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Magnetisches Traglager für die Rotorwelle eines Elektrizitäts-
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zählers
Magnetisches Traglager für die Rotorwelle
eines Elektrizitätszählers Die Erfindung bezieht sich auf ein abstossendes magnetisches
Traglager für die Rotorwelle eines Elektrizitätszählers nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Derartige Magnetlager sind z.B. aus der deutschen OS 21 10 510 bekannt.
Das Ziel der Verwendung solcher Magnet lager ist die möglichst reibungsfreie Lagerung
der Rotorwelle, was durch die magnetische Abstützung in Achsrichtung weitgehend
erreicht wird.
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Da es jedoch bei Magnet lagern mit ferromagnetischen Werkstoffen nur
unter der Verwendung eines Elektromagneten mit zugehörigem Regler möglich ist, gleichzeitig
mit der Führung in achsialer Richtung auch eine magnetische Führung in radialer
Richtung zu erreichen, benötigen die permanentmagnetischen Traglager immer noch
ein zusätzliches, herkömmliches Reibungs-Radiallager, das die Kraftkomponenten übernimmt,
welche an der Rotorwelle in radialer Richtung anfallen. Es sind dies Kräfte infolge
von Unsymmetrien, elektromotorische und durch den Abtrieb an der Rotorwelle angreifende
Kräfte sowie Querkräfte, welche auf das magnetische Traglager selbst zurückführbar
sind.
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Um den Anlauf des Elektrizitätszähters beim geforderten Minimalstrom
zu gewährleisten, muss die Reibungskraft im Radiallager möglichst klein sein. Von
den erwähnten Kräften ist nur die vom Traglager selbst erzeugte Querkraft reduzierbar,
denn die restlichen Kräfte müssen zufolge der erforderlichen Herstelltoleranzen
und durch die Verwendungsart als Zählerrotor in Kauf genommen werden.
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Die theoretische Mittelstellung der zu lagernden Rotorwelle bildet
bei bekannten magnetischen Traglagern bezüglich der Radialkräfte einen labilen Zustand,
in der die Rotorwelle durch das erwähnte Reibungs-Radiallager gehalten werden muss.
Die Qualität einer Magnet-Anordnung ist dabei umso besser, je grösser die pro
Volumeneinheit
V des verwendeten Magnetmaterials erreichte Achsialkraft Fa ist, das heisst, je
grösser die Ausbeute
ist, und ferner je geringer die Zunahme der Radialkraft Fr bei sich vergrössernder
Auslenkung r der Rotorwellen-Achse von der theoretischen Mittelstellung ist. Andererseits
soll ein magnetisches Traglager eine grösstmögliche spezifische Achsialkraft
aufweisen, damit der Luftspalt a zwischen den Tragmagneten immer möglichst gleich
bleibt, das heisst, eine Achsialkraftänderung von #Fa soll eine möglichst geringe
Luftspaltändea rung ha bewirken.
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In der Praxis zeigt es sich, dass insbesondere die beiden letzten
Forderungen einander entgegen laufen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu
schaffen, die bei grosser Ausbeute A und geringer Zunahme der Radialkraft Fr pro
seitliche Auslenkung r trotzdem eine grösstmögliche spezifische Achsialkraft f liefert.
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a Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert: Es bedeuten: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Magnetanordnung
ohne Darstellung der die Magnete haltenden Teile und Fig. 2 und 3 je ein Diagramm.
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In der Figur 1 bedeutet 1 einen kreisringförmigen Permanentmagneten,
fortan Magnet 1 benannt, mit zwei planparallelen Stirnseiten 2 und 3, der stationär
in einem nicht dargestellten Zählerrahmen befestigt ist.
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Ein zweiter, ebenfalls kreisringförmiger, im Durchmesser kleinerer
Permanentmagnet, fortan Magnet 4 benannt, ist Bestandteil einer nicht dargestellten
drehbaren Rotorwelle eines Elektrizitätszählers, dessen theoretische System-Längsachse
als strichpunktierte Gerade 5 eingezeichnet ist. Die Rotorwelle wird durch ein ebenfalls
nicht dargestelltes Radiallager in ihrer Mittellage gehalten. Der Magnet 4 weist
zwei planparallele Stirnseiten 6 und 7 auf, die zu den Stirnseiten 2 und 3 parallel
liegen. Die Magnete 1 und 4 sind so magnetisiert, dass sie sich gegenseitig in Achsrichtung
abstossen und dadurch der von der Rotorwelle erzeugten Gewichtskraft entgegen wirken.
