AT513498B1 - Vorrichtung und Verfahren zur magnetischen Axiallagerung eines Rotors - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (40) zur magnetischen Axiallagerung eines eine mit ihm verbundene Axiallagerplatte (32) aufweisenden Rotors in einem Axialmagnetlager (54) mit zumindest zwei unabhängig ansteuerbaren Lagerzweigen (3, 4, 41), welche jeweils zumindest eine Spule (5, 42) aufweisen, wobei eine magnetische Flusstrennung der Lagerzweige (3, 4, 41) vorgesehen ist. Erfindungsgemäß besteht die Flusstrennung darin, dass zumindest zwei der Lagerzweige (3, 4) in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind und einen einzigen gemeinsamen Pol (9) aufweisen, welcher einen kreisförmig geschlossenen Umfang aufweist, und der mit dem Mittelpunkt konzentrisch zur Drehachse (35) des Rotors angeordnet ist, wobei die Spulen (5) mit dem gemeinsamen Pol (9) verbundene Polsegmente (11) umgeben und der gemeinsame Pol (9) entweder radial innenseitig oder radial außenseitig der Polsegmente (11) angeordnet ist.

Description

&*en«icMscäse pitefitSKfit AT513 498B1 2014-05-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur magnetischen Axiallagerung eines, eine mit ihm verbundene Axiallagerplatte aufweisenden Rotors in einem Axialmagnetlager mit zumindest zwei unabhängig ansteuerbaren Lagerzweigen, welche jeweils zumindest eine Spule aufweisen, wobei eine magnetische Flusstrennung der Lagerzweige vorgesehen ist.

[0002] Die berührungsfreie Lagerung von Rotoren mittels Magnetlagern weist gegenüber konventionellen Wälzkörper- oder Gleitlagern mehrere Vorteile auf. Aufgrund der Berührungsfreiheit sind die im Betrieb auftretenden Verluste selbst bei Drehzahlen über 100.000 U/min vergleichsweise gering. Die Drehzahlgrenze konventioneller Lager, bei einem gegebenen Wellendurchmesser, liegt wesentlich unterhalb der von Magnetlagern, die nur durch die Festigkeit der rotierenden Teile limitiert ist. Die Berührungsfreiheit ermöglicht den Einsatz von Magnetlagern auch bei Vakuumanwendungen.

[0003] In der US 5 969 451 A ist ein Magnetlager mit mehreren Spulen gezeigt, wobei die am Stator angeordneten Statorausleger mehr als eine Spule aufweisen können. Beispielsweise sind zwei Spulen in einem ringförmigen Kern mit E-förmigem Profil angeordnet, so dass der mittlere Teil des Kerns zugleich der Innenpol der äußeren Spule und der Außenpol der inneren Spule ist. Nachteilig bei diesem und ähnlichen Magnetlagern ist der nicht monotone Kraftverlauf bei ungleichförmiger Bestromung sowie der erforderliche Durchmesser der Axiallagerplatten und die dadurch aufgrund der begrenzten mechanischen Festigkeit erzielte relativ niedrige Maximaldrehzahl. Bei den in der US 5 969 451 A gezeigten, sowie grundsätzlich ähnlich aufgebauten Lagern ist außerdem mit einem erheblichen Montageaufwand beim Ein- und Ausbau zu rechnen.

[0004] Die WO 2012/135586 A2 beschreibt ein Axialmagnetlager, wobei zur Reduktion von Wirbelströmen sowohl der Stator als auch der Rotor aus Schichten bzw. Lamellen von weichmagnetischem Material zusammengesetzt sind. Auf einer Seite des Stators ist eine kreisförmige Anordnung mehrerer nierenförmiger Fugen vorgesehen, in denen Spulen angebracht sind. Auch wenn mit diesem Aufbau eine Reduktion von Wirbelströmen erzielt wird, bleiben die Abmessungen der Axiallagerplatte im Wesentlichen unverändert. Ein weiterer Nachteil der hier gezeigten Spulenanordnung ist, dass in Umfangsrichtung zwischen den Spulen ein gegenüber dem Inneren der Spulen umgekehrtes Magnetfeld erzeugt wird. Die rotierende Axiallagerplatte ist somit einem Magnetfeld mit wechselndem Vorzeichen ausgesetzt, was Wirbelströme induziert, und somit eine Bremswirkung auf den Rotor ausübt. Die Maximaldrehzahl ist aufgrund der wesentlich geringeren Festigkeit des geblecht aufgebauten Rotors gegenüber Ausführungen aus Vollmaterial weiter reduziert.

[0005] Die DE 32 40 809 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Lagerung eines ringförmigen Rotors zwischen zwei Magnetlagern mit jeweils vier Lagerzweigen. Die Lagerzweige sind durch u-förmige Statorringsegmente gebildet, welche mit Segment-Wicklungen versehen sind.

[0006] Die CH 646 547 A5 beschreibt eine Röntgenröhre mit einer Drehanode, wobei ein mit der Drehanode verbundener Läufer in drei um 120° versetzten C-förmigen Magnetjochen entsprechender Elektromagnete magnetisch gelagert ist.

[0007] In der JPS 57-73 223 A ist ein Magnetlager mit in Umfangsrichtung segmentierten Lagerzweigen gezeigt, wobei die beiden Pole der Lagerzweige durch geschlossene Ringscheiben zusammengeschlossen sind, so dass beide Pole des Lagers geschlossene, kreisringförmige Polflächen aufweisen.

[0008] Die US 3,790,235 A offenbart ein Magnetlager mit mehreren, außen auf einem Trägerring angeordneten, getrennt steuerbaren Elektromagneten. Dabei ist der Rotor nur an dem gemeinsamen Pol gelagert und die magnetischen Flusslinien sind nicht über einen Magnetkern geschlossen.

[0009] Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist es Aufgabe der 1/35 (»tirreiäBsdits pateiitaisi AT513 498B1 2014-05-15

Erfindung, bei zumindest vergleichbarer Zuverlässigkeit und Sicherheit eine höhere Maximaldrehzahl zu erzielen, was insbesondere für Schwungrad-Energiespeicher (Fly-wheel Energy Storage System, FESS) von Vorteil wäre. Außerdem soll eine hohe Energieeffizienz und eine einfach Montage bzw. Demontage der Vorrichtung mit höchster Maßhaltigkeit und Stabilität erreicht werden.

