NO132604B - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et selvsentrerende permanentmagnetlager i hvilket en avlang aksielt magnetisert magnet er anordnet tilnærmet sentrisk i forhold til et lagerområde utformet i en andre magnet som har motsatte poler ved sine motsatte overflater.

Ved tidligere kjente permanentmagnetlagere, som f. eks. beskrevet i sveitsisk patentskrift nr. 351 472, hvor en permanentmagnet er anordnet sentrisk inne i åpningen i en omgivende permanentmagnet med like poler nær hverandre, vil det opp-stå betydelige dreie- eller vippekrefter som søker å vippe den midtre magnet ut av stilling i lageret. Disse uønskede dreie-eller vippekrefter vil dominere over de ønskede radiale sentre-ringskrefter omtrent i forholdet 7:1, og det vil være .nødvendig å anordne mekaniske føringer i tillegg for å stabilisere lageret i radialretningen, slik at effekten ved den magnetiske opplagring delvis går tapt på grunn av friksjon.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveie-bringe et permanentmagnetlager som ikke krever noen ytterligere mekaniske føringer for oppnåelse av den ønskede stabile sentrering.

I videste forstand kan prinsippet for den foreliggende oppfinnelse beskrives som følger: De frastøtende krefter mellom to like poler på to permanentmagneter øker vanligvis med avtagende avstand mellom dem. For ethvert gitt magnetisk materiale og dets spesielle magnetiske egenskaper avhenger kraftvirkningen mellom innbyrdes frastøtende poler og innbyrdes tiltrek-kende poler av de magnetiske legemers geometri og deres relative stillinger. Mens en elastisk fjær ikke kan avvike fra den essen-sielt inverse proporsjonalitet mellom kraft og avstand, kan virkningen av innbyrdes frastøtende permanentmagneter tilpasses ethvert behov, også komplekse sådanne, selv med en retningsskiftende variabel kraftkoeffisient. Effekten kart anvendes for stasjonær rotasjon såvel som for translateral bevegelse. Virkningen kan tilpasses ethvert tenkelig formål, såsom å dempe slag fra direkte kontakt mellom faste legemer, å bære en vekt, erstatte faste elementer og mekaniske lågere i mekaniske anordninger, utjevne bevegelsene i mekaniske anordninger og å redusere friksjon vesentlig.

Utviklingen av keramiske eller ikke-metalliske permanentmagneter, eksempelvis bariumferrit-magneter og dessuten magneter fremstilt av noen av de nyere permanentmagnetmaterialer, eksempelvis samariumkobolt, har åpnet en ny teknologi som har mulig-gjort prosjektering og konstruksjon av den foreliggende oppfinnelse og varianter av denne. Et ikke-metallisk materiale, som f.eks. bariumferrit, er en elektrisk isolator og leder følgelig ikke hvirvelstrømmer, hvorved unngås det tap i indre energi som er iboende i metalliske magneter. Teknikken ved foreliggende oppfinnelse kan ikke lett realiseres ved bruk av utelukkende stålmagneter eller magneter av alnikogruppen eller bruk av utelukkende kombinasjoner av stålmagneter og alnikogruppen. De nyere permanentmagnetmaterialer, eksempelvis bariumferrit etc, adskiller seg fra stål og alniko ved at deres koersitivkrefter (krefter- som motvir-ker omvending av magnetiseringen) er større enn deres egne magnetiske felt. Følgelig kan bariumferritmagneter etc. ikke avmagneti-sere eller vesentlig redusere magnetiseringen av like magneter, og derfor kan de virke i frastøtingsfasen med ubegrenset antall repe-tisjoner uten tap.

Det selvsentrerende permanentmagnetlager ifølge oppfinnelsen er således karakterisert ved at en første ende på den avlange magnet er anordnet i avstand utenfor'en overflate med lik polaritet på den andre magnet pg aksielt innrettet i forhold til nevnte lagerområde, idet de tiltrekkings- og frastøtingskrefter som eksisterer mellom den avlange magnet og den andre magnet virker omtrent samtidig på de to nevnte magneter for radial sentrering, og idet i det minste den andre magnet er fremstilt av et ikke-metallisk materiale med ekstremt høy koersivitetskraft og ingen selvavmagnetisering.

