14 und 15 vorhanden. Weitere Permanentmagnete 26,27, welche an den gegenüberliegenden Enden des gelagerten Körpers 11 angesetzt sind, wirken mit den Permanentmagneten 14,15 als Magnethalterungen zusammen und tragen alle statischen Lasten des gelagerten Körpers. Der Beitrag dieser Permanentmagnete zur Haltekraft ist jedoch in Axialrichtung veränderbar. Bewegt sich beispielsweise der aufgehängte Körper 11 gegen den Permanentmagneten 15 hin, so steigt die Kraft oder Anziehung dieses Permanentmagneten an, und die Kraft oder Anziehung des gegenüberliegenden Per_T mantentmagneten nimmt ab. Ohne das weiter unten beschriebene, elektromagnetische Servosystem würde der gelagerte Körper 11 ein fallender Körper sein, welcher radial durch die Felder der Permanentmagneten gehalten wird. Die von der normalen Haltekraft verschiedene, stabile Betriebslage muß mit Hilfe der Elektromagneten 12,13 hervorgerufen werden, welche durch einen Differentialverstärker 29 geregelt werden. Jeder der Elektromagnete enthält zweckmäßig zwei zylindrische Durchlaßstücke, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, daß auf den gelagerten Körper 11 eine Kraft parallel zu seiner Achse ausgeübt wird, wenn dieser Körper mit der Achse der Elektromagnete ausgerichtet ist und um eine Kraftkomponente quer zur Achse des gelagerten Körpers

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11 auszuüben, wenn dieser leicht von der Koinzidenzlage seiner Achse mit der Achse der Elektromagnete abweicht. Diese Elektromagnete werden durch Gleichstrom erregt. Die Stärke der Erregung ist dabei differentiell regelbar. Ein äußeres Zylinderstück 20 des Elektromagneten

12 ist aus permeablem Werkstoff zusammengesetzt. Die in der Zeichnung dargestellte Elektromagnetspule zeigt eine stationäre Spulenwicklung 21 im Inneren dieses Zylinderstückes 20. Diese Elektromagnetspule besitzt die Form eines dünnen, zylindrischen Ringes, in dem übereinanderliegende Wicklungen in einem geeigneten Kunststoff-Matrixmaterial, beispielsweise auf Epoxydharz-Grundlage, eingebettet sind. Der Elektromagnet 13 ist in gleicher Weise mit einem permeablen Zylinderstück 23 und einer stationären Elektromagnetwicklung 24 versehen.

Die Elektromagnete werden bei der vorliegenden Erfindung als Teil -des Servosystem^ verwendet, um den gelagerten Körper 11 in der Nullage oder Neutralkraftlage zu halten, die in einer Schnittebene durch das von den Permanentmagneten erzeugte Feld liegt. Auf dieser Ebene oder in einem Bereich, der sich unmittelbar an diese Ebene anschließt, werden extrem kleine Kräfte erforderlich, um das magnetische "Schwerkraftzentrum¹¹ auf dem gelagerten Körper aufrechtzuhalten. Das Servosystem, welches eine oder mehrere Fühlerspulen und wenigstens zwei unabhängige magnetische Kraftspulen und einen oder mehrere Differentialverstärker aufweist, stellt jede axiale Trans-

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lationsgeschwindigkeit fest und wirkt in der Weise, um eine solche Translationsgeschwindigkeit zu vermindern und die ursprüngliche Originallage des gelagerten Körpers 11 schließlich wiederherzustellen.

Da die Elektromagnete reguliert werden können, läßt sich das ganze Beschleunigungsfeld in Axialrichtung verändern. Dies kann unter Bezug auf Figur 4 der Zeichnung näher veranschaulicht werden, in der die Verschiebung (auf der x-Achse) gegenüber der Kraft (auf der y-Achse) aufgetragen ist, In Figur 4 stellt die Kurve PM die wirksame Kraft der Permanentmagnete und die Linie EM1 die wirksame Kraft der Elektromagnete dar. Die Steigung der Linie EM1 ist wesentlich größer als die Anfangssteigung der Kurve PM, so daß der Körper innerhalb praktischer Grenzen (dargestellt durch die gestrichelten Linien LL und RL) in seiner Lagerung gehalten werden kann. Wenn der aufgehängte Körper nicht innerhalb solcher Grenzen gehalten wird, kann er Endlagen L oder R einnehmen, in denen der Luftspalt an den entsprechenden Enden des aufgehängten Körpers Null wird und dieser Körper dadurch seine magnetische Lagerung verliert.