[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Flusstrennung darin besteht, dass zumindest zwei der Lagerzweige in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind und einen einzigen gemeinsamen Pol aufweisen, welcher einen kreisförmig geschlossenen Umfang aufweist, und der mit dem Mittelpunkt konzentrisch zur Drehachse des Rotors angeordnet ist, wobei die Spulen mit dem gemeinsamen Pol verbundene Polsegmente umgeben (wobei nicht Segmente im geometrischen Sinn gemeint sind, sondern generell Abschnitte bzw. Teile des zusammengesetzten Jochs) und der gemeinsame Pol entweder radial innenseitig oder radial außenseitig der Polsegmente angeordnet ist. Vereinfacht gesagt wird die Flusstrennung über eine azimutale Trennung der Lagerzweige erzielt.

[0011] Da der einzige gemeinsame Pol bei der azimutalen Trennung der Lagerzweige nur auf einer Seite der Spulenanordnung und nicht auf beiden Seiten angeordnet ist, wird der magnetische Fluss auf einer besonders kleinen Fläche konzentriert. Dies gilt insbesondere bei einem radial innerhalb der Polsegmente angeordneten gemeinsamen Pol. Sowohl bei einer radial innenseitigen als auch bei einer radial außenseitigen Anordnung des gemeinsamen Pols kann eine Axiallagerplatte mit geringen radialen Abmessungen eingesetzt werden. Dies ist vorteilhaft, um eine gegenüber dem Stand der Technik verringerte mechanische Belastung der Axiallagerplatte und somit eine höhere Maximaldrehzahl zu erzielen. Aufgrund der Anordnung gemäß einer Unterteilung in Umfangsrichtung anstelle einer radialen Unterteilung kann das Magnetlager kompakt sein, ohne auf die durch mehrere Spulen erzielte Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit zu verzichten. Dabei sind die Spulen nicht ineinander angeordnet, aber weiterhin mit nur einem gemeinsamen Pol verbunden, so dass entlang dieses gemeinsamen Pols ein azimutal, d.h. in Umfangsrichtung, weitgehend homogenes Magnetfeld erzeugt wird. Dadurch werden außerdem Ummagnetisierungsverluste in der Axiallagerplatte minimiert. Indem die Spulen mit dem gemeinsamen Pol verbundene Polsegmente umgeben, werden Streuflüsse reduziert bzw. vermieden und die magnetischen Flusslinien im gemeinsamen Pol konzentriert.

[0012] Die Polsegmente bilden somit die Spulenkerne, wobei die Spulen im besten Fall direkt an den Polsegmenten anliegen bzw. um diese gewickelt sind, so dass der gesamte von den Spulen erzeugte magnetische Fluss durch die Polsegmente verläuft. Da die Polsegmente mit dem gemeinsamen Pol verbunden sind, kann der größte Teil des magnetischen Flusses durch den einzigen gemeinsamen Pol gelenkt werden.

[0013] Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Flusstrennung bei koaxial teilweise ineinander bzw. überlappend angeordneten Lagerzweigen mithilfe einer Teilung bzw. Trennung der Axiallagerplatte erzielt werden. Dadurch können Streuflüsse und Wechselwirkungen zwischen den Lagerzweigen, insbesondere zwischen den getrennt angesteuerten Elektromagneten, über die Axiallagerplatte, welche zu nicht monotonen Kraftverläufen bei unterschiedlichen Bestromungen führen könnten, reduziert oder vermieden werden. Das vereinfacht die Regelung der Spulenansteuerungen und trägt zur Energieeffizienz des Magnetlagers bei. Hierbei ist eine (auch) axiale Trennung besonders vorteilhaft, da die Plattenteile in diesem Fall jeweils direkt mit einer Welle des Rotors verbunden sein können. Außerdem können die Durchmesser der Plattenteile kleiner sein als bei einer rein radialen Trennung.

[0014] Um eine besonders vorteilhafte azimutale Homogenität des Magnetfelds zu erzielen, ist es günstig, wenn der gemeinsame Pol eine einzige, durchgehende kreisförmige oder kreisringförmige Polfläche aufweist und die Spulen im Wesentlichen mit der Polfläche konzentrische Kreisbögen beschreiben. Die Polfläche ist dabei jene Fläche des Pols, welche einer Axiallagerplatte zugewandt und von der Axiallagerplatte nur durch einen Spalt, vorzugsweise konstanter Breite, getrennt ist. Bevorzugt sind die Spulen so ausgelegt, dass die Spulen in Umfangsrichtung im Wesentlichen unmittelbar aufeinander folgen, d.h. im Wesentlichen einen durchgehen- 2/35

foterreichisches pSfSfitSKRt AT513 498B1 2014-05-15 den Kreis bilden und annähernd den gesamten Winkelbereich von 360° abdecken.

[0015] Außerdem ist es günstig, wenn die Polsegmente im Wesentlichen mit der Polfläche des gemeinsamen Pols konzentrische, kreisbogenförmige Polflächen aufweisen. Dadurch kann eine annähernd homogene Verteilung der von den Polsegmenten ausgehenden Flusslinien über den gesamten Winkelbereich erzielt werden.

[0016] Die azimutale Homogenität des Magnetfelds kann weiter verbessert und die Abmessungen des Axialmagnetlagers können weiter verringert werden, wenn die Polflächen der Polsegmente in Umfangsrichtung im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließen. Die somit in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinander folgenden Polflächen ermöglichen eine Gleichverteilung des magnetischen Felds und verhindern, dass zwischen den Polsegmenten Lücken mit geringerem oder gar effektiv umgekehrt gepoltem Strom Wirbelströme in der Axiallagerplatte induzieren und letztlich eine Bremswirkung ausüben.

[0017] Eine besonders geringe erforderliche Axiallagerplattenfläche lässt sich erzielen, wenn der Abstand zwischen einem inneren Pol bzw. Polsegment und einem äußeren Polsegment bzw. Pol mit zunehmendem Abstand zur Axiallagerplatte größer wird. Dadurch wird einerseits der Bildung von Streuflüssen entgegengewirkt und andererseits der zur Verfügung stehende Bauraum für die Spule(n) vergrößert.

[0018] Eine zusätzliche Reduktion der erforderlichen Axiallagerplattenfläche lässt sich durch einen in Richtung der Axiallagerplatte hin abnehmenden Abstand zwischen Innen- und Außenkontur zumindest eines Pols oder Polsegments, womit sowohl ringförmige Pole bzw. Polringe wie auch Polsegmente gemeint sind, erreichen. Dadurch kann die Flussdichte im Bereich der Polflächen erhöht und somit eine bessere Materialausnutzung hinsichtlich Flussverteilung erzielt werden. Die daraus resultierende mögliche Reduktion Flussdichte führt zu einer Reduktion der Ummagnetisierungsverluste.