De magnetiske felt i magnetlageret ifølge oppfinnelsen samvirker på en fullstendig måte som følge av det geometriske arrangement som de magnetiske legemer utgjør og deres felt. Oppfinnelsen drar fordel av den spesielle feltfordeling og de resulterende krefter i nærheten av permanentmagneter med høy koersitiv-kraft og minimal selvmagnetisering, som er magnetisert vinkelrett på sine overflater.

Oppfinnelsens trekk og fordeler vil klart fremgå for en fagmann ut i fra betraktning av følgende beskrivelse med vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 er en perspektivskisse av en del av en permanentmagnet med plane overflater og en stavmagnet arrangert for å vise prinsippet med den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er en perspektivskisse av én av utførelses-formene av de nye selvsentrerende magnetstyrte lager. Fig. 3 er et vertikalt delsnitt av utførelsen i fig.

2 som viser de magnetiske polers posisjoner.

Fig. 4 er et utsnitt av en perspektivskisse som viser en modifikasjon av utførelsen i fig. 2. Fig. 5 er et utsnitt av en perspektivskisse som vi-, ser en annen modifikasjon av utførelsen i fig. 2. Fig. 6 er et vertikalt delsnitt av utførelsen i fig. 5. Fig. 7 er et vertikalt delsnitt som viser en variant av utførelsen i fig. 5. Fig. 8 er et vertikalt delsnitt som viser en annen variant av utførelsen i fig. 5.

Idet det vises til tegningene og spesielt til fig.

1, som anskueliggjør prinsippet ved den foreliggende oppfinnelse, er det vist en permanentmagnet 10 med plane overflater, hvilken permanentmagnet er fremstilt av ikke-metallisk materiale som f. eks., bariumferrit. <p>ermanentmagneten 10 er magnetisert vinkelrett til sine utstrakte flater, slik at dens øvre eller første flate 12 omfatter den magnetiske nordpol og dens nedre eller andre flate angitt ved 14 omfatter den magnetiske sydpol. Vertikalt anordnet over første flaten er en permanent stavmagnet 16 fremstilt av et magnetisk materiale som f.eks. alniko 5. Stavmagneten 16 er orientert slik at dens magnetiske nordpolende (N-polen) 18 er plasert direkte over N-polen eller første flaten 12 på magneten 10. Den magnetiske sydpol (S-polen) på stavmagneten 16 er ikke vist. Ved stillingen i tilfellet 1, som vist i fig. 1 og som det vil være kjent av en fagmann, vil N-polen 18 til stavmagneten 16 erfare en frastøtingskraft over. det meste av N-polflaten 12 når stavmagneten 16 nærmer seg første flaten 12 på den plane magnet 10.

Frastøtingskraften øker med avtagende avstand.mellom første flate 12 og N-polen på stavmagneten 16 sålenge som stavmagneten 16 nærmer seg flaten 12 et sted på første flate 12 i avstand fra kan-tene av den plane magnet 10. Hvis N-polen på stavmagneten 16 nærmer seg den plane magnet 10 nær en kant på første flate 12, som vist i- tilfellet 2 i fig. 1, vil de førnevnte frastøtings-krefter øke bare til en viss verdi og deretter ved videre til-nærming avta igjen. Denne minsking av frastøtingskreftene kan fortsette til 0 for så å gå over til tiltrekningskrefter. Denne sistnevnte kraftsekvens virker på N-polen til stavmagneten 16, spesielt hvis tilnærmingsbanen til stavmagneten 16 mot N-polflaten 12 ligger noe utenfor første flate 12, slik at N-polen til stavmagneten 16 passerer en kant på første flate 12 som vist i tilfellet 3 ved stilling 3a. Ettersom N-polen på stavmagneten 16 fortsetter forbi.kanten på den øvre flate 12 mot den nedre eller andre flate 14, som vist i tilfellet 3 ved posisjon 3b, er tiltrekningskreftene fra den plane magnets 10 magnetiske sydpol

