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Dokumentenidentifikation DE69635769T2 21.09.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000858691
Titel PASSIVES MAGNETISCHES LAGERELEMENT MIT MINIMALEN LEISTUNGSVERLUSTEN
Anmelder The Regents of the University of California, Oakland, Calif., US
Erfinder POST, F., Richard, Walnut Creek, CA 94595, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69635769
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.11.1996
EP-Aktenzeichen 969402742
WO-Anmeldetag 01.11.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/17572
WO-Veröffentlichungsnummer 1997016882
WO-Veröffentlichungsdatum 09.05.1997
EP-Offenlegungsdatum 19.08.1998
EP date of grant 25.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.09.2006
IPC-Hauptklasse H02K 7/09(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F16C 39/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die Rechte an der vorliegenden Erfindung liegen bei Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika gemäß Vertragsnummer W-7405-ENG-48 zwischen dem Energieministerium der Vereinigten Staaten von Amerika (United States Department of Energy) und der University of California über den Betrieb des Lawrence Livermore National Laboratory.

STAND DER TECHNIK Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Magnetlagersystemkomponenten, und im Besonderen betrifft sie ein verbessertes Stabilisierungselement, das räumlich periodische Dauermagnetanordnungen und Induktionskreise mit reduzierten Leistungsverlusten während dem Betrieb eines Magnetlagersystems einsetzt.

Beschreibung des Stands der Technik

Motor- und Generatorenanker, Schwungradrotoren und andere drehbare Komponenten werden für gewöhnlich durch mechanische Lager gestützt bzw. getragen und gegen radial und axial gerichtete Kräfte zurückgehalten, wie etwa durch Traglager, Kugellager und Rollen- bzw. Walzlager. Derartige Lager umfassen notwendigerweise einen mechanischen Kontakt zwischen dem sich drehenden Element und den Lagerkomponenten, was zu allgemein bekannten Problemen in Bezug auf die Reibung und die Abnutzung führt. Selbst bei berührungsfreien Lagern, wie etwa bei Luftlagern, kommt es zu Reibungsverlusten, die durchaus nennenswert sein können, und wobei auch diese Lager empfindlich in Bezug auf die Gegenwart von Staubpartikeln sind. Darüber hinaus eignen sich mechanische Lager und im Besonderen Luftlager nur schlecht zur Verwendung in einer Vakuumumgebung.

Der Einsatz von Magnetkräften zur Bereitstellung eines berührungsfreien Äquivalents mit geringer Reibung zu dem mechanischen Lager ist ein Konzept, das eine ansprechende Alternative vorsieht, die heute kommerziell in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommt. Alle zurzeit kommerziell erhältlichen Magnetlager/Aufhängungselemente weisen Einschränkungen auf, die aus einem fundamentalen physikalischen Aspekt resultieren, welche deren Kosten und Komplexität erhöhen. Diese Einschränkungen bzw. Beschränkungen sorgen dafür, dass herkömmliche Magnetlagerelemente für eine Vielzahl von Verwendungszwecken ungeeignet sind, bei denen Aspekte in Bezug auf die Komplexität, die Frage der Leistungsanforderung und die Anforderung in Bezug auf eine hohe Zuverlässigkeit vorherrschende Bedeutung haben.

Der physikalische Aspekt ist unter der Bezeichnung Earnshaw Theorem bekannt. Gemäß dem Earnshaw Theorem (wenn dieses auf magnetische Systeme angewandt wird) kann ein magnetisches schwebendes Element wie etwa ein Magnetlager, das statische magnetische Kräfte zwischen einer stationären und einer drehbaren Komponente verwendet, nicht stabil in einem Gleichgewichtszustand gegen externe Kräfte wie zum Beispiel die Schwerkraft existieren. Wenn ein Lagerelement anders ausgedrückt so gestaltet ist, dass es gegen radial gerichtete Verschiebungen stabil ist, so ist es instabil gegen axial gerichtete Verschiebungen und vice versa. Die impliziten Annahmen in der Ableitung des Earnshaw Theorems sind, dass die Magnetfelder von statischer Natur sind (d.h. sie entstehen entweder aus festen Strömen oder Objekten mit fester Magnetisierung), und dass diamagnetische Körper ausgeschlossen sind.