Wenn auf dem gelagerten Körper nur die von dem Permanentmagneten ausgeübten Kräfte einwirken, würde der gelagerte Körper in der graphischen Darstellung im 0-Punkt gehalten. Es wirken jedoch noch weitere Kräfte, insbesondere die Schwerkraft auf den gelagerten Körper. Wenn diese weiteren Kräfte, welche durch den Vektor F.. dargestellt sind, ohne

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Gegenwirkung bleiben, würden sie eine Verschiebung des gelagerten Körpers um einen Abstand A bis O längs der x-Achse herbeiführen. In dem beschriebenen System sind jedoch für diese Kräfte Gegenwirkungen vorhanden. Irgendeine Verschiebung des aufgehängten Körpers aus dem 0-Punkt bzw. der Nullage ruft Rückführungskräfte hervor, welche dieser Verschiebung entgegenwirken. Da die Rückführungskraft, welche der Verschiebung entgegenwirkt, anfänglich wesentlich größer ist als durch den Vektor F., dargestellt, kann die Verschiebung des gelagerten Körpers längs der x-Achse verlangsamt, angehalten und schließlich wieder aufgehoben werden. In Figur 4 ist erkennbar, daß, wenn dur gelagerte Körper den Punkt A erreicht, auf ihn eine Hückführungskraft, dargestellt durch den Vektor F., (vielmal größer als die Kraft, welche durch den Vektor F. repräsentiert wird) einwirkt und seine Rückführung auslöst. Da die Kraft, welche die Auslenkung herbeiführt (dargestellt durch den Vektor F₁) der Rückführungskraft gemäß der vorliegenden Erfindung überlagert ist bzw. andauert, veranlaßt sie den gelagerten Körper, sich in eine neue Nulloder Ueutralkraftposition C zu bewegen, in der die Kraft, welche durch den Vektor F? repräsentiert wird, gleich und entgegengesetzt der durch den Vektor F, repräsentierten Kraft ist. Nach dem Erreichen der neuen 0- oder Neutralkraftlage C stellt die Linie ElYL (welche durch B geht) die wirksame Kraft der Elektromagnete dar. Dementsprechend sind die gegeneinandergerichteten Kräfte in der Lage C genau ausgeglichen, und es ist nicht länger erforderlich, den Elektromagneten Leistung zuzuführen, und zwar so lange bis

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neue Krafteinwirkungen eine Verschiebung des gelagerten Körpers herbeiführen. Unter diesen Voraussetzungen wird die angestrebte, effektiv leistungsfreie, magnetische Lagerung verwirklicht.

So werden im Gegensatz zu den allgemein anerkannten Verfahren der kontinuierlich wirkenden Elektromagnete in magnetischen Lagerungssystemen mit der Wirkung eines gelagerten Körpers in der Nullage, die in Figur 4 gezeigt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung Elektromagnete nur für Regelzwecke verwendet, und dies wird erreicht durch Veränderung des ganzen Beschleunigungsfeldes.

Eine vorteilhafte Methode dieser Veränderung des ganzen Beschleunigungsfeldes, wie dies im Vorangegangenen beschrieben worden ist, kann in einer entsprechenden Vorspannung des Verstärkers bestehen. So wird (unter Bezug auf Figur 1), wenn sich der bewegbare Körper 11 gegen den unteren Permanentmagneten 15 bewegt und der Zug dieses Magneten ansteigt, der differentielle Aufwärtszug des oberen Elektromagneten derart eingestellt, daß dieser wesentlich steiler ansteigt und dadurch die Stabilität des Gesamtsystems wiederherstellt. Dementsprechend können die Elektromagnete so gesteuert werden, daß die Auslenkgeschwindigkeit des bewegbaren Körpers 11 vermindert wird. Schließlich wird der Körper gestoppt und die umgekehrte Geschwindigkeitskomponente wirkt so lange auf ihn ein, bis er erneut in Koinzidenz mit einer Neutraloder Nullbeschleunigungslage gelangt. Im Bereich dieser