[0019] Um auch bei einem Abstand zwischen den Polsegmenten ein in Umfangsrichtung möglichst homogenes Magnetfeld zu erzeugen und Feldgradienten in Umfangsrichtung zu vermeiden, ist es günstig, wenn die Polsegmente unterhalb der Spule, insbesondere in einem Bereich zwischen Spule und Polfläche, in Umfangsrichtung einen Vorsprung aufweisen, wobei die Länge des Vorsprungs etwa dem Abstand zwischen den Endflächen der Polsegmente entspricht, so dass hinsichtlich geringer Flussgradienten in der rotierenden Axiallagerplatte keine oder nur eine minimale Lücke zwischen den Polflächen entsteht, bzw. hinsichtlich bestmöglicher Trennung der Flüsse der Magnetzweige ein möglichst großer Abstand sinnvoll ist, wobei ein Kompromiss zwischen der erzielten Flusstrennung und der Vermeidung von Ummagnetisierungsverlusten gewählt wird.

[0020] Die Vorteile der bisher beschriebenen Ausbildungen lassen sich besonders effektiv nutzen, wenn die Fläche der Axiallagerplatte in einer Ebene senkrecht zur Drehachse kleiner ist als die Summe der Flächen der Spulen und Pole und Polsegmente in einer Ebene senkrecht zur Drehachse. Aufgrund der verhältnismäßig kleinen Axiallagerplatte können gegenüber größeren Axiallagerplatten des gleichen Materials höhere Maximaldrehzahlen verwendet werden, da die mechanische Belastung der kleineren Axiallagerplatte bei gleichem Werkstoff (d.h. gleicher Dichte und Festigkeit) und gleicher Drehzahl geringer ist.

[0021] U m ein Kräftegleichgewicht bezüglich der Drehachse selbst bei ungleichmäßiger Bestromung der unabhängigen Spulenzweige zu erzielen und etwaige senkrecht zur Drehachse ausgerichtete Drehmomente zu vermeiden ist eine gerade Anzahl von symmetrisch zur Drehachse angeordneten, bezüglich der Drehachse gegenüberliegenden Anordnung von jeweils gemeinsam angesteuerten Spulen vorteilhaft. Mit Symmetrie ist in diesem Zusammenhang eine einfache oder mehrfache Spiegelsymmetrie gemeint. Es sind aber auch n-zählige Drehsymmetrien gemeint, wobei n einen beliebigen ganzzahligen Wert größer zwei annehmen kann (n>2). Hierbei können im allgemeinen ein oder zwei Spulen einer Spule gegenüberliegen, so dass bei Ausfall einer Spule entweder eine Spule deaktiviert werden kann oder zwei Spulen mit geringerem Strom gespeist werden können. 3/35

ostemsc&scises AT513 498 B1 2014-05-15 [0022] In Zusammenhang mit der Unterteilung der Axiallagerplatte kann die Zuverlässigkeit des Magnetlagers weiter erhöht werden, wenn das Axialmagnetlager eine zusätzliche, im Wesentlichen kreisringförmige Spule aufweist, welche mit einem anderen Teil der Axiallagerplatte als die in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Spulen wechselwirkt. Es hat sich dabei als besonders günstig herausgestellt, wenn die kreisringförmige Spule einen vollflächigen Innenpol aufweist, wobei der dem Innenpol gegenüberliegende Teil der Axiallagerplatte eine vollflächige Scheibe bildet, welche am Ende des Rotors angeordnet ist. Bei dieser Anordnung kann bei vorgegebener Fläche bzw. vorgegebener magnetischer Flussdichte der Durchmesser des Axiallagerplattenteils gering gehalten werden.

[0023] Die Energieeffizienz des Axialmagnetlagers ist besonders vorteilhaft, wenn das Axialmagnetlager zumindest einen Permanentmagnet, bevorzugt zumindest einen Hybridmagnet mit einem Permanentmagnet und einem Elektromagnet, aufweist. Insbesondere kann der Permanentmagnet so dimensioniert sein, dass die erwarteten durchschnittlichen Lagerkräfte von dem Permanentmagnet aufgebracht und die Spulen lediglich zur Stabilisierung bzw. für Korrekturen eingesetzt werden.

[0024] Wenn zumindest eine der Spulen in Axialrichtung eine größere Abmessung aufweist als in Radialrichtung, kann das Axialmagnetlager besonders in radialer Richtung kompakt sein und die Gesamtlänge der Spule kann zur Reduktion von elektrischen Verlusten verkleinert werden.

[0025] Um eine besonders gute Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums zu erreichen, kann zumindest eine der Spulen einen zur Axiallagerplatte hin konvergierenden Querschnitt und/oder abnehmenden Radius aufweist. Dies ist insbesondere in Verbindung mit zu einer Polfläche hin konvergierenden bzw. im Radius abnehmenden Polschuhen vorteilhaft, da somit Freiräume und darin entstehende Streuflüsse reduziert werden können und die maximale Rotordrehzahl aufgrund des möglichen geringeren Plattendurchmessers steigt.

[0026] Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Axialmagnetlagers und zur Sicherstellung der Lagerfunktionalität trotz eines etwaigen Ausfalls eines Lagerzweigs kann vorgesehen sein, dass das Axialmagnetlager zumindest zwei Positionssensoren aufweist, welche jeweils unterschiedlichen Lagerzweigen zugeordnet sind. Die Positionssensoren können beispielsweise Wirbelstromsensoren sein.

[0027] Die Spulen können insbesondere durch entkoppelte Regelsysteme angesteuert werden und bei Ausfall einer Spule können die verbleibenden Spulen die Lagerung und Stabilisierung des Rotors übernehmen. Bevorzugt können somit - mit Ausnahme des Rotors -vollständig getrennt arbeitende Regelungskreise zur Ansteuerung der Spulen vorgesehen sein, so dass bei Ausfällen eines Elements, beispielsweise einer Spule, eines Positionssensors oder einer Regelungselektronik, nur der jeweiligen Regelkreis betroffen ist und das Lager von dem verbleibenden Regelkreis weiterhin stabilisiert werden kann.