Die praktische universale Antwort auf die durch das Earnshaw Theorem auferlegte Beschränkung ist: Magnetlager werden so gestaltet, dass sie entlang mindestens einer Achse stabil sind, wie zum Beispiel entlang ihrer Symmetrieachse, und wobei daraufhin Stabilisierungseinrichtungen eingesetzt werden, um die Stabilität entlang den verbleibenden Achsen zu gewährleisten. Bei den genannten „Einrichtungen" kann es sich um mechanische Einrichtungen handeln, das heißt Kugellager oder dergleichen, oder auch um die häufiger verwendeten elektromagnetische Einrichtungen. Bei letztgenanntem Ansatz werden Magnetspulen eingesetzt, um Stabilisierungskräfte durch elektronische Regelverstärker und Positionssensoren bereitzustellen, welche die beginnend instabile Bewegung des drehbaren Elements bzw. Drehelements detektieren und dessen Kraftgleichgewichtsposition wiederherstellen (die ansonsten instabil ist).

Weniger üblich als die unmittelbar vorstehend beschriebenen servogeregelten Magnetlager sind Magnetlager, die Supraleiter verwenden, um eine Abstoß kraft bereitzustellen, die gegen ein Dauermagnetelement derart wirkt, dass der Magnet stabil schwebend vorgesehen wird. Diese Lagerarten verwenden die einen Fluss ausschließende Eigenschaft von Supraleiter, um einen stabilen Zustand aufrecht zu erhalten, wie dies durch die zweckmäßige Formgebung des Supraleiters und des Magneten ereicht wird, um Wiederherstellungskräfte für Verschiebungen in eine beliebige Richtung aus der Kraftgleichgewichtsposition bereitzustellen. Es ist offensichtlich, dass Magnetlager, welche Supraleiter verwenden, Einschränkungen unterliegen, die durch die Notwendigkeit begründet sind, dass der Supraleiter auf Kryotemperaturen gehalten werden muss, sowie Einschränkungen in Bezug auf die Stärke der Kräfte, die sie ausüben können, bestimmt durch die Eigenschaften des Supraleiters, der zur Bereitstellung der Kraft eingesetzt wird.

Die vorstehend beschriebenen Ansätze mit Magnetlagern stellen die zurzeit verwendeten Mittel zur Erzeugung einer stabilen Situation in Anbetracht der durch das Earnshaw Theorem auferlegten Beschränkungen bzw. Einschränkungen dar. Der erste dieser Ansätze (d.h. der Ansatz, der keine Supraleiter verwendet), umfasst die Überwindung dieser Beschränkungen durch die Einführung anderer Kraft erzeugender Elemente, ob mechanischer oder elektromagnetischer Art, um das Gleichgewicht wiederherzustellen. Das letztgenannte Lager, das heißt das servobetätigte Magnetlager, wird für gewöhnlich als ein „aktives" Magnetlager bezeichnet, was sich auf die aktive Rolle der elektronischen Rückkopplungsschaltkreisanordnung bei der Aufrechterhaltung der Stabilität bezieht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, passive Magnetlagerelemente mit minimalen Leistungsverlusten bereitzustellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Magnetlagerpatrone bereitzustellen, die passive Magnetlagerelemente mit minimalen Leistungsverlusten verwendet.

Diese und andere Aufgaben werden durch eine Vorrichtung gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen definiert.

Bei einem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein verbessertes Stabilisierungselement, das periodische Magnetanordnungen und Schaltungen mit induktiven Belastungen einsetzt, jedoch mit verbesserten Eigenschaften im Vergleich zu den in dem unter dem Titel „Dynamically Stable Magnetic Suspension/Bearing System" in WO 95/24760A (siehe auch das am 27. Februar 1996 offengelegte U.S. Patent US-A-5.495.221A) offenbarten Elementen. Die Verbesserungen betreffen die Erhöhung der Stärke der Kraftableitung, während gleichzeitig die Leistung reduziert wird, die bei normalem Betrieb des Lagersystems verloren geht, so dass passive Lagersysteme bereitgestellt werden, die unter ausgewogenen bzw. Gleichgewichtsbedingungen praktisch keine Verluste aufweisen, das heißt, wenn das gelagerte System keinen anderen als durch Schwerkraft verursachten Beschleunigungen ausgesetzt ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um eine neuartige Magnetlagerpatrone, die starke radiale Wiederherstellungskräfte mit axialer Stabilität vereint bzw. kombiniert, ohne dass bei Gleichgewichtsbedingungen nennenswerte Leistungsverluste auftreten. Die Unempfindlichkeit in Bezug auf Temperatur oder durch Zeit induzierte Stärken der Dauermagnetelemente in der Patrone (oder in zugeordneten Axialkraft-Lagerelementen) wird durch Geometrie erreicht (Zentrierung der Gleichgewichtsposition zwischen zwei Lagerelementen mit entgegengesetzter Kraft). Auf diese Weise verschieben Temperaturschwankungen in den Dauermagnetelementen (sofern in beiden Elementen identisch) nicht die Gleichgewichtsposition, so dass das räumlich periodische Magnetanordnungs-Induktionskreiselement keine reine Axialkraft bereitstellen muss.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