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Neutral- oder Nullbeschleunigungslage werden die Elektromagnete nur dazu benutzt, die Lage aufrechtzuerhalten, da die Permanentmagnete alle statischen Lasten übernehmen. Demnach wird effektiv keine Leistung dazu benötigt, um den bewegbar gelagerten Körper in der neutralen oder Nullbeschleunigungslage zu halten, nachdem dieser gelagerte Körper sich einmal in der exakten Lagerungsposition befindet.

Wie in Figur 1 gezeigt, wird eine zur Auslenkgeschwindigkeit verhältnisgleiche Komponente von der Spule 32 abgenommen, und eine Verschiebungskomponente ergibt sich aus einer photoelektrischen Steuervorrichtung, welche eine Lichtquelle 34, einen Schirm 35 als Lichtsteuerelement und Photozellen 36 enthält. Die Geschwindigkeitskomponente und die Verschiebungskomponente werden in einem Verstärker 29 verstärkt und die resultierenden Signale dienen zur Steuerung der Elektromagneten 12 und 13. Aus den bereits im Vorangegangenen angegebenen Gründen werden Signale, welche den Elektromagneten zugeführt werden, vorzugsweise mit entsprechenden Vorspannungen überlagert. Geeignete Mittel zur Erlangung einer solchen Grundwerteinstellung oder Vorspannung sind in Figur 1 in gestrichelten Linien gezeigt und schließen Lichtquellen 40,41, photoelektrische Zellen 42,43, Kondensatoren 44,45 sowie Widerstände 46,47,48 und 49 ein.

Falls gewünscht, kann die Verschiebungseingangskomponente der Elektromagnete 12,13 unterbrochen werden, wenn der bewegbare, gelagerte Körper die Neutral- oder Nullbeschleuni-

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gungslage eingenommen hat. Diese Maßnahme führt zu einer weiteren Leistungsersparnis. Die Elektromagnete werden dabei entsprechend gesteuert, dadurch daß ausschließlich die Geschwindigkeitskomponente dem Verstärker 29 zugeführt wird.

Ohne die Einstellung des Beschleunigungsfeldes müßte der differentielle, auswärtsgerichtete Zug (Gesamtwirkung) der Elektromagnete vermindert um den differentiellen, abwärts gerichteten Zug (Gesamtwirkung) der Permanentmagnete einer stationär abwärts gerichteten Kraft (beispielsweise der Schwerkraft) gleich sein, damit das Gleichgewicht hergestellt wird. Durch Verwendung der Geschwindigkeitskomponenten zur Einstellung des gesamten Beschleunigungsfeldes werden die Elektromagnete von der Erzeugung der im wesentlichen stationären Gesamtkraft entlastet. Durch die Verwendung der Vergleichs- oder Geschwindigkeitskomponente zur Feststellung der Verschiebung des bewegbaren Körpers 11 unter der Einwirkung der stationären Kraft, insbesondere der Schwerkraft, kann das ganze Beschleunigungsfeld so verändert werden, daß der bewegbare Körper sich aufwärts bewegt, und zwar über seine Originallage hinaus an einen solchen Ort, wo die Permanentmagnete die notwendige, aufwärtsgerichtete Zugkraft besitzen.