[0028] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen dabei im Einzelnen: [0029] Fig. 1 eine Vorrichtung mit einem Axialmagnetlager mit zwei halbkreisförmigen Spulen in einer Schnittansicht quer zu einer Drehachse; [0030] Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht des Axialmagnetlagers gemäß Fig. 1; [0031] Fig. 3 schematisch einen radialen Schnitt einer Spule eines Axialmagnetlagers gemäß

Fig. 2 mit einer Axiallagerplatte und einem möglichen Verlauf der magnetischen Feldlinien; [0032] Fig. 4 eine magnetisch gelagerte Welle mit einem Axialmagnetlager gemäß Fig. 1 bis 3 an jedem Ende der Welle in einer Schnittansicht entlang einer Drehachse; [0033] Fig. 5 eine Vorrichtung mit einem Axialmagnetlager mit zwei halbkreisförmigen Spulen und mit einem zentralen Lagerzweig in einer Schnittansicht quer zu einer Drehachse; 4/35

(»terrelcNsches [0034] Fig. 6 [0035] Fig. 7 [0036] Fig. 8 [0037] Fig. 9 [0038] Fig. 10 [0039] Fig. 11 [0040] Fig. 12 [0041] Fig. 13 [0042] Fig. 14 [0043] Fig. 15 [0044] Fig. 16 [0045] Fig. 17 AT513 498 B1 2014-05-15 schematisch einen radialen Schnitt des zentralen Lagerzweigs gemäß Fig. 5 mit einem möglichen Verlauf der magnetischen Feldlinien; eine magnetisch gelagerte Welle mit einem Axialmagnetlager gemäß Fig. 1 bis 3 an einem Ende der Welle und einem Axialmagnetlager gemäß Fig. 5 am anderen Ende der Welle in einer Schnittansicht entlang der Drehachse; eine Variante der magnetisch gelagerten Welle gemäß Fig. 7 ohne einen Permanentmagnet; eine weitere Variante der magnetisch gelagerten Welle gemäß Fig. 7 mit konvergierenden halbkreisförmigen Spulen; noch eine weitere Variante der magnetisch gelagerten Welle gemäß Fig. 7 mit abgerundeten Spulenkörpern und nichtlinear konvergierenden Polringen; ein schematisches Blockschaltbild einer Regelungsschaltung für eine der Vorrichtungen gemäß Fig. 7 bis 10; ein Axialmagnetlager mit drei kreisringsegmentförmig angeordneten Spulen in einer Schnittansicht quer zur Drehachse; ein Axialmagnetlager gemäß Fig. 12 in einer Schnittansicht entlang der Drehachse gemäß der Linie Xlll-Xlll in Fig. 12; eine schaubildliche Ansicht des Axialmagnetlagers gemäß Fig. 12 und 13; eine magnetisch gelagerte Welle mit einem Axialmagnetlager gemäß Fig. 1 an einem Ende der Welle und einem Axialmagnetlager gemäß Fig. 12 am anderen Ende der Welle in einer Schnittansicht entlang der Drehachse; einen FESS-Außenläufer mit zwei Axialmagnetlagern (FESS - Flywheel Energy Storage System - Schwungrad-Energiespeichersystem); und eine magnetisch gelagerte Welle mit Axialmagnetlagern an beiden Enden der Welle in einer Schnittansicht entlang der Drehachse; [0046] In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Vorrichtung 1 zur magnetischen Axiallagerung eines Rotors gezeigt. Die Vorrichtung 1 weist ein Axialmagnetlager 2 mit zwei Lagerzweigen 3, 4 mit jeweils einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Spule 5 auf. Da die Spulen 5 naturgemäß einen geschlossenen Verlauf aufweisen, ergeben sich je Spule 5 zwei halbkreisförmige Abschnitte 6, welche an den beiden Enden über radial verlaufende Abschnitte 7 verbunden sind. Die beiden Lagerzweige 3, 4 sind in Umfangsrichtung aufeinander folgend und bezüglich einer Drehachse 8 im Zentrum des Axialmagnetlagers 2 einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Abschnitte 7 an den Spulenenden der benachbarten Spulen 5 der Lagerzweige 3, 4 im Wesentlichen zueinander parallel sind. Zwischen den Lagerzweigen 3, 4 bzw. an einer radialen Innenseite der Lagerzweige 3, 4 weist das Axialmagnetlager 2 nur einen gemeinsamen, geschlossenen Pol in Form eines Polrings 9 auf. Der einzige gemeinsame Polring 9 hat eine durchgehende kreisringförmige Schnittfläche 10 und ist im Wesentlichen konzentrisch zu den Spulen 5, radial innenseitig der Lagerzweige 3, 4 angeordnet, wobei der Mittelpunkt der Schnittfläche 10 auf der Drehachse 8 liegt. Die in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Lagerzweige 3, 4 umgeben den gesamten Polring 9 bzw. decken den gesamten Winkelbereich von 360° im Wesentlichen vollständig ab. Da die beiden Spulen 5 bevorzugt identisch aufgebaut sind, sind die beiden Lagerzweige 3, 4 Lagerzweige des Axialmagnetlagers 2 im Wesentlichen identisch und decken jeweils etwa eine Hälfte des Polrings 9 ab.

[0047] Im Inneren der Spulen 5 sind jeweils im Wesentlichen halbkreisförmige Polsegmente 11 angeordnet, welche die Spulen 5 im Wesentlichen ausfüllen, beispielsweise da die Spulen 5 um die Polsegmente 11 gewickelt sind. Die Wicklungen der Spulen 5 liegen im dargestellten Beispiel in der Darstellungsebene, so dass das bei Stromfluss durch die Spulen 5 in den Polsegmenten 11 induzierte Magnetfeld zumindest abschnittsweise parallel zur Drehachse 8 ausgerichtet ist (vgl. Fig. 3). Die Polsegmente 11 sind von dem gemeinsamen Polring 9 getrennt 5/35

esterrejdHsciits (»teistaaii AT513 498 B1 2014-05-15 hergestellte Teile, welche im zusammengesetzten Zustand des Axialmagnetlagers 2 mit dem Polring 9 in Kontakt stehen und vorzugsweise mit diesem verbunden sind (vgl. Fig. 4). Das Axialmagnetlager 2 ist von einem Mantel 12 umgeben (vgl. Fig. 1), welcher als Träger bzw. zur stabilen Montage und eventuell der Abschirmung magnetischer Streuflüsse dient. In den Polringsegmenten 11 und im Mantel 12 sind parallel zur Drehachse bzw. senkrecht auf die Zeichnungsebene Verbindungselemente 13 bzw. 14, beispielsweise Schrauben, zur Montage der Vorrichtung 1 vorgesehen.

[0048] Da zwischen den Spulen 5 kein magnetisches Material angeordnet ist, kann durch die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Anordnung der Lagerzweige 3, 4 eine Flusstrennung zwischen den Lagerzweigen 3, 4 erzielt werden. Zugleich kann aufgrund des gemeinsamen Polrings 9 eine optimale azimutale Homogenität der magnetischen Flussdichte, d.h. eine optimale Homogenität in Rotationsrichtung, erzielt werden und somit können Ummagnetisierungsverluste in der Axiallagerplatte reduziert werden.