(S-polen) på stavmagneten 16 i bevegelsesretningen spesielt sterk. Samtidig blir imidlertid den N-pol-del på stavmagneten 16 som ligger nærmest kanten på N-pol-flaten 12 lokalt frastøtt av kanten i en retning vinkelrett på bevegelsesretningen til stavmagneten 16. Stillingen 3b i tilfellet 3 viser prinsippet som den foreliggende oppfinnelse anvender for å oppnå den tekniske løsning.

Som det fremgår av fig. 2 omfatter et selvsentrerende magnetstyrt lager ifølge oppfinnelsen en stasjonær magnet 20 og med en gjennomgående åpning som angitt ved 22. Det skal forstås at selvom statormagneten 20 er vist ringformet eller skive-formet, dvs. med en ringformet omkrets, så kan magneten 20 i fig. 2 og enhver liknende magnet heretter beskrevet vist eller disku-tert være av en hvilken som helst ønsket form eller tykkelse. i noen utførelser, som anvender prinsippet ved den foreliggende oppfinnelse, behøver statormagnetens overflater ikke å være tyk-kere enn et malingstrøk, i andre utførelser består overflatene virkelig av strøk med magnetisk maling og i ytterligere andre ut-førelser kan overflatene være uregelmessige. For en fagmann er det uten videre klart at åpningen 22 ikke nødvendigvis må være sirkulær som vist i fig. 2, heller ikke må åpningen 22 nødvendig-vis være sentralt plasert i statormagneten 20, og det skal forstås at liknende åpninger, forsenkninger eller hulrom heretter beskrevet, vist eller- diskutert, skal betraktes på samme måte. Statormagneten 20 er en permanentmagnet! fremstilt eksempelvis av bariumferrit, og den er magnetisert vinkelrett på dens tilnærmet plane flater, slik at dens øvre eller første flate (ikke vist i fig. 2) utgjør den magnetiske nordpol (N-polen) og dens nedre eller andre flate 24 utgjør den magnetiske sydpol (S-polen) som vist i fig. 3. En roterbar permanentmagnet 26 fremstilt av f.

eks. bariumferrit eller alniko 5, er koaksialt opphengt f.eks. tilnærmet i senter av åpningen 22. Den roterbare magnet 26 er vist med sylindrisk form i utførelsen i fig. 2, men en fagmann på området vil forstå at formen på stavmagneten 26 varieres etter ønske. En fagmann vil videre forstå at stavmagneten 26 ikke nød-vendigvis må plaseres et sted innefor åpningen 22, men kan være opphengt et stykke under åpningen 22 fra og med den nedre flate 24 til statormagneten 20. Dette er også tilfelle når magnetfunk-sjonene er byttet om. Fig. 3 og 4, som nedenfor omtalt, er ek-sempeler på adskilte magnetposisjoner. Stavmagneten 26 er magnetisert slik at den magnetiske sydpoldel (S-polen) eller første ende eksempelvis er tilnærmet i senter av åpningen 22, som vist i fig. 3. Den andre ende 28 eller N-pol-delen av stavmagneten 26 er ikke vist i fig. 3.

Kn strukturell modifikasjon av utførelsen i fig. 2

er vist i fig. 4 hvor en stasjonær magnet 29 med tilnærmet plane flater er tilvirket med en gjennomgående åpning 30 som er noe mindre enn åpningene 22 i statormagneten 20, og bare ubetydelig større i tverrsnitt enn den roterbare stavmagnet 26. De magnetiske krefter innenfor den mindre åpning 30 i statormagneten 29, vil virke sterkere på stavmagneten 26 og kan derfor gi en krafti-gere støtte og sentreringskraft pr. størrelsesenhet for stavmagneten 26. Statormagneten 29 er en permanentmagnet fremstilt av eksempelvis bariumferrit, og den er magnetisert vinkelrett på dens tilnærmet plane flater på samme måte som statormagneten 20, slik at dens øvre eller første flate (ikke vist i fig. 4) utgjør N-polen og dens nedre eller andre flate 32 utgjør S-polen som vist i fig. 4.