Die Schaltmittel zur Steuerung der Elektromagnete können in verschiedener Weise ausgewählt werden. Eine Steuermöglichkeit ist in der US-PS 3 473 852 dargestellt, die besonders vorteilhaft mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung

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kombiniert werden kann. Wie im Vorangegangenen beschrieben, kann die Geschwindigkeitskomponente mit Hilfe von einer oder mehreren Spulen, wie beispielsweise der in Figur 1 gezeigten Spule 32, abgenommen werden, welche im Zusammenwirken mit dem Permanentmagneten 27 als elektrodynamische Signalquelle dient. Eine Bewegung des gelagerten Körpers veranlaßt entweder ein Ansteigen oder Absinken döü magnetischen Flusses, welche die Spulenwicklung durchsetzt, und dies führt zu einer Ausgangsspannung, deren Polarität proportional ist zu der Geschwindigkeit der Bewegung. Die Geschwindigkeits- und Verschiebungseingangsregelsignale werden als vorteilhafte Lösung in Reihenschaltung den Eingangsanschlüssen des Verstärkers 29 zugeführt.

Gegebenenfalls können auch alternative Methoden zur Ableitung der der Geschwindigkeit entsprechenden Eingangsregelkomponente verwendet werden, welche einen abgeglichenen Oszillator mit einer Spule (tank circuit coil) benutzen. Es kann ferner ein mit niederer Leistung betriebener Laser als zweckmäßige Vorrichtung zur Messung der Verschiebung und der Verschiebungsgeschwindigkeit auf der Grundlage des Dopptereffektes verwendet werden.

Figur 2 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der eine Permanentmagnet 60 den aufgehängten bzw.' gelagerten Körper 11 umgibt, während der Permanentmagnet 27 wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel an einem Ende des aufgehängten Körpers 11 angesetzt ist. Selbstverständlich können die Größe, die Anzahl,

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die Gestalt und die Anordnung der Permanentmagnete in Übereinstimmung mit den gegebenen Bedingungen der Lagerung, wie sie durch die Geometrie, das Gewicht, die Wirtschaftlichkeit und dergl. vorgeschrieben sind, ausgewählt werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 3 gezeigt. In dieser Darstellung sind ein Permanentmagnet und ein Elektromagnet zweckmäßig in einer Baueinheit 64 vereinigt, die auf der Gegenseite eines Permanentmagneten 65 liegt, welcher mit dem Ende des gelagerten Körpers 11 verbunden ist. Die Baueinheit 64 enthält einen hohlen tassenförmigen Permanentmagneten 66 mit einem Elektromagneten, welcher ein Metallstück 67 und eine elektrische Wicklung innerhalb der hohlen Ausnehmung des Permanentmagneten aufweist,

Falls gewünscht, kann das in der Zeichnung vertikal dargestellte Lagerungssystem auch horizontal angeordnet werden. Wenn dieses System im Gravitationsfeld der Erde betrieben wird, werden die Permanentmagnete 14 und 15 dazu benutzt, um die Vertikalkraftkomponente entsprechend dem Gewicht der aufgehängten Masse aufzubringen, und die Elektromagnete dienen als Servosystem. Die vorteilhafte Lagerung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, derartige Geräte in einer Vielzahl von unterschiedlichen Ausführungsformen zu benutzen, mit verschiedenen Beträgen äußerer Krafteinwirkung, und zwar Kraftkomponenten der Schwerkraft und/ oder der Beschleunigung. Das magnetische Lagerungssystem passt sich dabei auch Relativverschiebungen zwischen dem aufgehäng-

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ten und dem als Aufhängung oder Lagerung dienenden Gerät an, und zwar einschließlich Winkelkomponenten und Translationskomponenten.

Demnach sind zwei Felder vorhanden, welche den aufgehängten bzw. gelagerten Rotorkörper anziehen können. Diese Felder werden unabhängig angelegt. Das eine ist ungeregelt und das andere servogeregelt. Durch die Konstruktion können gegebenenfalls zweckmäßig die unabhängigen Felder derart ausgebildet werden, daß sie in Zusammenwirkung eine hinreichende Kraft ausüben, um eine axiale Zentrierung des gelagerten Objektes auszuführen. Das Servosystem, welches derart gestaltet ist, daß es lediglich ein übergeordnetes Hegelsy stern bildet, verlangt nicht und führt nicht zu einem großen und kontinuierlichen Leistungsbedarf.