1A eine Seitenansicht eines passiven Lagerelements mit minimalen Leistungsverlusten;

1B eine Draufsicht der planaren Leiteranordnung aus 1A;

2A eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Magnetlagerpatrone;

2B eine Draufsicht der Patrone und Zentrierungselemente aus 2A;

3A eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Magnetlagerpatrone;

3B eine Draufsicht der Patrone und der Zentrierungselemente aus 3A; und

4 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Verwendung zylindrischer räumlich periodischer Magnetanordnungen und einer zylindrischen Induktionskreisanordnung.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In Bezug auf das Design passiver Magnetlager gemäß den Lehren des erteilten U.S. Patents US-A-5.495.221A mit dem Titel „Dynamically Stable Magnetic Suspension/Bearing System", das hierin durch Verweis enthalten ist, ist es erforderlich, eine Kombination passiver Elemente mit Kompensationskraftableitungen zu verwenden, um ein stabiles Schweben zu erreichen. Ein derartiges Element, das in der vorstehend genannten Patentanmeldung beschrieben ist, verwendet eine Kombination aus einem räumlich periodischen Magnetfeld, wie es durch die räumlich periodische Magnetanordnung erzeugt wird (z.B. eine Halbach-Anordnung), in Kombination mit Induktionskreiselementen, um die gewünschten Stabilisierungskraftableitungen zu erzeugen, welche die Destabilisierungskraftableitungen von anderen Elementen überwinden. Bei diesen „anderen Elementen" kann es sich zum Beispiel um axial symmetrische Dauermagnetringe handeln, die entweder in einem anziehenden oder einem abstoßenden Modus in Bezug auf ihre axial gerichtete Kraft arbeiten. Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Stabilisierungselement, das auch räumlich periodische Magnetanordnungen und Induktionskreise einsetzt, jedoch mit verbesserten Eigenschaften im Vergleich zu den Elementen in der vorstehend beschriebenen Patentanmeldung. Die Verbesserungen betreffen die Erhöhung der Größe der Kraftableitung, während gleichzeitig die während dem normalen Betrieb des Lagersystems verloren gehende Leistung reduziert wird, so dass ein passives Lagersystem bereitgestellt wird, das unter Gleichgewichtsbedingungen praktisch verlustfrei ist, das heißt, wenn das gelagerte bzw. das getragene System außer der Schwerkraft keinen anderen Beschleunigung ausgesetzt ist.

