DE2422146A1

DE2422146A1 - Magnetschwebekoerper

Info

Publication number: DE2422146A1
Application number: DE2422146A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Van Der Heide
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-05-21
Filing date: 1974-05-08
Publication date: 1974-12-12
Also published as: US4040681A; IT1011459B; FR2231085A1; US4356772A; FR2231085B1; JPS5041009A; NL7307042A

Description

Magnetschwebekörper

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hagnetschwebekörper mit mindestens einem ersten Tragedauermagneten, der über einen Luftspalt mit mindestens einem ortsfesten zweiten Tragedauemagneten magnetisch zusammenarbeitet.

Ausgehend von bekannten Prinzip, dass zwei Dauermagnete, deren einander zugewandte Magnetpole gleichnamig sind, einander abstossen, hat man sich schon lange bemüht, diese Möglichkeit zur reibungslosen Bewegung auszunutzen. Ein auf diese Weise gebildetes System weist jedoch den Kachteil auf, dass es labil ist (Theorem von Earnshaw). Die geringste horizontale Verschiebung des ersten Trageraagneten gegenüber dem zweiten verursacht ein Kippen des Systems.

Um dies zu verhindern, wird der erste Magnet in einer Führung angeordnet. Ein bekanntes Beispiel ist, dass zwei axial entgegengesetzt magnetisierte Dauermagnetringe übereinander in einem

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Glaskolben angeordnet werden ^i j/^ JM/LODD .

25-3-T974. Ein mehr· auf die Praxis ausgerichtetes Beispiel ist

die Magnetschwebebahn, wie sie in der* britischen Patentschrift 867.O45 beschrieben worden ist. Dabei ist jedes Untergestell der Schwebebahn mit einer Anzahl parallel liegender und auf gleiche Weise magnetisierter (erster) Dauermagnete versehen, deren Lage den als Schiene ausgebildeten ortsfesten Reihen von (zweiten) Tragemagneten entspricht.

Die horizontale Stabilität jedes Wagens wird durch einen am Wagen befestigten Führungsstreifen erhalten, der an der Innenseitenwand einer U-förmigen Führung entlang geführt wird. Innerhalb der U—förmigen Führung sind die Magnetschienen angeordnet. ^

Ein Nachteil dieses Systems ist, dass die Bewegung der Schwebebahn nicht reibungslos erfolgt.

Die Erfindung bezweckt nun, diese Nachteile der Labilitä auszuschalten, und weist das Kennzeichen auf, dass zur Stabilisierung des Schwebekörpers eine Stabilisierungsvorrichtung vorgesehen ist, die im wesentlichen aus zwei Hauptelementen aufgebaut ist, von denen eines mit dem Schwebekörper verbunden ist und die aus mindestens einem Stabilisierungsdauermagneten und einem ein magnetisches Wechselfeld erzeugenden System bestehen, in welchem Wechselfeld der Stabili— sierungsmagnet angeordnet ist und die Grosse der Amplitude des Feldes konstant bleibt.

Eine Vielzahl von Versuchen haben gezeigt, dass unter diesen Umständen ein stabiles Gleichgewicht auftritt. Diese Umstände werden durch viele Faktoren, u.a. die Kraft der verwendeten Magnete, das Gewicht des Schwebekörpers, die Grosse des magnetischen Wechselfeldes und seine Frequenz beeinflusst.

Es hat sich herausgestellt, dass ein derartiges Magnetschwebesystem durch die Differentialgleichung von Mathieu angenähert werden kann: m |~|₂+ (a+b cos 2t) χ = 0

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worin: m = Kasse des Schwebekörpers a = statische Steifigkeit, b = dynamische Steifigkeit,

χ = Abweichung von der richtigen Lage des Schwebekörpers ist; dies ist bei sich bewegenden Gegenständen senkrecht zur Fortbewegungsrichtung.

Die statische Steifigkeit entsteht infolge der magnetischen Zusammenarbeit zwischen den beiden Tragemagneten.

Die dynamische Steifigkeit entsteht infolge des magnetischen Vechselfeldes.