Die Permanentmagnete können aus irgendeinem geeigneten Material, beispielsweise aus Werkstoffen, hergestellt sein, die unter den geschützten Warennamen Alnico, Indox oder dergl. bekannt sind. Vorzugsweise bestehen die Permanenirmagneten jedoch aus Samariumkobalt oder anderen Werkstoffen aus dem Bereich der seltenen Erden, wodurch eine Raumersparnis erzielt wird.

Aus dem Vorangegangenen ergibt es sich, daß die Erfindung geeignet ist, alle beschriebenen Aufgabenstellungen zu lösen und die angegebenen Vorteile zu erreichen, und zwar zusammen mit weiteren Vorteilen, welche offensichtlich erscheinen und dem neuartigen System inhärent sind. Die

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vorliegende Erfindung erlaubt es, ein physikalisches Objekt aufzuhängen bzw. zu lagern in Anwesenheit von veränderbaren Auslenkkräften, und zwar allein durch das eingeprägte Feld von Permanentmagneten unter zusätzlicher Aufwendung von extrem geringen und stets dem Nennwert entsprechenden Leistungsbeträgen, welche für die Regelzwecke benötigt werden. Alle statischen Lasten werden durch die Permanentmagnetfeider getragen, welche das aufgehängte bzw. gelagerte Objekt in fünf von sechs vorhandenen Freiheitsgraden halten. Im Gebrauch ist nur die Rotation um eine Achse unbehindert.

Das magnetische Lagerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt im wesentlichen die folgenden Vorteile gegenüber konventionelle, elektromagnetischen Lagerungssystemen:

1. Thermische Probleme werden grundsätzlich ausgeschaltet, da die Temperatur der Regelspulen im Betrieb sehr nahe im Bereich der Umgebungstemperaturen liegt.

2. Die Anzahl der elektronischen Bauelemente ist vermindert, da die Elektromagnete nur für Regelzwecke benutzt werden.

3. Der Leistungsbedarf ist wesentlich vermindert, weil nicht langer statische Halteströme aufge-

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bracht werden müssen.
4. JSs ergibt sich ein wesentlicher Gewichtsvorteil.

Bis zur vorliegenden Erfindung bestand ein großer Vorteil des Gebrauchs magnetischer Lagerungen darin, daß solche Lagerungen im Vakuum ohne merkliche Reibung oder Abnutzung betrieben werden konnten. Es zeigte sich jedoch, daß im Vergleich mit Gaslagern oder den mehr konventionellen Kugellagern magnetische Lager vom Standpunkt des Leistungsverbrauchs her betrachtet nicht tatsächlich wettbewerbsfähig sein konnten. Die vorliegende Erfindung zeigt erstmals eine ihrem V/es en nach leistungsfreie Magnetaufhängung oder Lagerung und bietet derartige Magnetlagerungsapparate als günstige Bauelemente für Momentenspeichervorrichtungen, Reaktionsräder und Raumsatelliten an. Sie eröffnet auch andere vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

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Claims (1)

1. -Ib-

   A_n_s_p_r_ü_c_n_e

   1/ Magnetlagerung für einen bewegbaren Körper mit einem magnetischen Haltefeld, welches stationäre • Anteile und durch Elektromagnete erzeugte Anteile aufweist, dadurch gekennzeichne, t, daß die gesamte statische Last des gelagerten Körpers (11) vom stationären Feldanteil aufgenommen wird, und daß die Elektromagnete ( 12,13) mit einem als Servosystem dienenden, steuerbaren, magnetischen Hilfsfeld ausschließlich die zur Einhaltung der bestimmungsgemäßen Lage des Körpers erforderlichen Steuerkräfte liefern.

   2» Magnetlagerung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichne t, daß der stationäre Feldanteil ausschließlich durch Permanentmagnete ( 14,26; 15,27 ) erzeugt wird.

   3. Magnetlagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Objekt mit Hilfe von mit Permanentmagneten (14,26; 15,27) bestückten Mägnethalterungen in einer Neutralkraftlage aufgehängt ist, daß Elektromagnete (12,13) vorgesehen sind, welche steuerbare elektrische Kräfte auf das bewegbare Objekt nur dann ausüben, wenn sich dieses aus der Neutrallage herausbewegt, und daß ferner diese Elektromagnete derart steuerbar sind, daß die Stabilität der Lageorientierung des bewegbaren Objekts erreicht wird.