Die Komponenten aus einem Ausführungsbeispiel des neuen Systems sind in der Abbildung aus 1A schematisch dargestellt, wobei diese Abbildung das Lagerelement mit dessen Achse in der vertikalen Richtung zeigt. (Ein Einsatz mit Systemen mit horizontaler Achse kann ebenso vorteilhaft sein, wie dies nachstehend im Text auch beschrieben wird.) Die räumlich periodischen Magnetanordnungen (z.B. Halbach-Anordnungen) 10 und 12 sind durch den Schaft 14 angebracht und liegen oberhalb und unterhalb der planaren Anordnung von Induktionskreisen (z.B. Schaltkreise mit induktiver Belastung) 16. Im Allgemeinen ist die Anordnung 10 an der Anordnung 12 angebracht und von dieser räumlich getrennt. Die Abbildung aus 1B zeigt eine Draufsicht der planaren Leiteranordnung 16 aus 1A und ein repräsentatives Magnetsegment 15. Die planare Leiteranordnung 16 ist beweglich zwischen den Anordnungen 10 und 12 angeordnet. Die Anordnung 16 besteht aus einem Induktionskreis mit einem Schaltungsleiter 18 mit induktiver Belastung 19. Für gewöhnlich sind diese magnetischen Anordnungen miteinander gekoppelt und stellen die drehbaren Elemente dar, während die Schaltungsanordnung zwischen ihnen stationär ist. Ferner ist es erforderlich, dass die azimutale Ausrichtung der Magnetanordnungen so beschaffen ist, dass die azimutalen Komponenten ihrer Felder an einer festen Position etwa an der Mittelebene oder der Mitte zwischen ihnen addiert werden, während ihre axialen Komponenten sich auf der Mittelebene aufheben. Somit wird der axiale Fluss durch die planaren Schaltungen aufgehoben, wenn ihre Symmetrieebene der Mittelebene zwischen den Magneten entspricht, wobei dieser nur dann unendlich wird, wenn die Magnetanordnung im Verhältnis zu der planaren Schaltung vertikal verschoben bzw. versetzt wird. Wenn daraufhin die anderen Dauermagnetelemente, die an dem Rotationssystem angebracht sind, so angeordnet sind, dass sie ein Kraftgleichgewicht mit externen Kräften (d.h. Schwerkraft) an einer axialen Position erreichen, die der Position entspricht, an der die sich drehenden, räumlich periodischen Magnetanordnungen symmetrisch oberhalb und unterhalb der planaren Schaltung liegen, so nähern sich die induzierten Ströme und somit der Widerstandsleistungsverlust in diesen Schaltungen an Null an. Für ein System mit horizontaler Achse kann dieser Umstand ausschließlich Geometrisch erreicht werden. Für ein System mit vertikaler Achse kann dies durch eine Kombination aus geometrischer Position und individueller Gestaltung der Magnetfelder und/oder eines Spalts der Dauermagnetelemente erreicht werden, um diese Aufgabe zu erfüllen.

Eine ungefähre Analyse des Konzepts ergibt eine theoretische Annäherung an die Stärke der Kraftableitung als eine Funktion der Schaltung und der Feldparameter. Der folgende abgeleitete Ausdruck eignet sich zur Gestaltung eines Systems mit einer gewünschten Kraftableitung:

Dabei ist B0 die Spitzenstärke des Felds an der inneren Oberfläche jeder Halbach-Anordnung, wobei L0 die Induktanz je Schaltkreis bezeichnet, wobei m für die Anzahl der Schaltungen in der planaren Anordnung steht, und wobei k gleich 2&pgr;/&lgr; ist, wobei &lgr; die mittlere azimutale Wellenlänge der räumlich Halbach-Anordnungen bezeichnet, die durch einen Abstand 2a getrennt sind, wobei r1 und r2 dem inneren und äußeren Radius der Enden der Magnetstäbe der Halbach-Anordnung entsprechen.

Hiermit wird festgestellt, dass die Kraftableitung von der azimutalen Wellenlänge nur durch den Term exp(–2ka) abhängig ist, wobei die Auswahl der Wellenlänge für Optimierungszwecke offen bleibt. Ganz gleich, welche Wahl jedoch getroffen wird, muss der azimutale Abstand der Schenkel jeder der Schaltungen so ausgewählt werden, dass er übereinstimmt. Hiermit wird ferner festgestellt, dass Wirkelemente der Schaltungen, d.h. die Elemente, die zueinander einen azimutalen Abstand von einer halben Wellenlänge aufweisen, unter Verwendung einer konzentrierte Induktanzbelastung in Reihe miteinander verbunden werden können, sofern dies zweckmäßig ist, wobei die Belastung gleich der Summe der Induktanz ist, die für jede einzelne Schaltung erforderlich wäre. Unter bestimmten Bedingungen reichen die eigenen und gegenseitigen Induktivitäten der Schaltungen selbst aus, so dass eine zusätzlichen Induktanzbelastungselemente erforderlich sind.

Ein Beispiel für die Höhe der Kraftableitung, die von dem kleinsten Element möglich ist, wird die folgende Reihe von Parametern betrachtet:

B0 = 1,0 Tesla; L0 = 10–6 hy/Schaltung; m = 30; r2 = 0,05 m; r1/r2 = 1/3

Ergebnis:

Ein weites Ausführungsbeispiel betrifft ein verbessertes Magnetlagerelement in Form einer radial und axial stabilen Lager-„Patrone", wobei für eine radiale Stabilität zwei radial stabile, axial instabile durch Dauermagnet erregte Lagerelemente eingesetzt werden, deren axiale Kräfte entgegengesetzt zueinander sind und sich gegenseitig aufheben, wodurch ein metastabiles Gleichgewicht für axiale Verschiebungen erzeugt wird. Axiale Stabilität wird durch die nachstehend im Text beschriebenen Mittel bzw. Einrichtungen bereitgestellt.