Wenn vorausgesetzt wird, dass ^₀ = V —

und W₁ = V^ ,

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so wird die Differentialgleichung von Mathieu: α χ .,w ν .~. ... _cos 2tl x = 0

worin:

IaL = Kreisfrequenz einer Schwingung, die durch die

statische Steifigkeit a und die Masse m bestimmt wird ΜΛ = Kreisfrequenz einer Schwingung, die durch die

dynamische Steifigkeit b und Masse m bestimmt wird, χ = die Abweichung von der richtigen Lage des Schwebekörpers in Bezug auf die Translation sowie die Rotation in den drei orthogonalen Dimensionen. Zum Schweben des Gegenstandes muss der stabile Zustand für die sechs Freiheitsgrade gelten.

Versuchsweise hat es sich herausgestellt, dass, wenn die Steifigkeiten a und b graphisch aufgetragen werden, in den erhaltenen Diagrammen stabile sowie unstabile Gebiete auftreten. Es ist durchaus möglich, für· die sechs Freiheitsgrade gleichzeitig einen stabilen Zustand zu erreichen.

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Bei der unstabilsten Richtung - d.h. bei einen "hängender.' Gegenstand die vertikale Richtung und bei einen "stehenden" Gegenstand die horizontale Richtung- - müssen die dynanische Steifigkeit (-—— Y infolge der Stabilisierungsvorrichtung viel grosser (vorzugsweise das

Sechsfache) sein als die statische Steifigkeit ( )■ infolge der

Tragemagnete.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung v/eist das Kennzeichen auf ι dass der Stabilisierungsmagnet zugleich als erster Tragemagnet wirksam ist.

Dabei wurde der Weg eines stillstehenden schwebenden Gegenstandes gegangen, was auf die V/eise erfolgen kann, bei der die beiden Tragemagnete vertikal fluchtend angeordnet und in derselben Richtung magnetisiert sind und der erste Magnet von einer an einen Wechselstromgenerator angeschlossenen Spule umgeben ist.

Eine besondere Ausführungsform des stillstehenden Schwebekörpers ist das magnetische Lager.

Dabei ist der Schwebekörper mit einer horizontalen Achse versehen, deren beide Enden je einen ersten Tragemagneten enthalten, die jeweils von einer an einen Wechselstromgenerator angeschlossenen Spule umgeben sind. Die beiden Spulen können dabei miteinander in Reihe geschaltet sein. Gute Resultate wurden erhalten mit zwei einlagigen Spulen, die an einen Kiederspannungstransformator zur Lieferung eines Stromes von grosser Stärke angeschlossen waren, wobei das Lager während einer Dauer von mehreren Tagen im schwebenden Zustand blieb. Ein derartiges magnetisches Lager lässt sich ausgezeichnet verwenden in Räumen, in denen Yakuua herrscht (Raumfahrt). Besonders geeignet ist die Anwendung in einer Röntgenröhre, in der die Anode auf einer Achse angeordnet ist, die sich mit hoher Drehzahl drehen nuss, damit sie nicht völlig verbrennt. Bei den zur Zeit verwendeten Röntgenröhren

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erfolgt die Lagerung mittels Kugellager, deren Lebensdauer beschränkt ist.

Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar in Form eines sicr bewegenden Gegenstandes bzw. bei einen schwebend angetriebenen Zug.

Ein derartiger Zug kann sehr hohe Geschwindigkeiten.

erreichen (Reisegeschwindigkeit von 500 km in der Stunde), da bei diesen Zügen nur Luftreibung auftritt (siehe "Elseviers Weekblad", 27· Januar 1975, Seiten 6O-69).

Diese erfindungsgemässe Ausführungsform weist das

Kennzeichen auf, dass parallel zur Schiene eine Reihe jeweils in abwechselnder Richtung magnetisierter zweiter Stabilisierungsraagnete angeordnet sind, deren Länge in der Bewegungsrichtung des Schwebekörpers nahezu dieselbe ist wie die jedes ersten Stabilisierungsmagnets.

Die Stabilisierungsmagne'te können dabei' einen Teil eines Linearmotors bilden, welches Prinzip bereits in der obengenannten britischen Patentschrift 867 045 beschrieben worden ist. Die Magnetschwebebahn kann "stehend" sowie "hängend" ausgebildet werden.

