Hintergrund Passive Magnetlager sind vorgesehen um insbe- sondere sehr schnell rotierende Rotoren ohne Verschleiss und ohne wesentliche Energieverluste zu lagern. Sie kön- nen insbesondere bei Schwungrädern für Energiespeicher eingesetzt werden. Die Schwungräder werden dabei sowohl radial, als auch achsial berührungsfrei gelagert.

Stand der Technik Konventionelle mechanische Lager, wie z. B.

Kugellager, sind bei hohen Geschwindigkeiten sehr laut, müssen geschmiert werden, haben einen grossen Verschleiss und sind für Vakuum oder niedrige Temperaturen nicht ge- eignet. Aktive Magnetlager haben einen fortwährenden Energiebedarf und sind wegen der notwendigen Positions- sensoren, Stromquellen und Steuerelektronik sehr teuer.

Passive Magnetlager mit Supraleitern sind ebenfalls teuer und aufwendig in der Herstellung. Supraleiter müssen zu- dem im Betrieb gekühlt werden. Ausserdem sind sie sehr brüchig und dürfen deshalb keinen Vibrationen ausgesetzt werden. Die bisher bekannten passiven Magnetlager ohne Supraleiter, wie z. B. die in US 5,302, 874 beschriebenen Lager, sind in der Herstellung ebenfalls sehr aufwendig.

Ihre Tragfähigkeit und Steifigkeit ist unvollkommen. Zu- dem erfordern die Anordnungen eine hohe Präzision bei der Herstellung, weil es sonst im Betrieb zu Vibrationen und Energieverlusten kommt. Bei der Anordnung aus US

5,302, 874, bei welcher es im Gleichgewichtszustand keinen Fluss durch die Spulen geben sollte, stellt sich zusätz- lich das Problem, dass sich der Rotor durch die Zentrifu- galkräfte ausdehnt und die Null-Fluss-Bedingung nicht mehr erfüllt ist, was zu weiteren Energieverlusten führt.

Die bekannten Lager sind deshalb für den industriellen Einsatz nur bedingt geeignet.

Darstellung der Erfindung Es stellt sich daher die Aufgabe, ein passi- ves Magnetlager der eingangs genannten Art bereitzustel- len, das die oben genannten Nachteile zumindest teilweise vermeidet.

Diese Aufgabe wird von Anspruch 1 gelöst, in- dem das passive Magnetlager Magnete und Lagerspulen um- fasst, wobei die Magnete relativ zu den Lagerspulen ent- lang mindestens eines Pfades bewegbar sind und die Lager- spulen aufgrund der von den Magneten erzeugten Magnetfel- der einem oszillierenden magnetischen Fluss ausgesetzt sind und in einem oder mehreren Stromkreisen zusammenge- schaltet sind, wobei für jeden Stromkreis gilt, dass sich bei einer Bewegung der Magnete entlang des Pfades die vom oszillierenden magnetischen Fluss in den Lagerspulen in- duzierten Spannungen zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen aufheben und dadurch kein Strom fliesst und bei einer Ab- weichung der Magnete vom Pfad in Richtung der Polarisie- rungsachse der Magnete sich die in den Lagerspulen indu- zierten Spannungen aufgrund der veränderten Entfernungen von den Magneten und der damit veränderten Stärke des ma- gnetischen Flusses nicht aufheben, so dass ein Strom fliesst und die vom Strom durchflossenen Lagerspulen auf die Magnete eine Rückstellkraft ausüben.

Solange der Rotor des Lagers in der Gleich- gewichtsposition rotiert, gibt es zwar einen magnetischen Fluss durch die einzelnen Lagerspulen, es fliesst jedoch im Wesentlichen kein Strom durch die Lagerspulen. Beim Abweichen von der Gleichgewichtsposition fliesst hingegen

Strom durch die Lagerspulen. Diese Charakteristik wird unter anderem dadurch erreicht, dass die Lagerspulen in einem oder mehreren Stromkreisen zusammengeschaltet sind.

Die erfindungsgemässe Lager hat den Vorteil, einfach herstellbar und damit kostengünstig zu sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwen- dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An- sprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen : Fig. 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemä- ssen passiven Magnetlagers, Fig. 2 die Ströme und Spannungen der in Fig.

1 gezeigten Anordnung, Fig. 3 die Anordnung aus Fig. 1, jedoch bei einer Abweichung der Magnete vom vorgesehenen Pfad, Fig. 4 die Ströme und Spannungen der in Fig.