In den Abbildungen der 2A und 3A sind äquivalente mit identischen Bezugsziffern bezeichnet. Die Abbildungen zeigen ein Patronenelement 20, das starke radiale Zentrierungskräfte bereitstellen kann, während es bei minimalen Leistungsverlusten axial stabil bleibt (oberhalb einer kritischen Betriebsgeschwindigkeit), so lange die Patrone 20 nicht aufgefordert wird, eine erhebliche reine axiale Kraft bereitzustellen. Die letztgenannte Anforderung ist automatisch erfüllt, wenn zwei derartige Patronen zum Tragen der beiden Enden eines sich horizontal drehenden Schafts bzw. einer sich horizontal drehenden Welle verwendet werden (wie etwa der beiden Enden der Welle eines Elektromotors). In Bezug auf ein vertikal ausgerichtetes System kann ein axial stabiler vertikaler Schwebezustand durch ein oder mehrere entgegengesetzte Lagerelemente bereitgestellt werden, deren radial instabilen Kraftableitungen bauweisenbedingt kleiner ausgewählt werden als die radial stabilisierenden Kraftableitungen, die durch die Patrone (oder Patronen, sofern zwei Patronen verwendet werden) vorgesehen werden. Um im letzteren Fall in Bezug auf die Abbildung aus 2A sicherzustellen, dass das Zentrierungselement (d.h. räumlich periodische Magnetanordnungen wie etwa Halbach-Anordnungen 22 und 24 und eine zugeordnete Induktionskreis-Anordnung 26) keine nennenswerte axiale Belastung erfährt, wird die Patrone vertikal durch Federn 28 und 29 mit geringer Federung gestützt. Diese werden so eingestellt, dass sie das Gewicht der Patrone tragen, wenn diese vertikal im Verhältnis zu den drehbaren Elementen zentriert ist, d.h. wenn sich die Induktionskreis-Anordnung 2b in der Mitte zwischen den beiden Halbach-Anordnungen 22, 24 befindet. Wenn während dem Betrieb nur geringe Abweichungen aus dieser Position auftreten (zum Beispiel als Folge von Temperaturschwankungen, welche die Schwebeleistung der abstoßenden Lagerelemente beeinflussen), so passen sich die Federn 28, 29 mit geringer Federung an die neue Position mit einer minimalen axialen Kraft an, und somit mit minimalem Anstieg des Leistungsverlustes durch die induktive Schaltungsanordnung. Um sicherzustellen, dass die erforderliche radiale Zentrierungskraft durch die Lagerpatrone bereitgestellt wird, wird diese durch Gleitsitzhalteeinrichtungen 30 (oder einen Rutschsitzzylinder oder ein Äquivalent) radial gehalten, wie dies in den Abbildungen der 2B und 3B dargestellt ist.

Ein wichtiger Punkt, der anerkannt werden muss, ist es, dass durch den Einsatz der entgegengesetzten radial stabilen Dauermagnetelemente 32 und 33, die auf dem Punkt ihres metastabilen Gleichgewichts betrieben werden (d.h, bei einer geometrischen Zentrierung), wird das axiale Stabilisierungselement nur benötigt, um eine axiale Zentrierungskraftableitung bereitzustellen, welche die axiale Destabilisierungskraftableitung des radial stabilen Lagerpaares überschreitet. Genau am dem metastabilen Gleichgewichtspunkt ist keine axiale Kraft erforderlich, um dieses Ergebnis zu erreichen, so dass die in dem Stabilisator verloren gegangene Widerstandsleistung gleich „Null" ist. Bei geringen Abweichungen von dem Gleichgewicht ist die verloren gegangene Widerstandsleistung nicht gleich Null, wobei sie jedoch entsprechend gering ist. Die Situation muss mit einer Situation verglichen werden, wenn eine einzige Halbach-Anordnung und ein Induktionskreis verwendet werden, um eine axiale Stabilität gegen eine axiale Destabilisierungskraftableitung eines radial stabilen Magnetlagerelements bereitzustellen. In diesem Fall muss der Stabilisator eine kontinuierliche Kraft entgegengesetzt zu dem Lagerelement bereitstellen, wodurch die Leistung kontinuierlich verteilt wird.