Die "stehende" Ausbildung weist das Kennzeichen auf, dass der Viagen mit einem Untergestell versehen ist, das mindestens zwei parallel liegende erste Tragemagnete enthält, deren Lage der der schienenförinig angeordneten zweiten Tragemagnete entspricht, wobei die ersten und zweiten Tragemagnete zueinander in entgegengesetzter Richtung magnetisiert sind und das Traggestell mit der Kabine über ein vertikal wirkendes .lineares Dämpfungssystem lose verbunden ist.

Bei beiden Ausführungen gibt es ein lineares Dämpfungssystem, damit die auftretende Schwingung in horizontaler seitlicher Richtung gedämpft wird. Diese Schwingung entspricht der obengenannten Differentialgleichung von Hathieu nicht völlig, aber im Grunde lassen sich nach wie vor stabile und unstabile Gebiete unterscheiden, wobei

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erwähnt sei, dass die stabilen Gebiete grosser sind.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines vertikal schwebenden stillstehenden Gegenstandes nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt durch den Gegenstand nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung eines horizontal schwebenden Lagers nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Röntgenröhre nach der Erfindung,

Fig. 5 eine schaubildliche Darstellung einer Magnetschwebebahn mit einen Stabilisierungssystem nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Darstellung einer stehenden Schwebebahn mit einen erfindungsgemässen Dämpfungssystem,

Fig. 7 ein zugehörendes Mathieu-Diagramm, *

Fig. 8 eine Darstellung einer hängenden Schwebebahn mit einem erfindungsgemässen Därapfungssystem.

In den Fig. 1 und 2 wird ein Gegenstand 1 infolge der magnetischen Anziehungskraft zwischen einem mit dem Gegenstand 1 verbundenen ersten Tragemagnet 2 und einem ortsfest angeordneten zweiten Tragemagnet 3 im schwebenden Zustand gehalten.

Die beiden Magnete 2 und 3 befinden sich vertikal übereinander und sind in derselben Richtung axial magnetisiert. Der Südpol S des Tragenagneten 3 befindet sich gegenüber dem Nordpol Ii des Tragemagneten 2. Dadurch zieht der Magnet 3 äen Gegenstand 1 und den. Magneten 2 nach. oben. Infolge des Gewichtes des Gegenstandes 1 und des Magneten 2 gibt es eine Stelle, wo die magnetische Anziehungskraft der Schwerkraft entspricht, so dass ein labiles Gleichgewicht entsteht.

Um den Tragenagnet 2 ist eine Spule 4 angeordnet, die an eine elektrische Wechselspannung angeschlossen ist,Der Tragemagnet 2

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befindet sich, nahezu in der Mitte der Spule k. Infolge des magnetischen Wechselfeldes zwischen der Spule h und dem ersten Tragemagnet kann das' Gleichgewicht stabil gehalten werden.

Dies ist abhängig von den magnetischen Grossen der Tragemagnete 2 und 3» dem Gewicht des Schwebekörpers 1 (einschliesslieh des Gewichtes des Tragemagneten 2), dem Durchmesser und der Windungszahl der Spule k und der Grosse des durch die Spule k fliessenden Stromes sowie dessen Frequenz. Beim Anschluss der Spule an die Wechselspannungsquelle wird der Wechselstrom bis zum erwünschten Wert erzeugt und auf diesem Wert konstant gehalten.

In Fig. 3 ist ein stillstehender Schwebekörper in Form einer an zwei Stellen gelagerten Achse 10 dargestellt. Jedes Lager besteht aus einem ersten Tragemagnet 11 und einem zweiten Tragemagnet 12. Der Tragemagnet 11 ist scheibenförmig und koaxial auf der Achse 10 angeordnet. Der zweite Tragemagnet 12 ist als Halbring ausgebildet und gegenüber der Achse 10 koaxial und vertikal unter dem Tragemagnet 11 angeordnet. Die beiden Tragemagnete sind in derselben Richtung axial magnetisiert.

Zwischen den Tragemagneten 11 und 12 ist koaxial eine .Spule 13 angeordnet, welche an eine Wechselspannung angeschlossen wird.