3 gezeigten Anordnung, Fig. 5 eine Ausführung des erfindungsgemässen Lagers als Achsiallager mit zwei statischen Spulenträgern und einem rotierenden Magnetträger, Fig. 6 eine Ausführung des erfindungsgemässen Lagers als Achsiallager mit zwei rotierenden Spulenträ- gern und einem statischen Magnetträger, Fig. 7 das Schaltschema einer Ausführung des erfindungsgemässen Magnetlagers mit zwei Spulenträgern und acht in Serie geschalteten Spulen, Fig. 8 das Schaltschema einer Ausführung des erfindungsgemässen Magnetlagers mit zwei Spulenträgern und acht paarweise geschalteten Spulen, Fig. 9 eine Ausführung des erfindungsgemässen Lagers als Achsiallager mit drei statischen Spulenträgern und zwei rotierenden Magnetträgern,

Fig. 10 ein bevorzugtes Schaltschema für die in Fig. 9 gezeigte Ausführung des erfindungsgemässen Ma- gnetlagers, Fig. 11 einen Abschnitt eines Spulenträgers einer Ausführung des erfindungsgemässen Magnetlagers, Fig. 12 den Abschnitt eines Spulenträgers aus Fig. 9, jedoch mit zwei daran vorbei bewegten Magneten, Fig. 13 den Rotor eines erfindungsgemässen Magnetlagers, Fig. 14 ein Schnitt durch das erfindungsgemä- sse Magnetlager entlang der Linie XIV-XIV aus Fig. 13, Fig. 15 eine Ausführung des erfindungsgemä- ssen Magnetlagers, Fig. 16 eine Prinzipskizze des erfindungsge- mässen Magnetlagers mit Antrieb, Fig. 17 den Stromverlauf der in Fig. 16 ge- zeigten Anordnung mit positiven Stromimpulsen, Fig. 18 den Stromverlauf der in Fig. 16 ge- zeigten Anordnung mit alternierenden Stromimpulsen, Fig. 19 eine schematische Darstellung der An- ordnung von Lagerspulen und Antriebsspulen beim erfin- dungsgemässen Magnetlager mit Antrieb, Fig. 20 eine Ausführung des erfindungsgemä- ssen Magnetlagers mit einem optischen Sensor.

Weg (e) zur Ausführung der Erfindung Das Prinzip der Erfindung ist anhand von Fig.

1 bis 4 erklärt. Verschiedene auf dem Prinzip basierende Achsiallager sind anhand von Fig. 5 bis 15 beschrieben.

Das erfindungsgemässe passive Magnetlager kann durch ei- nen Antrieb erweitert werden, was anhand von Fig. 16 bis 20 erläutert wird.

Die bei den verschiedenen Ausführungen vor- kommenden Spulen lassen sich nach ihrer Funktion z. B. in Lagerspulen und Antriebsspulen unterteilen. Dort, wo eine solche Spezifizierung nicht erforderlich ist, insbesonde-

re bei den Ausführungen ohne Antrieb, wird der Einfach- heit halber der Begriff"Spule"ohne einen Zusatz wie "Lager-"oder"Antriebs-"verwendet.

Der in diesem Dokument verwendete Begriff Po- larisierungsachse ist wie folgt zu verstehen : Bei Perma- nentmagneten ist die Polarisierungsachse die Gerade durch Süd-und Nordpol. Bei Spulen ist die Polarisierungsachse ebenfalls die Gerade durch den Süd-und Nordpol, unabhän- gig davon, dass sich diese erst bei einem Stromfluss er- geben. Die Polarisierungsachse ist bezüglich einer Ver- tauschung von Süd-und Nordpol invariant.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze des erfin- dungsgemässen passiven Magnetlagers. Es sind zwei Spulen LA, LB und zwei Permanentmagnete 1, 2 gezeigt. Spulenträ- ger und Magnetträger sind nicht gezeigt. Die Permanentma- gnete 1, 2 bewegen sich relativ zu den Spulen LA, Lg auf einem Pfad P. Mit dieser Art der Beschreibung soll nicht der Fall ausgeschlossen werden, dass die Permanentmagnete 1, 2 statisch sind und sich dafür die Spulen LA, LB bewe- gen. Der Pfad P ist relativ zu den Spulen LA, Lg defi- niert und kann damit wie in obigem Fall auch ein bewegtes Bezugssystem haben. Die Mittelpunkte der Permanentmagnete 1, 2 haben einen Abstand Ad voneinander. Entlang dessel- ben Pfades P ist Ad bevorzugt konstant, d. h. die Perma- nentmagnete 1, 2 sind gleichabständig verteilt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt können jedem Permanentmagneten 1, 2 auf dem Pfad P zwei Spulen LA, LB zugeordnet werden. Die Polarisierungsachsen dieser zwei Spulen LA, LB liegen auf derselben Geraden. Die Permanentmagnete 1, 2 haben je- weils einen Nordpol N und einen Südpol S. Ihre Polarisie- rungsachse ist gerade, d. h. nicht gebogen, wie dass zum Beispiel bei Hufeisenmagneten der Fall ist. Die aufeinan- derfolgenden Permanentmagnete 1, 2 sind jeweils im we- sentlichen parallel, jedoch vom Vorzeichen her entgegen- gesetzt zueinander polarisiert. Die Polarisierungsachse von Magnet 1 ist senkrecht zur Ebene des Pfades P und parallel zur Polarisierungsachse der Spulen LA, Lg. Das