Bei Anwendungen, wie zum Beispiel Fahrzeuganwendungen, bei denen vertikale Beschleunigungen von kurzer Dauer auftreten können, können die Stützfedern mit geringer Federung durch einem „Stoßdämpfer" ähnliche Elemente 28, 29 unterstützt werden. Diese übertragen vertikale Beschleunigungen von kurzer Dauer auf die Patrone, während sie beim Gleichgewicht keine Netto-Vertikalkraft erzeugen. Auf diese Weise kann die starke Axialkraftableitung, die den Halbach-Anordnungen zugeordnet ist, in Interaktion mit den Induktionskreiselementen stoßweise Axialkräfte absorbieren, mit nur einem vorübergehend erhöhten Leistungsverlust.

Hiermit wird ferner festgestellt, dass in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zwar starke Axialkraftableitungen erzeugt werden, wobei das Konzept jedoch auch für die Erzeugung starker Radialkraftanleitungen angewandt werden kann, wiederum mit verschwindenden induzierten Strömen und Widerstandsleistungsverlusten an der Gleichgewichtsposition. Wie dies in der Abbildung aus 4 dargestellt ist, ist es lediglich erforderlich, dass die räumlich periodischen Magnetanordnungen in Form konzentrischer Zylinder-Magnetanordnungen 40 und 42 gestaltet werden, wobei die Innenseite des äußeren Zylinders 40 eine Anordnung trägt, und wobei die Außenseite des inneren Zylinders 42 die andere Anordnung trägt. Die Induktionskreise liegen dabei an einem Zylinder 44 in einem Radius, der dem Nullpunkt für das radiale Magnetfeld entspricht, das zwischen den beiden Anordnungen 40 und 42 existiert. Die konzentrischen Zylinder-Magnetanordnungen 40 und 42 sind durch einen Träger 50 mit einem Schaft bzw. einer Welle 48 verbunden. Die zylindrische Induktionskreis-Anordnung 44 wird durch eine Trägerstruktur bzw. Stützstruktur 46 getragen bzw. gestützt. Wie in den anderen Ausführungsbeispielen können sich entweder die Magnetanordnungen drehen, während die Wicklungen stationär sind, oder vice versa.

Damit die durch die Erfindung beschriebenen Lagersysteme erfolgreich eingesetzt bzw. betrieben werden können, müssen somit mechanische oder andere Einrichtungen bereitgestellt werden, um die Stabilität zu erhalten, wenn sich das drehbare Element an der Ruheposition befindet, oder wenn die Rotation unterhalb einer niedrigen kritischen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl liegt, die durch die Konstruktion bestimmt wird. Um dies zu erreichen, können verschiedene Elemente eingesetzt werden, wodurch die Zentrierungselemente unterhalb einer kritischen Geschwindigkeit arbeiten und danach ausgerückt werden, wie zum Beispiel durch zentrifugale Wirkung. Ein zentrifugal ausrückendes mechanisches Lager ist in der Abbildung aus 5 schematisch dargestellt. Es umfasst ein äußeres (drehbares) Element 52, Federelemente 54 und Haltequadranten 56. Die Halteeinrichtungen 56 bleiben in Kontakt mit der äußeren Bahn 58 eines Kugellagers, wobei sich die innere Bahn 60 nicht dreht, und wobei sie durch den Schaft bzw. die Welle 62 an der Verwendungsposition gehalten wird, wobei der Schaft dem Schaft 14 aus 1A und dem Schaft 48 aus 4 ähnlich ist. Gemäß der Abbildung wirkt ein Kugellager bei langsamen Geschwindigkeiten oder einer Geschwindigkeit von Null auf das drehbare Element, und wobei danach ein Ausrücken erfolgt durch die Wirkung der federartigen Elemente 54, die sich unter dem Einfluss von Zentrifugalkräften erweitern. Andere Mittel zur Erfüllung dieses Zwecks sind für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich. Als Teil der vorliegenden Erfindung wird hiermit festgestellt, dass das Ausrücken der mechanischen Elemente der beschriebenen Art eine doppelte Funktion aufweisen kann. Sie können nicht nur die Funktion erfüllen, dass sie die Stabilität erhalten, wenn das drehbare Element von einer Geschwindigkeit von Null nach oben gebracht wird, vielmehr können sie bei ordnungsgemäßer Bauweise auch als „Sicherungs"-Lager fungieren, um vorübergehende Beschleunigungen entsprechend zu berücksichtigen, wie etwa durch seismische Effekte (in stationären Systemen) oder durch Stoßwirkungen auf der Straße bei mobilen Systemen.