Versuche haben gezeigt, dass ein derartiges Magnetlager während einiger Tage ununterbrochen im stabil schwebenden Zustand bleibt-*

Ein derartiges Magnetlager eignet sich insbesondere für eine Röntgenröhre, in der eine Anode mit hoher Drehzahl drehen muss.

In Fig. h ist eine Röntgenröhre dargestellt, deren Anode 20 an einer Achse 21 befestigt ist, die in den Magnetlagern 22 und 23 int stabilen Gleichgewicht gehalten wird. Die Magnetlager sind ausgebildet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

In Fig. 5 ist auf schematische Weise ein Wagen einer Magnetschwebebahn dargestellt. Der Wagen 30 ist mit zwei Reihen erster Tragemagnete 31 und 32 versehen, deren Lage der in schienenform

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angeordneten zweiten Tragemagnete 33 und 34 entspricht.

Die Schienenform ist schenatisch dargestellt. Die Tragemagnete 31 und 33 bzw. 32 und 34 sind entgegengesetzt magnetisiert und stossen einander ab.

An jeder vertikalen Seite des Wagens, die parallel zur Bewegungsrichtung liegt, sind eine Reihe erster Stabilisierungsmagnete 35 befestigt, die jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind. Parallel z-j den Magneten 35 sind zweite Stabilisierungsmagnete 36 scMensrförnig angeordnet. Auch diese Kagnete 36 sind jeweils entgegengesetzt magnetisiert. Die Stabilisierungsniagnete 35 und 36 sind quader förmig und haben dieselben Abmessungen. Mt Hilfe der Stabilisierungsnagnete wird in der horizontalen Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung eine Stabilisierung erhalten.

In Fig. 6 ist auf schematische Weise ein Schnitt durch den Wagen mit den Trage- und Stabilisierungsmagneten dargestellt.

Zur Vergrösserung des stabilen Gebietes ist ein lineares Dämpfungssystem mit dem Wagen verbunden. Der Wagen 30 ist dazu mit einem Untergestell 37» an dem die Tragenagnete 31 und 32 befestigt sind, beweglich verbunden. Der Magen 30 ist axt einer Rollenauflage 33 auf dem Untergestell 37 angeordnet.

Das lineare Dämpfungssystera 40 besteht aus einer Feder L\ und einem Stossdämpfer 42. Diese befinden sich zwischen Stützen 43 und 44, wobei die Stütze 43 mit dem Untergestell 37 und die Stütze 44 Kit dem Wagen 30 verbunden ist.

Das zugehörige Hathieu-Diagramm ist in Fig. 7 dargestellt. Horizontal ist die statische Steifigkeit ( "TT")² und vertikal die dynamische Steifigkeit (~JJJ~)^Z aufgetragen. Das stabile Gebiet ohne Dämpfung liegt-zwischen der ausgezogenen Linie 50 und der gestrichelter. Linie 51 und das Gebiet mit .Dämpfung zwischen den ausgezogenen Linien

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und 52. Die Hinzufügung der Dänpfung vergrössert das stabile Gebiet wesentlich.

Es hat sich herausgestellt, dass die Charakteristik 53 im Diagramm die optimalen Resultate ergibt. Für den Punkt 54 Eit den Koordinaten (-0,4 j 2,4) haben sich aus Versuchen die nachf-olger.den Daten ergeben:

Gewicht des Wagens und des Untergestells: JO t

Gewicht des Vagens: 7j5 "t

Gewicht des Untergestells: 2,5 t

horizontale Kreisfrequenz U> = 40 rad/Sek.

je 100 m Bahn(Schienen)länge: 8 Polpaare von

Stabilisierungsnagneien

mittlere Fahrgeschwindigkeit 100 m/s = 36Ο km/Stunde Lineares Dämpfungssystem:

Federkonstante = 0,2 t/cm

Stossdäapfer =0,5 + 0,6 t , Se-k./C-i^\ / horizontale Kreisfrequenz (M = 10 rad./Sek.

(System: Vagen-Feder-Untergestell) In Fig. 8 ist eine "hängende" Schwebebahn dargestellt.