   4. Magnetlagerung nach einem der vorangehenden

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   .anspräche, dadurch gekennzeichnet, da.d die mit Permanentmagneten (14,26; 15,27) versehenen Magnethalterungen ein labiles Gleichgewicht des aufgehängten Körpers herbeiführen*

   5. aiagnet lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete differentiell erregt werden und dadurch elektrisch steuerbare Zusatzkräfte auf das bewegbare Objekt hervorrufen, welche die Stabilität der Lage dieses Objekts herbeiführen.

   6. Uagnetlagerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand &er längs der Längsachse des Körpers (11) zwei Elektromagnete (12,13) angeordnet sind, und daß im Bereich der Enden des Körpers (11) Hagnethalterungen mit Permanentmagneten (14,26; 15,27) liegen, welche den Körper (11) im-wesentlichen in einer bestimmungsgemäßen Lage halten, daß ein Verstärker (29) vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit von Eingangsregelsignalen die beiden Elektromagnete (12,13) differentiell erregt und die Erregung beider Elektromagnete (12,13) vorzugsweise aoschaltet, wenn sich der üewegbare Körper in einer Neutralkraftlage befindet, daß ferner ein erstes Eingansreijfcisiyial des Verstärkers (29) im wesentlichen in Abhängigkeit von der Komponente der Geschwindigkeit gebildet wird, :.:it der der bewegbare Kür,Der (11) parallel zu seiner L'..%'sachse ausgelenkt v/ird, und daß ein zweites Einf,an.rs>'e.{:elsignal des Verstärkers (29) im wesentlichen in

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   Abhängigkeit von der Verschiebung des Körpers in Lüngsachsenriehtung aus seiner bestimmungsgemäßen Lage gebildet wird.

   7.Magnetlagerung nach Anspruch 6_r dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen der Auslenkung des Körpers (11) entsprechende Eingangsregelsignal von einer photoelektrischen Vorrichtung erzeugt wird, welche ein mit dem bewegbaren Körper (11) verbundenes Lichtsteuerelemeht (35) aufweist, welches die Beleuchtung der lichtempfindlichen Teile (36) der photoelektrischen Vorrichtung differentiell verändert.

   8. Magnet lagerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des im wesentlichen geschwindigkeitsabhängigen Eingangsregelsignals wenigstens eine Spule (32) in der Nähe eines* der mit dem bewegbaren Körper (11) verbundenen Permanentmagnete (26,27) vorgesehen ist.

   9. Magnetlagerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsregelsignale eine Vorspannung aufweisen.

   10. Magnetlagerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß zur stabilen Aufhängung eines bewegbaren Objektes ohne wesentlichen Leistungsbedarf die Aufhängungskräfte von den Permanentmagneten erzeugt werden, daß die Elektromagneten elektrisch steuerbare Zusatskräfte erzeugen, und

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   daß eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche die Elektromagnete derart steuert, daß eine stabile Lage des von den Permanentmagneten gehaltenen Objekts erreicht wird, und daß die Elektromagnete von dieser Steuervorrichtung abgeschaltet werden, wenn die Stabilität der Lage des Objektes gerade erreicht ist.

   «,Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 10_r dadurch gekennzeichnet, daß die Magnethalterungen jeweils zwei mit verschiedener Polarität gegenüberliegende Permanentmagnete« (14,26; 15,27) aufweisen·

   12o Magnetlagerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gelagerte, längserstreckte Körper (11) durch eine Ausnehmung eines der beiden eine Magnethalterung bildenden Permanentmagnete (14) hindurchgreift·

   3. Magnetlagerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Drehantrieb des gelagerten Körpers ein Stator eines Elektromotors (16) vorgesehen ist,

   14. Magnetlagerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich n.e t, daß wenigstens einer der beiden Permanentmagnete (66) der Magnetlagerungen topfförmig gestaltet ist und in seinem Innenraum eine Spule (68) aufnimmt.

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