[0049] In Fig. 2 ist ein Teil der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 dargestellt, wobei zur besseren Sichtbarkeit der Spulen 5 unter anderem der Mantel 12 nicht gezeigt ist. An der hier sichtbaren Unterseite 15 des Axialmagnetlagers 2 ist die einzige kreisringförmige Polfläche 16 des einzigen gemeinsamen Polrings 9 ebenso erkennbar wie die Polflächen 17 der beiden Polsegmente 11. Die Polflächen 17 der Polsegmente 11 bilden einen zur Polfläche 16 des Polrings 9 konzentrischen Kreisring, welcher nur an den beiden Stoßflächen der Polsegmente 11 unterbrochen ist. Obwohl die Polsegmente 11 im Bereich der Spulen 5 beabstandet sind, wie insbesondere anhand der Schnittfläche in Fig. 1 ersichtlich ist, schließen die Polflächen 17 der Polsegmente 11 in Umfangsrichtung direkt aneinander an, indem die Polsegmente 11 unterhalb der Spulen in Umfangsrichtung ragende Vorsprünge 18 aufweisen. Zwischen der Polfläche 16 des Polrings 9 und den Polflächen 17 der Polsegmente 11 ist ein Abstand 19 vorgesehen, welcher im gezeigten Beispiel größer ist als der Abstand 20 der Polflächen 16, 17 zu einer Axiallagerplatte 21 (vgl. Fig. 3). Die Polsegmente 11 weisen einen zur jeweiligen Polfläche 17 hin abnehmenden Radius auf, d.h. sie erstrecken sich unterhalb der Spulen 5 radial nach innen, zu der Drehachse 8 hin, bzw. sind sie zu den Polflächen 17 hin kegelstumpfförmig zulaufend geformt. Der gemeinsame Polring 9 weist einen über die gesamte Höhe abnehmenden Radius auf bzw. ist über die gesamte Höhe kegelstumpfförmig zulaufend. Somit wird erreicht, dass die Polflächen 16, 17 einen kleineren Radius aufweisen und kleiner sind als die in Fig. 1 gezeigten Schnittflächen des Polrings 9 und der Polringsegmente 11 im Bereich der Spulen 5. Die Polfläche 16 des Polrings 9 ist radial etwas breiter als die Polflächen 17 der beiden Polsegmente 11, so dass die Polfläche 16 des Polrings 9 etwa der Summe der Polflächen 17 der beiden Polsegmente 11 entspricht.

[0050] In Fig. 3 ist ein radialer Querschnitt des Axialmagnetlagers 2 entsprechend der Linie MINI in Fig. 1 mit einer Axiallagerplatte 21 gezeigt. Darin ist schematisch ein möglicher Verlauf magnetischer Feldlinien 22 eingezeichnet, um die magnetische Flussdichte zu illustrieren. Die Feldlinien 22 entsprechen den Äquipotentiallinien des magnetischen Flusses. Die Pfeilgröße der dargestellten Richtungspfeile 23 auf den Feldlinien 22 ist ungefähr proportional zur lokalen Flussdichte. Bei der eingezeichneten Richtung des Magnetfelds fließt ein Strom in dem radial innen, zwischen dem Polring 9 und dem Polsegment bzw. Polringsegment 11 liegenden Spulenabschnitt 24 in Richtung in die Zeichnungsebene und in dem radial außen liegenden Spulenabschnitt 25 in Richtung aus der Zeichnungsebene. Die magnetischen Feldlinien 22 sind über die Axiallagerplatte 21 geschlossen, wodurch diese magnetisch angezogen wird. Sowohl der Polring 9 als auch der unterste Abschnitt 26 des Polsegments 11 weist einen zur Polfläche 16 bzw. 17 konvergierenden Querschnitt auf, wodurch die Flussdichte im Bereich der Polflächen 16, 17 gegenüber der Flussdichte im Bereich der Spule 5 erhöht wird. Außerdem nimmt der Radius beider Polkörper 9, 11 (als Polkörper sind im Folgenden zusammenfassend der Polring 9 und die Polsegmente 11 bzw. im Allgemeinen sämtliche einen Magnetkern bildenden Polelemente bezeichnet) zu der Polflächen 16, 17 hin ab, was aufgrund des sich verringernden Umfangs zusätzlich zu einer Erhöhung der Flussdichte beiträgt. Aufgrund der relativ kleinen Polflächen 16, 17 und des geringen Abstands zwischen den Polflächen kann die Axiallagerplat- 6/35 !Siem?icWseits Patentamt AT513 498B1 2014-05-15 te 21 einen entsprechend kleinen Radius und Querschnitt aufweisen und es können die bei hohen Drehzahlen wirkenden mechanischen Belastungen im Vergleich zu größeren Axiallagerplatten reduziert werden. Andererseits können durch die relativ geringe Flussdichte im Bereich der Spulen 5 eine geringere Magnetisierung und somit, aufgrund der bei realen weichmagnetischen Materialien nichtlinearen Beziehung zwischen Flussdichte und magnetischem Widerstand, ein geringerer magnetischer Widerstand der Polkörper 9, 11 und geringere Ummagnetisierungsverluste erhalten werden, was nützlich ist, um Streuflüsse außerhalb der Polkörper 9, 11 zu reduzieren.

[0051] In Fig. 4 ist eine Vorrichtung 27 mit einer magnetisch gelagerten Welle 28 gezeigt. Dabei sind der Einfachheit halber nur die Axialmagnetlager 29, 30, jedoch keine Radiallager eingezeichnet. Die Welle 28 ist verkürzt mit einer schematischen Unterbrechung 31 dargestellt (ähnlich auch in Fig. 7, 8, usw.), um anzudeuten, dass die Länge der Welle 28 hier nicht proportional dargestellt ist. Die Axialmagnetlager 29, 30 entsprechen jeweils der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 mit jeweils zwei halbkreisförmigen gegenüberliegenden Spulen 5 mit einem gemeinsamen Polring 9 und getrennten Polsegmenten 11. Die Axialmagnetlager 29, 30 wechselwirken jeweils mit je einer scheibenförmigen Axiallagerplatte 32, 33, wobei die Axiallagerplatten 32, 33 im Bereich je eines Endes der Welle 28 angeordnet und drehfest mit der Welle 28 verbunden, beispielsweise verschraubt, sind. Es ist jedoch für den Fachmann unmittelbar ersichtlich, dass die Welle 28 ebenso einstückig mit den Axiallagerplatten 32, 33, beispielsweise komplett aus weichmagnetischem Eisen bzw. Stahl, hergestellt sein kann. Darüber hinaus könnte eine solche Welle auch einen konstanten Durchmesser aufweisen, so dass die Welle anstelle der abgesetzten Axial lagerplatten 32, 33 an jedem Ende nur eine Axial lagerplattenfläche aufweisen würde bzw. die Welle einer einzigen, sehr dicken Axiallagerplatte entspräche.