Magnetfeld seitlich der bewegten Permanentmagnete 1, 2 oszilliert damit in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Permanentmagnete 1, 2. Durch die Bewegung der Permanent- magnete 1, 2 ändert sich der Fluss durch die seitlich des Pfades P angeordneten Spulen LA und LB. Es entsteht da- durch eine Spannung UA bzw. UB über jeder der Spulen LA und LB. Der Pfad P, auf welchem sich die Permanentmagnete 1, 2 im Gleichgewichtszustand des Lagers bewegen, liegt genau in der Mitte zwischen den Spulen LA, Lg. Dadurch ist der Fluss durch beide Spulen LA, LB gleich gross. Die Spulen LA, LB sind in einem Stromkreis 3 in Serie hinter- einandergeschaltet, und zwar so, dass sie bei einem Stromfluss eine einander entgegengerichtete magnetische Polarisierung aufweisen.

Fig. 2 zeigt den Strom-und Spannungsverlauf der Anordnung aus Fig. 1. Die Werte sind in Abhängigkeit des von den Permanentmagneten 1, 2 zurückgelegten Weges d aufgezeichnet. Die Geschwindigkeit der Permanentmagnete 1, 2 ist beim dargestellten Verlauf konstant. Die Span- nungen UA, UB über den beiden Spulen LA, LB oszillieren.

Der Strom IL durch die in Serie geschalteten Spulen LA, LB ist im Wesentlichen konstant Null, weil sich die Span- nungen UA, UB über den Spulen LA, LB wegen der Symmetrie der Anordnung gegenseitig aufheben.

Fig. 3 zeigt die Anordnung aus Fig. 1, jedoch bei einer Abweichung der Permanentmagnete 1, 2 vom vorge- sehenen Pfad P. Die Abweichung ist in Richtung der Pola- risierungsachse der Permanentmagnete 1, 2. Der Abstand zwischen der Mitte der Permanentmagnete 1, 2 und dem vor- gesehenen Pfad P ist Ax. Die Magneten sind damit nicht mehr in der Mittellage und die Anordnung ist nicht mehr symmetrisch, d. h. die Spule LA ist näher am Permanentma- gnet 1 als die Spule LB. Aufgrund der Inhomogenität des Magnetfeldes ist nun der magnetische Fluss durch die Spu- le LA grösser als der durch die Spule LB. Die Spannungen UA, Ug über den Spulen heben sich nicht mehr auf. Im Stromkreis 3 und damit auch in den Spulen LA, LB fliesst

ein Strom IL. Die Spulen LA, Lg wirken als Elektromagne- te. Es wirkt damit eine Rückstellkraft F auf den Perma- nentmagnet 1. Die Spule LA wirkt anziehend und die Spule Lg abstossend auf den Permanentmagneten 1. Die Rückstell- kraft F wirkt der Abweichung der Permanentmagnete 1, 2 vom vorgesehenen Pfad P entgegen.

Fig. 4 zeigt den Strom-und Spannungsverlauf der Anordnung aus Fig. 3. Die Unterschiede sind überhöht dargestellt um die Funktionsweise zu verdeutlichen. Im Gegensatz zu Fig. 2 sind nun die induzierten Spannungen UA, UB wegen der unterschiedlichen Entfernung zwischen Spulen LA, Lg und Permanentmagnet 1, 2 nicht mehr gleich.

Dadurch fliesst ein Strom IL. Dieser wiederum erzeugt in den Spulen LA, LB ein Magnetfeld, welches dazu führt, dass auf den Permanentmagneten 1 die Rückstellkraft F wirkt. Diese wirkt so lange, bis sich die Permanentmagne- te 1, 2 wieder in der Mittellage, d. h. auf dem vorgesehe- nen Pfad P, bewegen und sich die induzierten Spannungen UA, UB aufheben. IL ist im Wesentlichen ein Wechselstrom.

Die Rückstellkraft F ist daher pulsierend. UA, UB sind im Wesentlichen Wechselspannungen. Der Strom IL ist bezüg- lich der Spannungen UA, UB phasenverschoben. Die Phasen- verschiebung ist abhängig von der Drehzahl des Lagers und den Induktivitäten des Stromkreises. Beim gezeigten Stromverlauf beträgt die Phasenverschiebung ca. 30°. Für die Stabilität des Lagers ist eine Phasenverschiebung von 90° optimal. Das erfindungsgemässe Lager wird daher be- vorzugt so ausgestaltet, dass die Phasenverschiebung bei der vorgesehenen maximalen Drehzahl im Wesentlichen 90° ist. Dies kann, wie auch anhand von Fig. 7 beschrieben, unter anderem dadurch erreicht werden, dass im Stromkreis 3 eine zusätzliche Induktivität zwischengeschaltet wird.