I fig. 5 og 6 er det vist en annen strukturell modifikasjon av utførelsene i fig. 2 og 4, hvor henholdsvis åpningene 22 og 32 er eliminert. I modifikasjonen i fig. 5 er det vist en stasjonær magnet 34 med tilnærmet plane flater og med en tilnærmet parabolsk forsenkning eller hulrom 36. Statormagneten 34 er en permanentmagnet fremstilt av f.eks. bariumferrit, og den er magnetisert vinkelrett på dens tilnærmet plane flater på samme måte som stator-magnetene 20 og 28, slik at dens øvre eller første flate (ikke vist i fig. 5) utgjør N-polen og dens nedre eller andre flate 38 utgjør S-polen som vist i fig. 6. En roterbar permanent stavmagnet 40 fremstilt eksempelvis av alniko 5 eller bariumferrit og med tilnærmet parabolsk første ende 42 med tilnærmet samme profil som hulrommet 36 er koaksialt opphengt tilnærmet i senter av hulrommet eller forsenkningen 56. Den roterbare stavmagnet 40 er vist med sylindrisk form, men som en fagmann på området vil forstå kan formen på stavmagneten 40 varieres etter ønske. Stavmagneten 40 er slik magnetisert at den første ende 42 utgjør S-pol-delen som vist i fig. 5 og 6. Den andre ende eller N-pol-delen på stavmagneten 40 er ikke vist hverken i fig. 5 eller 6. Arrange-ringen av de magnetiske poler i stavmagneten 40 er den samme som i den roterbare stavmagnet 26 og utførelsen i fig. 5 virker på samme måte som utførelsene i fig. 2 og 4.

Varianter av utførelsen i fig. 5 er vist i fig. 7 og 8. I fig-. 7 er vist en statormagnet 44 i hvilken er utformet et tilnærmet parabolsk hulrom 46. En roterbar permanent stavmagnet

50 med" en tilnærmet konisk formet første ende 52 er koaksialt opphengt tilnærmet i senter av hulrommet 46. I fig. 8 er det vist en statormagnet 54 hvori er utformet en tilnærmet flatbunnet forsenkning eller et hulrom 56. En roterbar permanent stavmagnet 60 med en hovedsakelig flat første ende 62, hvor toppen.i det vesent-lige svarer til bunnen i hulrommet 56, er koaksialt opphengt tilnærmet i senter av hulrommet 56 i Fig. 7 og 8-er tått med for å vise at i de forskjellige utførelser og varianter av den foreliggende oppfinnelse må profilen på de innvendig utformede forsenkninger, åpninger og liknende i magnetene med tilnærmet plane flater, ikke nødvendigvis være den samme som profilen på de tilhø-rende magneter. Fig. 7 og 8 tjener videre til å vise at de til-hørende magneter kan opphenges et stykke under de innvendig utformede forsenkninger, åpninger og liknende i magnetene med tilnærmet plane flater. Det bør forstås å verdsette at bortsett fra ulikheter i profilutformning av hulrom og av første ender på stav-magrietene er magnetiseringen, formen., materialene etc. og virke-måtene til de tilnærmet plane magneter 44 og 54 sammen med deres

stavmagneter, henholdsvis 50 og 60, de samme som for utførelsene i fig. 2 og 4. I denne forbindelse vil bare virkemåten ved utførel-sen i fig. 2 under rotasjonsforhold bli beskrevet heretter, og det skal forstås at beskrivelsen er anvendbar på alle utførelser fra

fig. 2 til fig. 8. Det skal også forsttås at i enkelte anvendel-ser av den foreliggende oppfinnelse er bevegelse ikke påkrevet i ethvert øyeblikk, som f.eks. ved opphengning og opplagring av slingrebøylene i gyroskoper.

Andre former for drivkraft eller kraftkilder vil være innlysende for en fagmann på området.