Abänderungen und Modifikationen in Bezug auf die besonderen beschriebenen Ausführungsbeispiele sind möglich, ohne dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wobei die Erfindung nur durch den Umfang der anhängigen Ansprüche beschränkt ist.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung, die folgendes umfasst:

    eine erste räumlich periodische Dauermagnetanordnung (10), die eine erste Halbach-Anordnung umfasst;

    eine zweite räumlich periodische Dauermagnetanordnung (12), die eine zweite Halbach-Anordnung umfasst, wobei die genannte zweite räumlich periodische Dauermagnetanordnung mit der genannten ersten räumlich periodischen Dauermagnetanordnung fest verbunden und von der genannten ersten räumlich periodischen Dauermagnetanordnung räumlich getrennt ist, wobei die genannte erste Halbach-Anordnung und die genannte zweite Halbach-Anordnung geometrisch identisch sind, so dass sie die gleiche Anzahl von Magneten und die gleiche Polanzahl aufweisen, so dass ihre Felder die gleiche azimutale räumliche Periodizität aufweisen;

    eine Leiteranordnung (16), die beweglich zwischen der genannten ersten räumlich periodischen Dauermagnetanordnung (10) und der genannten zweiten räumlich periodischen Dauermagnetanordnung (12) angeordnet ist, wobei die genannte Leiteranordnung eine Mehrzahl von Induktionskreisen (16) umfasst, und wobei entweder die genannte erste räumlich periodische Dauermagnetanordnung oder die genannte zweite räumlich periodische Dauermagnetanordnung (10, 12) gemeinsam mit der genannten Leiteranordnung (16) ein drehbares Element bildet, und wobei die andere Anordnung ortsfest ist;

    wobei die azimutalen Magnetkomponenten der genannten ersten Halbach-Anordnung und die azimutalen Magnetkomponenten der genannten zweiten Halbach-Anordnung eine Gleichgewichtsposition dazwischen hinzufügen, wobei die genannte erste Halbach-Anordnung und die genannte zweite Halbach-Anordnung gemeinsam aus einer ersten Gruppe oder einer zweiten Gruppe ausgewählt werden, wobei die genannte erste Gruppe aus zwei konzentrischen Zylindern (40, 42) besteht, und wobei die genannte zweite Gruppe aus zwei planaren Anordnungen (10, 12) besteht, wobei bei einer Auswahl der genannten ersten Gruppe, die genannten zwei konzentrischen Zylinder azimutal im Verhältnis zueinander ausgerichtet werden, so dass sich ihre radialen Magnetkomponenten an der genannten Gleichgewichtsposition gegenseitig aufheben, wobei bei einer Auswahl der genannten zweiten Gruppe die genannten zwei planaren Anordnungen im Verhältnis zueinander azimutal ausgerichtet sind, so dass sie zueinander hin zeigen, und so dass sich ihre axialen Komponenten an der genannten Gleichgewichtsposition gegenseitig aufheben; und