Die Anordnung ist asymptotisch stabil, d. h. die Magneten kehren nach einer Auslenkung automatisch in die Gleichge- wichtsposition zurück.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführung des erfindungsgemässen Lagers als Achsiallager. Das erfin-

dungsgemässe Lager kann jedoch auch als Radiallager oder als Linearlager ausgeführt werden. Das gezeigte Achsial- lager umfasst zwei statische Spulenträger 5 und einen ro- tierenden Magnetträger 4. Auf dem Magnetträger 4 sind Permanentmagnete 2 angeordnet. Die Permanentmagnete 2 sind bezüglich ihrer Mittelpunkte alle in derselben Ebene angeordnet. Solche Ebenen, in welchen mehrere Magnete an- geordnet sind werden im vorliegenden Dokument auch mit dem Begriff"Magnetebene"bezeichnet. Analog werden Ebe- nen in denen mehrere Spulen angeordnet sind"Spulenebene" genannt. Der Magnetträger 4 ist auf einer Welle 8 befe- stigt. Spulen LA, LB sind in zwei Ebenen auf Spulenträ- gern 5 ringförmig angeordnet. Bei der schematischen Dar- stellung von Fig. 5 sind von jedem dieser Ringe jeweils zwei Spulen gezeigt. Die Spulen LA, LB bestehen aus einem isolierten Leiter, welcher mehrfach um einen Träger ge- wickelt ist. Die gezeigte Anordnung hat gegenüber US 5,302, 874 den Vorteil, dass die Symmetrie und damit das Prinzip der Anordnung auch gewährleistet ist, wenn sich der Rotor 1, 2,4 wegen der Zentrifugalkräfte ausdehnt.

Die Spulen L sind dann zwar einem etwas geringerem Ma- gnetfeld ausgesetzt, aber die induzierten Spannungen UA, Ug heben sich weiterhin im Gleichgewichtszustand im We- sentlichen auf. Bei US 5,302, 874 führt die Ausdehnung des Rotors zu einer Störung der Null-Fluss Bedingung und da- mit zu Energieverlusten.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführung des erfindungsgemässen Lagers als Achsiallager mit zwei ro- tierenden Spulenträgern 5 und einem statischen Magnetträ- ger 4. Der Magnetträger 4 ist als Ring ausgestaltet und ist deshalb beim gezeigten Schema an zwei Orten zu sehen.

Bei diesem Beispiel sind die Spulen LA und LB und damit das Bezugssystem des Pfades P bewegt. Die Permanentmagne- te 1, 2 sind statisch, bewegen sich jedoch relativ zum Pfad P und dessen Bezugssystem.

Fig. 7 zeigt das Schaltschema einer Ausfüh- rung des erfindungsgemässen Magnetlagers mit zwei Spulen-

trägern A, B und in Serie geschalteten Spulen LA1 bis LA4 und LB1 bis Lg4. Im vorliegenden Dokument wird auch der Begriff"zwischenschalten"verwendet, womit gemeint ist, dass der Stromkreis an einer Stelle aufgeschnitten wird und anschliessend durch das Einfügen des jeweiligen Zwei- pols wieder geschlossen wird. Die Spulen L des erfin- dungsgemässen Lagers sind reale Spulen. Ihr Widerstand R ist in diesem Schema, wie auch in den folgenden Schemata, nicht gezeigt. Der Buchstabe im Index gibt dabei an, in welcher Spulenebene die Spule angeordnet ist. Die Zahl im Index gibt an, um die wievielte Spule L einer Spulenebene entlang des Pfades P gezählt es sich handelt. Die Spulen L seitlich des Pfades P werden dabei bevorzugt so ausge- staltet, dass sie direkt aufeinander folgen und somit den gesamten Pfad P abdecken. Es ist jedoch auch möglich zwi- schen den Spulen Abstände vorzusehen oder kleinere Spulen zu verwenden. Alle Spulen sind an einem einzigen Strom- kreis 3 mit Strom IL angeschlossen. Der gezeigte Strom- kreis 3 ist direkt, d. h. ohne weitere Komponenten, ge- schlossen. Es ist jedoch auch das Zwischenschalten eines variablen Widerstandes möglich, mittels dessen die Stei- figkeit des Lagers eingestellt werden kann, oder einer Induktivität, mittels derer das Lager für gewisse Dreh- frequenzen optimiert werden kann. Dabei ist die Indukti- vität bevorzugt so zu dimensionieren, dass bei der vorge- sehenen maximalen Drehfrequenz des Lagers die Phasenver- schiebung zwischen Spulenspannungen und Spulenstrom IL im Wesentlichen 90° ist. Bei dieser Phasenverschiebung hat das Lager die grösste Stabilität. Da es sich um ein pas- sives Magnetlager handelt, sind keine aktiven Elemente wie Strom-oder Spannungsquellen vorgesehen. Alle Spulen L haben bevorzugt dieselbe Anzahl Wicklungen, dieselbe Induktivität und denselben Widerstand. Dies hat den Vor- teil, dass die Mittelposition des Rotors bei einer symme- trischen Anordnung der Spulen zugleich die Gleichge- wichtsposition ist. Der Widerstand sollte klein sein. Es ist jedoch kein Supraleiter erforderlich, wodurch die