[0052] Der Durchmesser der Axiallagerplatten 32, 33 ist so gewählt, dass der Radius der Axiallagerplatten 32, 33 etwas größer ist als der Außenradius der Polfläche 17 der Polsegmente 11, so dass die Polflächen 17 der Polsegmente 11 von den Axiallagerplatten 32, 33 gänzlich abgedeckt sind.

[0053] Radial innerhalb der ringförmigen Axialmagnetlager 29, 30 sind gegenüber beiden Axiallagerplatten 32, 33 außerdem Abstandssensoren 34, beispielsweise Wirbelstromsensoren, angeordnet. Die Abstandssensoren 34 sind abseits der Drehachse 35 angeordnet und erfassen den eigenen Abstand zur Axial lagerplatte 32, 33 und somit die relative Lage der Axiallagerplatte 32, 33 bzw. der Welle 28 in den Axialmagnetlagern 29, 30. Ausgehend von der gemessenen Lage werden die Spulen 5 der Axialmagnetlager 29, 30 so angesteuert, dass der Rotor (nur teilweise gezeigt) zwischen den Axialmagnetlagern 29, 30 zentriert bleibt bzw. wird.

[0054] Im Betrieb kommt es bei Änderungen der Betriebstemperatur typischerweise zu unterschiedlichen Wärmedehnungen von Rotor und Stator. Eine Erwärmung des Rotors, beispielsweise aufgrund der Verluste eines Motor-Läufers, führt hierbei zu einer Dehnung des Rotors. Andererseits führt eine Erhöhung der Rotordrehzahl aufgrund der wirkenden Fliehkräfte zu einer Reduktion der Rotorlänge. Um trotz dieser Effekte eine stabile axiale Lage des Rotors zu ermöglichen, kann vorzugsweise die in Fig. 4 gezeigte Differentialanordnung der Abstandssensoren 34 eingesetzt werden. Hierbei wird der axiale Abstand des Rotors gegenüber dem Stator an beiden Rotorenden mittels der Abstandssensoren 34 erfasst, und deren Signale Zi bzw. z2 werden beispielsweise folgendermaßen für die Ermittlung der Sollposition herangezogen: [0055] Die Axialmagnetlager 29, 30 sind jeweils auf einer Trägereinheit 36 angebracht und von einem Mantel 12 umgeben, welcher beispielsweise aus Aluminium oder nicht-ferromagnetischem Edelstahl besteht. Die Trägereinheiten 36 weisen jeweils eine kreisförmige Ausnehmung 37 auf, in der die jeweilige Axiallagerplatte 32, 33 im Wesentlichen zentriert angeordnet ist. Die Spulen 5 und die Polkörper 9, 11 sind jeweils auf einer der Welle 28 gegenüberliegenden Seite 7/35

&*en«icMscäse p3f:«sts«t AT513 498B1 2014-05-15 der Trägereinheit 37 angeordnet. Die Mäntel 12 erstrecken sich deckelartig über die Axialmagnetlager 29, 30 und schließen mit den Trägereinheiten 37 ab. Die Polkörper 9, 11 sind mit den Mänteln 12 verbunden, beispielsweise verschraubt, wobei jeweils drei Schrauben 13 pro Polsegment 11 (vgl. Fig. 1) durch den Mantel 12 und den Polring 9 durchtreten und in den Polsegmenten 11 verankert sind. Dabei liegen horizontale Abschnitte 38 der Polringe 9 jeweils flächig an der Innenseite der Mäntel 12 an. Die Polsegmente 11 sind so geformt, dass die Spulen 5 einfach aufgesteckt werden können und mithilfe des horizontalen Abschnitts 38 des jeweiligen Polrings 9 auf den Polsegmenten 11 fest angebracht sind. Beide Mäntel 12 weisen einen abnehmbaren Mittelteil 39 auf, welcher in der Art eines Deckels den jeweiligen Mantel 12 von oben bzw. unten mittig verschließt. In dem Mittelteil 39 sind die Abstandssensoren 34 angeordnet, welche sich innerhalb des Mantels 12 bis knapp an die jeweilige Axiallagerplatte 32, 33 erstrecken. Der nominelle Abstand zwischen den Abstandssensoren 34 und den Axiallagerplatten 32, 33 entspricht dabei etwa dem nominellen Abstand zwischen den Polflächen 16, 17 und den Axiallagerplatten 32, 33.

[0056] In Fig. 5 ist eine mit der Vorrichtung 1 in Fig. 1 vergleichbare Vorrichtung 40 gezeigt, welche zusätzlich zu den beiden gegenüberliegenden Lagerzweigen 3, 4 einen zentralen Lagerzweig 41 mit einer kreisringförmigen Spule 42 (nachfolgend Ringspule 42 genannt) aufweist. Der dargestellte Schnitt quer zur Drehachse 8 entspricht der Linie V-V in Fig. 7. Die Ringspule 42 des zentralen Lagerzweigs 41 (nachfolgend auch Zentrallager 41 genannt) umgibt einen zylindrischen Innenpol 43 und ist ihrerseits von einem äußeren Polring 44 umgeben (nicht zu verwechseln mit dem einzigen gemeinsamen Polring 9 der gegenüberliegenden Spulen 5). Eine zylindrische Innenkontur der Ringspule 42 begünstigt eine einfache Fertigung und minimiert etwaige durch Rotation verursachte Wirbelströme. Zwischen dem äußeren Polring 44 der Ringspule 42 und dem gemeinsamen Polring 9 der gegenüberliegenden äußeren Lagerzweige 3, 4 ist ein Abstand 45 vorgesehen, um eine Flusstrennung der magnetischen Lagerzweige 3, 4, 41 zu erzielen. Der magnetische Kreis des von der Ringspule 42, dem Innenpol 43 und dem äußeren Polring 44 gebildeten Zentrallagers 41 ist über einen eigenen Plattenteil 46 der Axiallagerplatte 32 geschlossen (vgl. Fig. 7). Der Innenpol 43 ist im Wesentlichen massiv und weist an einer der Axiallagerplatte 32 zugewandten Seite eine zentrale Ausnehmung 47 auf, welche der Aufnahme von aus dem Plattenteil 46 herausragenden Befestigungselementen 48 zur Fixierung des Plattenteils 46 an einer Welle 49 dient.