    eine Einrichtung (52-60), die dazu dienen, das genannte drehbare Element in einem stabilen Gleichgewicht zu halten, bis das genannte drehbare Element eine kritische Winkelgeschwindigkeit überschritten hat, wobei die genannte Leiteranordnung (16) an der genannten Gleichgewichtsposition zwischen der genannten ersten Halbach-Anordnung (10) und der genannten zweiten Halbach-Anordnung (12) nahezu einen Nullfluss abfängt, wobei die ohmschen Widerstandsverluste in der genannten Leiteranordnung nahezu auf Null reduziert werden, wobei die genannte Vorrichtung axial symmetrisch ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Leiteranordnung aus einer Gruppe ausgewählt wird, die eine planare Leiteranordnung (26) und eine zylindrische Leiteranordnung (44) aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Mehrzahl von Induktionskreisen (16) Schaltungen mit induktiver Belastung umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei diese ferner Dauermagnetelemente (32, 33) umfasst, die fest an der genannten ersten räumlich periodischen Magnetanordnung und der genannten zweiten räumlich periodischen Magnetanordnung angebracht ist, wobei die genannten Dauermagnetelemente so angeordnet sind, dass an einer axialen Position ein Kraftgleichgewicht mit externen Kräften (z.B. Schwerkraft) erreicht wird, welche der Position entspricht, an der die genannten ersten und zweiten räumlich periodischen Magnetanordnungen symmetrisch oberhalb und unterhalb der genannten planaren Leiteranordnung liegen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der genannten räumlich periodischen Magnetanordnungen (10, 12) so gestaltet ist, dass sie eine Kraftableitung
    wobei B0 die Spitzenstärke des Felds an der inneren Oberfläche jeder räumlich periodischen Magnetanordnung bezeichnet, wobei L0 die Induktanz des genannten Induktionskreises bezeichnet, wobei m für die Anzahl der Schaltungen in der genannten planaren Leiteranordnung steht, und wobei k gleich 2&pgr;/&lgr; ist, wobei &lgr; die mittlere azimutale Wellenlänge der genannten räumlich periodischen Magnetanordnung bezeichnet, die durch einen Abstand 2a getrennt sind, wobei r1 und r2 dem inneren und äußeren Radius der Enden der Magnetstäbe der genannten räumlich periodischen Magnetanordnung entsprechen, wobei x die Stabilisierungsrichtung bezeichnet.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannten Induktionskreise (26) Wirkelemente umfassen, die in Reihe verbunden sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die genannten Induktionskreise (26) eine konzentrierte Induktanzbelastung umfassen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte zylindrische Magnetanordnung einen äußeren ersten konzentrischen Zylinder (40) und einen inneren zweiten konzentrischen Zylinder (42) umfasst, wobei die genannte räumlich periodische Magnetanordnung fest mit der Innenseite des genannten ersten konzentrischen Zylinders verbunden ist, wobei die genannte zweite räumlich periodische Magnetanordnung fest mit der: Außenseite des genannten inneren zweiten konzentrischen Zylinders verbunden ist, wobei die genannte zylindrische Leiteranordnung in einem Radius angeordnet ist, der dem Nullpunkt für das radiale Magnetfeld entspricht, das zwischen der genannten ersten räumlich periodischen Magnetanordnung und der genannten zweiten räumlich periodischen Magnetanordnung existiert.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner ein Paar radial stabiler Dauermagnetlager (32, 33) umfasst, mit anziehenden inneren und äußeren Lagerelementen, wobei die genannten inneren Lagerelemente fest an der genannten ersten räumlich periodischen Magnetanordnung und der genannten zweiten räumlich periodischen Magnetanordnung angebracht sind, und wobei die genannten äußeren Lagerelemente gemeinsam mit der genannten planaren leitenden Anordnung fest an einer Lagerpatrone (20) angebracht sind, wobei jedes Lager des genannten Paars radial stabiler Dauermagnetlager auf gegenüberliegenden Seien einer Einheit angeordnet ist, definiert durch die genannte erste räumlich periodische Magnetanordnung, die genannte planare Leiteranordnung (26) und die genannte zweite räumlich periodische Magnetanordnung.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei diese ferner eine Mehrzahl von Stützfedern (28, 29) mit geringer Federung umfasst, die mit der genannten Lagerpatrone (20) und einer Stützstruktur verbunden sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei diese ferner eine Mehrzahl von Zentrierelementen (30) umfasst, die fest mit der genannten Stützstruktur verbunden und so konfiguriert sind, dass eine Zentrierkraft auf die genannte Lagerpatrone (20) vorgesehen wird.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die genannte Mehrzahl von Schaltungen induktiv belastete Schaltungen umfasst.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei jede der genannten räumlich periodischen Magnetanordnungen drehbar ist, und wobei die genannte planare Leiteranordnung nicht drehbar ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei jede der genannten räumlich periodischen Magnetanordnungen nicht drehbar ist, und wobei die genannte planare Leiteranordnung drehbar ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die genannte Mehrzahl von Stützfedern (28, 29) mit geringer Federung durch mindestens einen Stoßdämpfer verstärkt wird, der mit der genannten Lagerpatrone und einer Stützstruktur verbunden ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die genannte Mehrzahl von Zentrierelementen aus einer Gruppe ausgewählt wird, die eine Gleitsitzhalteeinrichtung und einen Rutschsitzzylinder aufweist.
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