Vorrichtung sehr kostengünstig wird. Ein typischer Wert für den durchschnittlichen Betrag der Spannung (UA1) über einer Spule (LA1) beim Betrieb des Lagers ist ca. 1.5V.

Bei einer Anordnung mit zwanzig Spulen pro Spulenträger (5) summieren sich die Spannungen über den Spulen (L) ei- nes Spulenträgers (5) auf einen durchschnittlichen Betrag von insgesamt ca. 30V.

Fig. 8 zeigt das Schaltschema einer Ausfüh- rung des erfindungsgemässen Magnetlagers mit acht paar- weise geschalteten Spulen LA1 bis LA4 und Lg1 bis LB4. Es gibt vier voneinander unabhängige Stromkreise 3 mit Strö- men IL1 bis IL4. Die Stromkreise 3 sind geschlossen. Die gezeigte Schaltung hat gegenüber der Schaltung aus Fig. 7 den Vorteil, dass ein derart geschaltetes Lager nicht nur einer achsialen Verschiebung sondern auch einer Kippbewe- gung des Rotors entgegengewirkt.

Fig. 9 zeigt schematisch eine Ausführung des erfindungsgemässen Lagers als Achsiallager mit drei sta- tischen Spulenträgern 5 und zwei rotierenden Magnetträ- gern 4. Der erste Spulenträger 5 trägt die Spulen LA, der zweite die Spulen LB und LC und der dritte die Spulen LD.

In dieser Ausführung gibt es zwei kreisförmige Pfade P, auf denen sich Permanentmagnete 1 bewegen. Die Kreise ha- ben denselben Durchmesser und sind koaxial, d. h. eine Ge- rade durch die Mittelpunkte der Kreise ist senkrecht zu jeder der Kreisebenen. Alternativ kann die Erfindung auch mit konzentrischen Kreisen mit unterschiedlichem Durch- messer ausgeführt werden, d. h. mit einem äusseren und ei- nem inneren Magnet-bzw. Spulenring in derselben Ebene.

Die Stabilität und Steifigkeit des Lagers wird durch zu- sätzliche Pfade P bzw. zusätzliche Magnetträger 4 gegen- über der Anordnung mit nur einem Pfad P bzw. mit nur ei- nem Magnetträger 4 verbessert.

Fig. 10 zeigt ein bevorzugtes Schaltschema für die in Fig. 9 gezeigte Ausführung des erfindungsgemä- ssen Magnetlagers. Die sechzehn Spulen LA1 bis LA4, LB1 bis LB4, Lei bis LC4 und LD1 bis LD4 sind in Serie geschal-

tet. Es gibt nur einen Stromkreis 3 mit Strom IL. Der Stromkreis 3 ist geschlossen.

Fig. 11 zeigt einen Abschnitt eines Spulen- trägers 5 einer Ausführung des erfindungsgemässen Magnet- lagers mit einer Zusammenschaltung der Spulen LA dessel- ben Spulenträgers, wie z. B. im Schaltschema aus Fig. 7 oder Fig. 10 dargestellt. Aufeinanderfolgende Spulen, z. B. LA1 und LA2, sind so zusammengeschaltet, dass sie bei einem Strom IL parallele, jedoch vom Vorzeichen her entgegengerichtete Magnetfelder B erzeugen. Auf dem Spu- lenträger 5 sind insgesamt achtzehn Spulen vorgesehen (nur zwei sind gezeigt). Die Spulen (L) sind auf einem Kreis gleichabständig verteilt. Damit ergibt sich für den Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Spulen jeweils ein Kreisbogen von 20°.

Fig. 12 zeigt den Spulenträger aus Fig. 11, jedoch mit den daran auf dem Pfad P vorbeibewegten Perma- nentmagneten 1, 2. Die Mittelpunkte der Permanentmagnete 1, 2 haben einen Abstand Ad voneinander. Die Mittelpunkte der Spulen LA1, LA2 haben ebenfalls den Abstand Ad von- einander. Beim gezeigten Zustand ist der Fluss durch die Spulen LA, Lg maximal. Werden die Permanentmagnete um ih- ren halben Abstand, d. h. um die Länge Ad/2, vorwärtsbe- wegt, so ist der Fluss durch die Spulen LA1, LA2 Null.

Nach einer Bewegung um die Länge Ad ist der Fluss wieder maximal, jedoch hat er ein anderes Vorzeichen.