[0057] Wie in Fig. 6 anhand der entsprechenden Feldlinien 50 bzw. Äquipotentiallinien erkennbar, ist das Zentrallager 41 ein Hybridlager, welches zusätzlich zu dem mithilfe der Ringspule 42 gebildeten Elektromagnet einen Permanentmagnet 51 (in Form eines permanentmagnetischen Abschnitts 51) des Innenpols 43 aufweist und der permanentmagnetische dem elektromagnetischen Fluss überlagert ist. Der permanentmagnetische Abschnitt 51 bzw. Permanentmagnet 51 erzeugt ein parallel zur Drehachse 35 ausgerichtetes Magnetfeld, welches von dem Elektromagnet verstärkt oder abgeschwächt werden kann. Der Permanentmagnet 51 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sein Magnetfeld das Gewicht des Rotors bei einem nominalen Luftspalt alleine trägt. Die vom Permanentmagnet 51 aufgebrachte magnetische Kraft FG entspricht dabei dem Produkt der Masse mRot0r des Rotors mit der Erdbeschleunigung g: FG=mRotor-1g. Dadurch kann eine besonders hohe Energieeffizienz und Sicherheit bei geringem erforderlichem Baumraum erzielt werden. Die Auslegung der Ringspule 42 erfolgt so, dass bei maximaler Stromdichte in der Ringspule 42 sowohl die Erhöhung als auch die Reduktion der statischen Kraft FG entsprechend einem Bruchteil der gesamten Regelkraft Fges, welcher von der Anzahl n der unabhängig ansteuerbaren Axial lagerzweige 3, 4, 41 abhängt (Fges/n), möglich ist. Die gesamte Regelkraft Fges aller Lagerzweige 3, 4, 41 ist vorzugsweise zumindest groß genug, um bei Ausfall eines Lagerzweigs 3, 4, 41 mit den übrigen Lagerzweigen 3, 4, 41 eine Lagerung und Stabilisierung der Struktur zu ermöglichen. Beispielsweise kann die gesamte Regelkraft Fges dem Dreifachen der auf den Rotor wirkenden Schwerkraft entsprechen, d.h. Fges=mRotor-(±3g). In diesem Fall ergibt sich die Regelkraft des zentralen, hybriden Lagerzweigs 41 als Fhybr|d=FG+Fges/n, bzw. bei drei unabhängigen Lagerzweigen 3, 4, 41 zu Fhybrid=FG+Fges/3, was bedeutet, dass bei maximaler Stromdichte in der Ringspule 42 die vom Permanentmagnet 51 ausgehende Kraft je nach Stromrichtung entweder verdoppelt oder aufgehoben werden 8/35 !Siem?icWseits Patentamt AT513 498B1 2014-05-15 kann. Die ausschließlich elektromagnetischen, äußeren Lagerzweige 3, 4 sind, analog zum elektromagnetischen Teil des Hybridlagers, so ausgelegt, dass sich die jeweilige Regelkraft zu FEM=Fges/n ergibt.

[0058] Um ein möglichst kompaktes Zentrallager 41 und einen geringen Durchmesser des zugeordneten Plattenteils 46 zu erzielen, konvergiert der Querschnitt des äußeren Polrings 44 und/oder der Ringspule 42 des Hybridlagers 41 zur Polfläche 52 hin. Obwohl auch der Innenpol 43 der Ringspule 42 grundsätzlich kegelstumpfförmig zur Axiallagerplatte 32 bzw. zum Plattenteil 46 hin zulaufend geformt sein kann, wird dafür aufgrund der einfacheren Fertigung eine zylindrische Form bevorzugt. Insbesondere der äußere Polring 44 des Hybridlagers 41 kann sich zur Axiallagerplatte 32 hin radial verjüngen. Der für das Hybridlager 41 beschriebene kompakte Aufbau kann selbstverständlich auch ohne Permanentmagnet 51, d.h. für einen rein elektromagnetischen Lagerzweig verwendet werden (vgl. Fig. 8).

[0059] In Fig. 7 ist eine Vorrichtung 53 mit einer magnetisch gelagerten Welle 49 gezeigt, wobei auch hier - wie in Fig. 4 - der Einfachheit halber nur die Axialmagnetlager 30, 54, jedoch keine Radiallager eingezeichnet sind und die Welle 49 verkürzt, mit einer schematischen Unterbrechung 55 dargestellt ist. Im unteren Endbereich 56 weist die Welle 49 einen verjüngten Abschnitt auf, auf den die untere Axiallagerplatte 33 aufgesteckt und mit dessen Endfläche 57 eine Sensorplatte 58 verbunden ist. Zwischen der Axiallagerplatte 33 und der Sensorplatte 58 ist ein Distanzring 59 aus nicht-magnetischem Material angeordnet. Zusätzlich kann auch die Welle 49 zumindest im Bereich der Axialmagnetlager 30, 54 aus nicht-magnetischem Werkstoff bestehen. Im Unterschied zu der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung 27 sind die Abstandssensoren 34 hier nicht gegenüber der Axiallagerplatte 33, sondern gegenüber der eigens dafür vorgesehenen Sensorplatte 58 angeordnet. Der Aufbau des Axialmagnetlagers 30 ist jedoch ansonsten identisch, weshalb - um Wiederholungen zu vermeiden - diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Das obere Ende der Welle 49 ist in einer Vorrichtung 40 gemäß Fig. 5 gelagert, wobei die Ansicht in Fig. 5 einer Schnittansicht entlang der Linie V-V in Fig. 7 entspricht. Bei der hier gezeigten Vorrichtung 40 ist am oberen Ende eine axial getrennte Axiallagerplatte 32 angeordnet, welche zwei axial durch einen Distanzring 60 aus nicht-magnetischem Werkstoff getrennte Plattenteile 46, aufweist, um eine Entkopplung der magnetischen Flüsse bzw. eine Flusstrennung der magnetischen Zweige 3, 4, 41 und einen größeren Abstand zwischen den Statoreinheiten, d.h. in diesem Fall zwischen den äußeren Lagerzweigen 3, 4 und dem inneren, zentralen Lagerzweig 41, zu erzielen. Somit können etwaige Flussdichtegradienten bei Rotation aufgrund der Regelströme im Hybridlager minimiert werden. Wie hier ersichtlich, ist der zentrale Lagerzweig 41 koaxial teilweise innerhalb bzw. überlappend den beiden äußeren Lagerzweigen 3, 4 angeordnet. Der größere der beiden Plattenteile 61, welcher der Mitte der Welle 49 näher ist, wird von den äußeren, in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Lagerzweigen 3, 4 mit gegenüberliegenden Spulen 5 magnetisch gelagert. Der Plattenteil 46 mit kleinerem Durchmesser ist am oberen Ende der Welle 49 angeordnet und an einem den inneren bzw. zentralen Lagerzweig 41 bildenden Hybridlager gemäß Fig. 5 und Fig. 6 gelagert. Das Hybridlager 41 besteht aus einem äußeren Polring 44, welcher eine Ringspule 42 mit konvergierendem Querschnitt umschließt. In der Ringspule 42 ist ein massiver zylindrischer Innenpol 43 angeordnet, der in Richtung der Drehachse 35 in zwei weichmagnetische Abschnitte 62 und dazwischen den permanentmagnetischen Abschnitt 51 unterteilt ist. Der Innenpol 43 steht auf einer der Axiallagerplatte 32 gegenüberliegenden Seite der Ringspule 42 mit dem äußeren Polring 44 in Kontakt. Auf der Seite der Polflächen 52, 63 sind die Polkörper 43, 44 bis zum Plattenteil 46 durch die Ringspule 42 getrennt, d.h. eine Seite der Ringspule 42 schließt im Wesentlichen mit den Polflächen 52, 63 ab.