Det vises nå til fig. 2 med påminnelse av fig. 4 til

8. Under drift med den roterbare stavmagnet 26 roterende i forhold til åpningene 22 eller innenfor åpningen 22 i statormagneten 20 ved hjelp av en drivkraft som vist i eksemplene i fig. 9 og 10 eller en annen kraftkilde, frastøter det magnetiske sydfelt (S-polen) til rotormagneten 26 det magnetiske sydfelt (S-polen) til statormagneten 20 og de resulterende frastøtingskrefter søker å sentrere rotcrmagneten 26 i forhold til aksesenteret til åpningen 22 fra et punkt som avhenger av anvendelsen og konstruksjonspara-metrene, ligger et sted fra noe under åpningen 22 til innenfor åpningen 22. Det skal forstås og verdsettes at frastøtingskrefi-tene utgjør et magnetisk lager og funksjonerer på samme måte som mekaniske lågere, og at frastøtingskreftene tjener som erstatning for mekaniske lågere. i enkelte anordninger som anvender den foreliggende oppfinnelse, kan mekaniske lågere supplere og/eller kom-plementere det magnetiske lager. Samtidig vil de tiltrekningskrefter som eksisterer mellom det magnetiske sydfelt (S-polen) på rotormagneten 26 og det magnetiske nordfelt (N-polen) på statormagneten 20 søke å trekke rotormagneten 26 hele veien gjennom åpningen 22. Ytterligere tiltrekningskrefter eksisterer mellom S-polen på statormagneten 20 og N-polen på rotormagneten 26. Imidlertid balanseres de oppoverrettede trekkrefter fra statormagneten 20 på rotcrmagneten 26 av de nedoverrettede trekkrefter forårsaket av gravitasjonskraften på grunn av vekten av rotormagneten 26, og rotcrmagneten roterer fritt om sin lengdeakse under bokstavelig talt friksjonsløse forhold. Hvis konstruksjonsbehovene krever det kan nødvendige tilleggsvekter (ikke vist) festes på rotormagneten 26 eller støttelagre (ikke vist) kan innføres langs rotormagneten 26. Det skal forstås at utførelsene vist i fig. 4, 5, 7 og 8 vil virke på samme måte som beskrevet ovenfor for utførelses-formen i fig. 2. Ettersom permanentmagneter virker uavhengig av det omgivende medium kan friksjonsløse anordninger basert på foreliggende oppfinnelse uten unntak anvendes i et vakuum. I enkelte tilfeller kan innordninger basert på foreliggende oppfinnelse an vendes delvis eller midlertidig i et vakuum. Som det lett forstås av en fagmann på området oppnår man samme resultater om de magnetiske poler på magnetene byttes om, og stator/rotor-funk-sjonene kan selvsagt ombyttes.

Utførelsene vist i fig. 2 til 8 kan danne opplagring til en roterende bevegelse med små begrensninger når det gjelder sideveis tilleggsbevegelser, som vippebevegelser, svingninger og presisjoner. De kan også anvendes i forbindelse med andre anordninger som tillater slike rotasjohsbevegelser, f.eks. lågere, luftlagringer, slingrebøyler og magnetiske lågere. Spesielt kan den nedre ende til stavmagneten utsettes for de frastøtende felt fra en sideformet magnet.

Det skulle nu være klart at ovenstående fremstil-ling beskriver en særegen og ny erkjennelse vedrørende anvendelsen av permanentmagneter hvor den systematiske bruk av den magnetiske felt fordeling rundt permanentmagnetlagere frembringer en. rekke forskjellige kraftvirkninger avhengig av legemets form og tilnærmingen eller bevegelsen til et magnetisk legeme innenfor det magnetiske felt. For eksempel, og for enkelthetens skyld under henvisning til utførelsen i fig. 2, er kraftvirkningen på hele rotormagneten 26 (vektorresultanten av alle feltvektorer mellom statormagneten 20 og rotormagneten 26) en tiltreknings-kraft gjennom åpningen 22 i statormagneten 20. Motsatt er den lokale kraftvirkningen på S-pol-enden på rotormagneten 26 en frastøtingskraft rettet mot kanten av åpningen 22. Kreftene mellom permanentmagnetene endres vesentlig ved forskjellige tilnær-mingsbaner og kan også skifte fortegn (positiv til negativ) som i den ovenfor beskrevne utførelse. Kraftvirkninger slik som disse kan spesielt beregnes og tilpasses ethvert spesielt formål i forbindelse med rotasjonsbevegelse. Slike kraftvirkninger tillater også øyeblikkelig og kontinuerlig styring av kreftene og av resulterende bevegelser.