Fig. 13 zeigt den Magnetträger 4 einer Aus- führung des erfindungsgemässen Magnetlagers in einer Sei- tenansicht. Der Magnetträger weist achtzehn Permanentma- gnete 1, 2 auf. Alle Permanentmagnete 1, 2 haben den gleichen Abstand von der Welle 8 des Rotors 1, 2,4, 8.

Der Abstand zwischen Magnetmittelpunkt und Rotationsachse ist jeweils r. Die Permanentmagnete 1, 2 sind alternie- rend mit dem Südpol S oder dem Nordpol N zum Betrachter hin angeordnet. Die Anzahl der Permanentmagnete 1, 2 muss deshalb gerade sein. In der bevorzugten Ausführungsform entspricht die Anzahl der Permanentmagnete 1, 2 der An-

zahl Paare von Spulen L. Dadurch werden die von den Per- manentmagneten 1, 2 erzeugten Felder optimal genutzt und es gibt wenig Streuverluste.

Fig. 14 zeigt einen Schnitt durch das Magnet- lager aus Fig. 13 entlang der Linie XIV-XIV. Im Gegensatz zu Fig. 13 ist jedoch das ganze Lager gezeigt und nicht nur der Magnetträger 4. Der Magnetträger 4 ist als Rotor ausgestaltet und ist mit einer Welle 8 verbunden. Die Spulenträger 5 sind als Stator ausgestaltet. Die Spulen- träger 5 sind zudem mit einem Weicheisenring 7 verbunden, welche insbesondere induzierte Hystereseverluste, z. B. im Gehäuse, reduziert und das Feld im Inneren des Lagers verstärkt. Es wird so der Nutzfluss erhöht und der Streufluss begrenzt. Die Permanentmagnete 1, 2 sind zwei- geteilt und durch eine nicht magnetische Wand 6 getrennt.

Eine derartige Anordnung vereinfacht die Montage der Per- manentmagnete 1, 2, weil diese so durch ihre gegenseitige Anziehungskraft auf dem Magnetträger 4 gehalten sind. Der Magnetträger 4 weist Vertiefungen in Form der Permanent- magnete auf. Die Magnete können dadurch seitlich nicht verrutschen. Weil sich die beiden Magnetteile anziehen und sich somit gegenseitig auf den Magnetträger 4 pres- sen, sind keine weiteren Befestigungsmittel erforderlich.

Fig. 15 zeigt eine Ausführung des erfindungs- gemässen Magnetlagers. Die Anordnung ist zur besseren Einsicht achsial gestreckt. Achtzehn Permanentmagnete 1, 2 sind auf einem nicht gezeigten Magnetträger angeordnet.

Bei einer Rotation des Rotors 1, 2,8 bewegen sich die Permanentmagnete an achtzehn Paaren von Spulen L vorbei.

Diese sind auf zwei statischen Spulenträgern 5 beidseits der Magnete 1, 2 angeordnet. Um Streuverluste der Spulen L zu reduzieren sind zwei Weicheisenringe 7 vorgesehen.

Die Permanentmagnete sind quaderförmig. Es sind jedoch auch andere Formen möglich, z. B. die eines Prismas.

Fig. 16 zeigt eine Prinzipskizze des erfin- dungsgemässen Magnetlagers mit Antrieb. Es sind zwei La- gerspulen LA, LB, zwei Antriebsspulen Lx, Ly und ein Ma-

gnet 1 gezeigt. Die Prinzipskizze entspricht im Wesentli- chen der von Fig. 1, nur dass nun zusätzlich Antriebsele- mente vorgesehen sind. Das erfindungsgemässe Magnetlager mit Antrieb ist im Wesentlichen ein erfindungsgemässes passives Magnetlager, in welches ein Antrieb integriert wurde. Die Magnete 1 werden dabei sowohl für die Lage- rung, als auch für den Antrieb verwendet. Die Magnete 1 bewegen sich auf einem Pfad P. Beidseits von Pfad P sind Lagerspulen LA, LB angeordnet, über welche auf die Magne- te 1 bei einem Abweichen vom Sollpfad Rückstellkräfte ausgeübt werden. Ebenfalls beidseits von Pfad P sind An- triebsspulen LX, Ly angeordnet. Mittels dieser sind auf die Magnete 1 Antriebskräfte oder Bremskräfte ausübbar.

Bevorzugt sind die Lagerspulen LA, LB direkt beim Pfad P und die Antriebsspulen Lx, Ly vom Pfad P her gesehen un- mittelbar hinter den Lagerspulen LA, LB angeordnet. Es ist jedoch auch möglich die Spulen anders anzuordnen, z. B. die Antriebsspulen Lx, Ly vor den Lagerspulen LA, LB oder zweigeteilt vor und hinter den Lagerspulen LA, LB.