Der Wagen 60 hängt an einem Oberteil nit einem ersten Trageaagneten 61, der sich vertikal unter einem zweiten Tragemagneten 62 befindet. Letzterer ist als Schiene ausgebildet. Zwischen dem Oberteil und dem Wagen gibt es ein lineares Bämpfungssystern mit einer Feder 63 und einen Stossdämpfer 64 (in Fig. 8 schematisch dargestellt).

Auf beiden Seiten des Tragemagneten 61 und magnetisch

damit zusammenarbeitend sind Stabilisierungsmagnete 65 und 66 angeordnet, Die Stabilisierung tritt hier in vertikaler Richtung auf. Das Kathieu-Diagramm nach Fig. 7 gilt auch für diesen hängenden Wagen.

nachträglich *

achäg La. / Λ

geändert I f **~j> 6^j*& κ 7<t Γ, ?£· 409850/0275

\ i. 5. 74'

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ί 1. ) Magnetschwebekörper mit mindestens einem ersten Tragedauermagneten, der über einen Luftspalt mit mindestens einem ortsfesten zweiten Tragedauermagnet magnetisch zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung des Schwebekörpers eine Stabilisierungsvorrichtung vorgesehen ist, die im wesentlichen aus zwei Hauptelementen aufgebaut ist, von denen eines mit dem Schwebekörper verbunden ist und die aus mindestens einem Stabilisierungsdauermagneten und einem ein magnetisches Vechselfeld erzeugenden System bestehen, in welchem Vechselfeld der Stabilisierungsmagnet angeordnet ist und die Grosse der Amplitude des Feldes konstant bleibt und wobei die dynamische Steifigkeit infolge der Stabilisierungsvorrichtung viel grosser ist als die statische Steifigkeit infolge der Tragemagnete.
2. Magnetschwebekörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsmagnet zugleich als erster Tragemagnet wirksam ist.
3. Magnetschwebekörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Tragemagnete vertikal fluchtend angeordnet und in derselben Richtung magnetisiert sind und der erste Tragemagnet von einer an einen Wechselstromgenerator angeschlossenen Spule umgeben ist.
h. Magnetschwebekörper, insbesondere Magnetlager, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwebekörper mit einer horizontalen Achse versehen ist, an deren Enden ein erster Tragemagnet angeordnet ist, die je von einer an einen Wechselstromgenerator angeschlossenen Spule umgeben sind.
5« Verwendung eines MagnetSchwebekörpers nach Anspruch 4 als Magnetschwebelager für eine Drehanode einer Röntgenröhre.

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6. Magnetschvebekörper, insbesondere Magnetschwebebahn, bei dem die zweiten Tragemagnete in Form einer Schiene angeordnet sind, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Schiene eine Reihe jeweils in abwechselnder Richtung magnetisierter zweiter Stabilisierungsmagnete angeordnet sind, deren Länge in der Bewegungsrichtung des Schwebekörpers nahezu dieselbe ist wie die jedes ersten Stabilisierungsmagneten.
7· MagnetSchwebekörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmagnete einen Teil eines Linearmotors bilden.
8. Magnetschwebekörper in Form eines Zugwagens nach einem der Ansprüche 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Vagen mit einem Untergestell mit mindestens zwei parallel liegenden ersten Tragemagneten versehen ist, deren Lage der der schienenförmig angeordneten zweiten Tragemagnete entspricht, wobei die ersten und zweiten Tragemagnete zueinander in entgegengesetzter Richtung magnetisiert sind und wobei das Untergestell über ein horizontales quer zur Bewegungsrichtung wirksames lineares Dämpfungssystem lose mit dem Wagen verbunden ist.
9. Magnetschwebekörper in Form einer hängenden Kabine nach einem der Ansprüche 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Kabine an der Oberseite mit einem Tragegestell versehen ist, das mindestens einen ersten Tragemagneten enthält, der sich unter einer Anzahl schienenförmig angeordneter zweiter Tragemagnete befindet, wobei die ersten und zweiten Tragemagnete zueinander in gleicher Richtung magnetisiert sind und das Tragegestell über ein vertikal arbeitendes lineares Dämpfungssystem lose mit der Kabine verbunden ist.

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