Ytterligere modifiseringer eller utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse kan omfatte virkningen ved rotasjon, såsom opphengning av hengende anordninger og opprettstående anordninger. Kombinasjoner av magnetlagere ifølge oppfinnelsen kan ut-gjøre opplagringer i begge ender av en aksel eller på mange steder innimellom. Drift av en motor ved energioverføring ved hjelp av

mikrobølger kan nu ansees for mulig ved hjelp av utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse. Noen spesielle eksempler på an-

ordninger som kan anvende den foreliggende oppfinnelse i en roterende bevegelsesform er: Gyroskoper, qpplagring av slingrebøyler (gimbals), svinghjul, roterende antenneholdere for romskip og fly, dreiebord for grammofoner, motorer, generatorer, måleapparater, tellere, blandeapparater, gir og instrumenter i alle omgivelser. Anvendelsen av den foreliggende oppfinnelse resulterer i mangel på friksjon, slitasje og sjokk, og eliminerer nødvendigheten av smøremidler, aksler, lågere og fjærer i mange utførelsesformer.

Claims (8)

1. Selvsentrerende permanentmagnetlager i hvilket en avlang aksielt magnetisert magnet er anordnet tilnærmet sentrisk i forhold til et lagerområde utformet i en andre magnet som har motsatte poler ved sine motsatte overflater, karakterisert ved at en første ende (27) på den avlange magnet (26,

40, 50, 60, 82, 106) er anordnet i avstand utenfor en overflate (24, 32, 38, 48, 58, 81) med lik polaritet på den andre magnet (20, 29, 34, 44, 54, 76, 110). og aksielt innrettet i forhold til nevnte lagerområde, idet de tiltrekkings- og frastøtingskrefter som eksisterer mellom den avlange magnet (26, 40, 50, 60, 82, 106) og den andre magnet (20, 29, 34, 44, 54, 76, 110) virker omtrent samtidig på de to nevnte magneter for radial sentrering, og idet i det minste den andre magnet (20, 29, 34, 44, 54, 76, 110) er fremstilt av et ikke-metallisk materiale med ekstremt høy koersivitetskraft og ingen selvavmagnetisering.

2. Selvsentrerende permanentmagnetlager som angitt i krav 1, karakterisert ved at den andre magnet (20, '■29, 34, 44, 54, 76) er en stator og den avlange magnet (26, 40,

50, 60, 82) er en rotor som er sentrisk anordnet for rotasjon om en akse tilnærmet aksielt innrettet i forhold til lagerområdet.

3. Selvsentrerende permanentmagnetlager som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at overflatene på den andre magnet er tilnærmet plane flater.

4. Selvsentrerende permanentmagnetlager som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at lagerområdet i den andre magnet °er en gjennomgåande åpning (22, 78).

5. Selvsentrerende permanentmagnetlager som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at lagerområdet i den andre magnet er en forsenkning (36, 46, 56).

6. Selvsentrerende permanentmagnetlager som angitt i krav 5, karakterisert ved at forsenkningen (36) er et tilnærmet parabolsk hulrom.

7. Selvsentrerende permanentmagnetlager som angitt i krav 5, karakterisert ved at forsenkningen (46) er et tilnærmet konisk hulrom.

8. Selvsentrerende permanentmagnetlager som angitt i krav 5, karakterisert ved at forsenkningen (56) er et tilnærmet flatbunnet hulrom.