Sowohl die Lagerspulen als auch die Antriebsspulen müssen im Bereich der Magnetfelder der Magnete 1, 2 angeordnet sein. Die Antriebsspulen Lx, Ly sind, wie weiter unten anhand von Fig. 19 noch ausführlicher beschrieben wird, relativ zu den Lagerspulen LA, LB in Pfadrichtung um eine halbe Spulenbreite versetzt angeordnet. Sowohl die Lager- spulen LA, Lg als auch die Antriebsspulen Lx, Ly sind je- weils in einem Stromkreis 3 bzw. 11 in Serie hintereinan- dergeschaltet. Die Lagerspulen LA, LB sind so geschaltet, dass sie bei einem Stromfluss eine einander entgegenge- richtete magnetische Polarisierung aufweisen. An- triebsspulen LX, Ly sind hingegen so geschaltet, dass sie bei einem Stromfluss eine gleich gerichtete magnetische Polarisierung aufweisen. Ohne an der Funktionsweise der Anordnung etwas zu ändern kann auch auf eine der beiden Antriebsspulen LX, Ly verzichtet werden. Bevorzugt sind jedoch die Antriebsspulen Lx, Ly paarweise angeordnet, wobei die Polarisierungsachsen der beiden Spulen eines

Paars auf derselben Gerade liegen. Im Stromkreis 11 der Antriebsspulen LX, Ly ist für die Energiezufuhr ein Strompulsgenerator 13 zwischengeschaltet. Basierend auf dem oben beschriebenen Prinzip kann das erfindungsgemässe Lager mit Antrieb als Radial, Achsial-oder Linearlager ausgestaltet werden.

Fig. 17 zeigt den Stromverlauf der in Fig. 16 gezeigten Anordnung. Mit einem Strompulsgenerator werden zur Speisung der Antriebsspulen bzw. zum Antrieb des La- gerrotors periodisch positive Stromimpulse erzeugt. Die Strompulse sind insbesondere einem Strom überlagert, wel- cher von der durch die Lagerrotation in den Antriebsspu- len induzierten Spannung und der Nichtidealität der Stromquelle herrührt, und zwar jeweils nach der positiven Sinusflanke diese Stromes.

Fig. 18 zeigt den Stromverlauf der in Fig. 16 gezeigten Anordnung. Der Verlauf entspricht im Wesentli- chen dem von Fig. 17, nur dass nicht nur positive, son- dern alternierend positive und negative Strompulse er- zeugt werden, was unter anderem eine grössere Antriebs- leistung ermöglicht. Insbesondere können ausgehend vom gezeigten Signal auch Strompulse ausgelassen werden. Die Leistungszufuhr kann so gesteuert werden. Für ein Reduk- tion der Leistungszufuhr wird z. B. nur jeder zweite oder jeder zehnte Strompuls des in Fig. 18 gezeigten Signals erzeugt.

Fig. 19 ist eine schematische, teilweise Dar- stellung der Anordnung der Lagerspulen und Antriebsspulen bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Magnetlagers mit Antrieb. In diesem Ausführungsbeispiel sind auf beiden Seiten der Magnete jeweils in einem Ring angeordnet sechzehn Lagerspulen und sechzehn Antriebsspu- len vorgesehen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind statt sechzehn jeweils vierundzwanzig Spulen vorge- sehen. Der in der Figur gezeigte Abschnitt umfasst in et- wa drei Lagerspulen LA1, LA2, LA3 und drei Antriebsspulen LX1, Lx2, LX3. Aufeinanderfolgende bzw. benachbarte An-

triebsspulen LXl/LX2 sind so geschaltet, dass sie bei einem Stromfluss eine im Wesentlichen parallele, jedoch bezüglich des Vorzeichens entgegengesetzte Polarisierung haben. Die Antriebsspulen LX1 bis Lux16 und Ly1 bis Ly16 können, ähnlich wie anhand von Fig. 7 und 8 für die La- gerspulen gezeigt, in bevorzugt einem aber auch mehreren Stromkreisen zusammengeschlossen sein, wobei dann insbe- sondere für jeden Stromkreis eine separate Stromquelle vorgesehen wird. Die Antriebsspulen werden bevorzugt in Serie geschaltet, können aber auch parallel geschaltet werden. Im Prinzip kann auch jede Antriebsspule individu- ell an einer eigenen Stromquelle angeschlossen werden, wobei dann gegebenenfalls das Erfordernis einer bei be- nachbarten Spulen von Spule zu Spule alternierenden Pola- risierung und einer für einander gegenüberliegende Spulen synchronen Polarisierung durch eine geeignete Steuerung der Stromquellen erfüllt werden muss. Die Antriebsspulen LX1 Lx2, Lx3 sind, relativ zu den Lagerspulen LA1, LA2, LA3 um eine halbe Spulenbreite versetzt angeordnet. Dies entspricht, was die Spulenströme, Spulenspannungen und Felder der Magnete betrifft, einer Phasenverschiebung von 90 Grad. Diese versetzte Anordnung hat den Vorteil, dass sich der von zwei benachbarten und damit unterschiedlich polarisierten Antriebsspulen LX1, LX2 erzeugte Fluss durch eine Lagerspulen LA1 überlagert und im Wesentlichen aufhebt. Dadurch können Wechselwirkungen zwischen der La- gerfunktion und der Antriebsfunktion reduziert werden, was unter anderem die Simulation und damit die Optimie- rung und Steuerung des erfindungsgemässen Magnetlagers mit Antrieb vereinfacht.