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Der Magnet 1 liegt mit seiner unteren Stirnseite 3 auf der Innenseite
einer topfförmigen rotationssymmetrischen Kappe 8 aus weichmagnetischem Material
auf. Dabei ist der Mantel-Innendurchmesser der Kappe 8 grösser als der Aussendurchmesser
des Magneten 1, so dass sich zwischen dem Umfang des Magneten 1 und dem Mantel-Innenumfang
der Kappe 8 ein ringförmiger Luftspalt 9 einschliesst. Ein offener Rand 10 der Kappe
8 überragt die freie Stirnseite 2 des Magneten 1 und bewirkt dadurch eine kräftemässig
günstige Beeinflussung der magnetischen Trageigenschaften, was nachfolgend an Hand
der Fig. 2 und 3 beschrieben ist.
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Die Fig. 2 zeigt mit einer Kurve 11 den Verlauf der entstehenden,
von den Magneten 1 und 4 erzeugten Radialkraft Fr, wenn die Achse der Rotorwelle
um einen Betrag r ausserhalb der Geraden 5 zu liegen kommt. Diese Kräfte müssen
vom Radiallager aufgenommen werden. Erfahrungsgemäss sollte der entstehende Kraftverlauf
unterhalb einer gestrichelt gezeichneten Kurve 12 verlaufen, welche Bedingung mit
der vorliegenden Kurve 11 erfüllt ist.
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In der Fig. 3 sind die entstehenden Abstosskräfte F in Abhäna gigkeit
des Abstandes a zwischen den beiden Stirnseiten 2 und 7 durch zwei Kurven 13 und
14 dargestellt. Die Kurve 13 zeigt den Kraftverlauf in der Anordnung nach der Fig.
1, das heisst bei Verwendung der Kappe 8, während die Kurve 14 den Kraft-
verlauf
ohne die Kappe 8 darstellt. Daraus ist ersichtlich, dass mit dem Zufügen der Kappe
8 bedeutend höhere Abstosskräfte F erreicht werden, wobei sich allerdings die Radialkräfte
F a r etwas erhöhen, jedoch gemäss der Kurve 11 (Fig 2) noch keine unzulässigen
Werte annehmen. Dieser Kraftverlauf ergibt sich durch den von der Kappe 8 mit deren
Rand 10 bedingten Verlauf der magnetischen Kraftlinien. Dabei ist massgebend, wie
weit der Rand 10 über die Stirnseite 2 des Magneten 1 vorsteht. Zweckmässig ist
es, wenn dieses Mass etwa der halben Dicke des Magneten 1, das heisst etwa dem halben
Abstand der beiden Stirnseiten 2 und 3 voneinander, entspricht.
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Im beschriebenen Beispiel sind die Magnete 1 und 4 so magnetisiert,
dass an deren Stirnseiten je ein Nord- bzw. je ein Südpol vorhanden ist, was sich
im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Durchmessern der beiden Magnete 1 und
4 als am zweckmässigsten erwies. Dabei ist der Aussendurchmesser des Magneten 4
kleiner als der Aussendurchmesser des Magneten 1, aber mindestens so gross wie eine
zentrale Bohrung 16 im Magneten 1.
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Vorteilhaft ist der Aussendurchmesser des Magneten 4 wenig grösser
als die zentrale Bohrung 16.
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Zum Ausgleich von Inhomogenitäten im Magneten 1 ist es ferner vorteilhaft,
wenn seine freie Stirnseite 2 eine die Flächenmasse dieser Stirnseite aufweisende
Scheibe 17 aus weichmagnetischem Material trägt.
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Im beschriebenen Beispiel wurde der Magnet 1 mit seiner Kappe 8 als
feststehend und der Magnet 4 als rotierend beschrieben, was aus Gewichtsgründen
für ein Traglager zweckmässig ist, aber eine umgekehrte Anwendung nicht ausschliessen
soll, bei der dann der Magnet 4 stillstehend ist.
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Die beschriebene Anordnung der Magnete 1 und 4 mit der Kappe 8 erlaubt
trotz relativ geringen Radialkräften F eine um rund 100 % höhere Ausbeute
so dass mit einem kleineren Magnetvolumen V als beim Bekannten auszukommen ist.