Fig. 20 zeigt eine Ausführung des erfindungs- gemässen Magnetlagers mit Antrieb als Achsiallager. Die Magnete sind auf einem Rotor 15 angeordnet. Die Polari- sierungsachsen der Antriebsspulen sind achsial ausgerich- tet. Die Antriebsspulen sind in zwei Antriebsspulenebenen beidseits des Rotors angeordnet. In einer vereinfachten Ausführung wird auf eine der beiden Antriebsspulenebenen

verzichtet. Die Antriebsspulen sind, ähnlich wie die La- gerspulen, auf mit der Lagerachse koaxialen Kreisen gleichabständig verteilt. Wie oben bereits erwähnt werden die Antriebsspulen des Lagers mit Strompulsen gespeist.

Diese Strompulse können in einem festen Takt und/oder in Abhängigkeit von der Position bzw. Bewegung des Lagerro- tors 15 generiert werden. Die Position bzw. Bewegung des Lagerrotors 15 kann z. B. basierend auf den in den An- triebsspulen induzierten Spannungen oder mit einem Hall- sensor ermittelt werden. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Position bzw. Bewegung des Lager- rotors 15 mit einem optischen Sensor 12 ermittelt. Dieser ist dazu ausgestaltet Markierungen 16 auf dem Rotor 15 des Lagers zu detektieren. Das Ausgangssignal des opti- schen Sensors 12 wird zur Steuerung des Strompulsgenera- tors 13 benutzt. Bevorzugt sind die Markierungen, z. B. als in einem geeigneten Abstand alternierende Hell- Dunkel-Abschnitte, derart gestaltet, dass das Ausgangs- signal des optischen Sensors 12 bezüglich seines zeitli- chen Verlaufes direkt, d. h. alleine durch eine geeignete Verstärkung bzw. Diskretisierung, zur Steuerung einer Stromquelle im Strompulsgenerator 13 benutzt werden kann.

Bei den in den Figuren beschriebenen Ausfüh- rungsformen der Erfindung werden als Magnete Permanentma- gnete verwendet. Dies hat den Vorteil, dass das Lager keine fortwährende Energiezufuhr erfordert. Die Perma- nentmagnete könnten jedoch z. B. auch durch Elektromagnete ersetzt werden, welche u. a. eine Steuerung der Steifig- keit des Lagers zuliessen.

Das erfindungsgemässe Lager ist asymptotisch stabil. Es rotiert deshalb nicht nur in einer Gleichge- wichtsposition, sondern es kehrt bei Auslenkungen auch von alleine wieder in dieselbe Gleichgewichtsposition zu- rück.

Das erfindungsgemässe Lager ist dynamisch stabil, d. h. die Stabilität ist erst ab einer bestimmten Drehzahl gewährleistet. Für die Übergangsphase zwischen

dem Ruhezustand und der minimalen für die Stabilität er- forderlichen Drehzahl sind temporäre mechanische Lagerun- gen vorgesehen. Das erfindungsgemässe Lager ist in der bevorzugten Ausführungsform für Geschwindigkeiten von über 25'000 Umdrehungen pro Minute optimiert.

Die anhand der Figuren beschriebenen Achsial- lager sind radial instabil. Die Instabilität ist jedoch gering, so dass die Achsiallager in Kombination mit Ra- diallagern für vollständig berührungslose Lagerung von Schwungrädern in Energiespeichern verwendet werden kön- nen. Derartige Energiespeicher eignen sich z. B. für Elek- trofahrzeuge. Die Lebensdauer derartiger vollständig be- rührungsfreier Schwungräder ist nahezu unbegrenzt.

Eine bevorzugte Ausführung eines solchen Energiespeichers mit berührungslos gelagertem Schwungrad weist ein erfindungsgemässes passives dynamisch stabili- sierendes achsiales Magnetlager und mindestens ein, be- vorzugt zwei passive radiale Magnetlager auf. Die passi- ven radialen Magnetlager basieren im Wesentlichen nur auf Permanentmagneten, d. h. nicht auf Spulen, und sind daher im Gegensatz zur achsialen Lagerung nicht nur dynamisch, sondern auch bei stillstehendem Rotor stabilisierend.

Während in der vorliegenden Anmeldung bevor- zugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.