[0060] Zwischen den Lagerzweigen 3, 4, 41 des oberen Axialmagnetlagers 54 ist ein Hohlraum 64 bzw. Abstand 45 (vgl. Fig. 5) vorgesehen, um Streuflüsse und Querwirkungen zwischen den Lagerzweigen 3, 4, 41 zu vermeiden. Der Abstand 45 zwischen dem äußeren Polring 44 des zentralen Hybridlagers 41 und dem inneren, gemeinsamen Polring 9 der äußeren Lagerzweige 3, 4 ist dabei größer als der Abstand zwischen den beiden Polkörpern 9 und 11 bzw. 43 und 44 jedes Lagerzweigs 3, 4, 41. Der Abstand zwischen den Lagerzweigen 3, 4, 41 bzw. der radiale 9/35

fetereichisöses pstetao't AT513 498B1 2014-05-15

Querschnitt des Hohlraums 64 nimmt zu den Plattenteilen 46, 61 hin ab, da mehrere Lagerelemente einen zu den Plattenteilen 46, 61 hin abnehmenden Radius aufweisen. Das Axialmagnetlager 54 weist außerdem eine Flusstrennung zwischen den äußeren Lagerzweigen 3, 4 und dem inneren Lagerzweig 41 auf, wobei dem inneren Lagerzweig 41 ein von den übrigen Plattenteilen 61 getrennter Plattenteil 46 der Axiallagerplatte 32 zugeordnet ist.

[0061] Vergleichbar der in Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Differentialanordnung der Abstandssensoren 34 ist auch bei Anordnungen mit Hybridlager 41, eine differentielle Auswertung der gemessenen Abstände denkbar, beispielsweise mit einem Abstandssensor im Zentrum des Hybridlagers 41. Für minimale erforderliche Stellenergie im Hybridlager 41 wird die Sollposition für „normale" Betriebsbedingungen dahingehend gewählt, dass der permanentmagnetische Zweig bzw. der Permanentmagnet 51 des Hybridlagers 41 die Gewichtskraft des Rotors (sowie eventuelle, zusätzlich auf den Rotor wirkende statische Kräfte) kompensiert. Hierbei wird Z! als Sollgröße für die Regelung herangezogen, solange der Rotor am unteren Ende weit genug vom Stator entfernt ist. Für jene Betriebsfälle, bei denen der gewünschte Minimalabstand zb zwischen Rotor und unterem Statorteil nicht gegeben ist, wird der Rotor beispielsweise in eine Lage gebracht, in der er den gleichen Abstand vom oberen und unteren Stator aufweist gebracht sz, soii=sz, SOii2· Eine weitere Möglichkeit besteht in letzterem Fall darin, den Rotor in jene Lage sz_ Soii=sz, SOii2· zu bringen in der er gerade zb als Abstand gegenüber dem unteren Stator aufweist. Damit ist im Hybridlager 41 ein geringerer statischer Strom durch die Spule 42 erforderlich (vgl. Gleichungen (2) bis (4)). für *2^** J&lt (2) < * Λ „ «*· y? /¥ m ~ tür ****** oder (3) Λ ( ! Λ1) (4) - für “3 [0062] Die Mantel-Anordnung 65, 66 der Vorrichtung 40 ist in einen radial äußeren Mantel 65 zum Tragen und gegebenenfalls zur Abschirmung des von den äußeren Lagerzweigen 3, 4 gebildeten Segmentlagers 67 und einen radial inneren Mantel 66 zum Tragen und gegebenenfalls zur Abschirmung des Hybridlagers 41 unterteilt. Der innere Mantel 66 ist dabei in einer zentralen Öffnung 68 des äußeren Mantels 65 angeordnet und überragt diesen entsprechend. Die Höhe der Vorrichtung 40, d.h. die Ausdehnung in Richtung der Drehachse 35, ist im Bereich des Hybridlagers 41 am größten, da einerseits der am Hybridlager 41 gelagerte Plattenteil 46 axial versetzt zu dem am Segmentlager 67 gelagerten Plattenteil 61 auf der Welle 49 angeordnet ist und andererseits das Hybridlager 41 in Richtung der Drehachse 35 im dargestellten Beispiel höher ist als das Segmentlager 67. Ebenso wie der gemeinsame Polring 9 des Segmentlagers 67 mit dem inneren Mantel 66 verbunden ist, ist der Innenpol 43 des Hybridlagers 41 mit der Innenseite des äußeren Mantels 66 verbunden, insbesondere verschraubt. Dabei sind zusätzlich zu den Verbindungen 69 radial außerhalb der Ringspule 42, welche den Mantel 66 mit dem Innenpol 43 und dem äußeren Polring 44 verbinden, Verbindungen 70 etwa bei halbem Radius des Innenpols 43 vorgesehen. Diese zusätzlichen Verbindungen 70 dienen dazu, die Last des Rotors, welche aufgrund des Permanentmagnets 51 immer zu einem Großteil von dem Hybridlager 41 getragen wird, möglichst direkt auf den Mantel 66 zu übertragen, um die mechanische Belastung der Polkörper 43, 44 gering zu halten.

[0063] In Fig. 8 ist eine ähnliche Vorrichtung 71 wie in Fig. 7 gezeigt, mit dem Unterschied, dass hier ein zentraler Lagerzweig bzw. Zentrallager 72 ohne einen Permanentmagnet 51 eingesetzt wird. Die Lagerkräfte müssen demzufolge immer von den elektromagnetischen Lagerzweigen 3, 4, 72 ausgeübt werden. Zur Minimierung von Rotationsverlusten aufgrund von Ummagnetisierungen im Rotorteil ist bei kleinen erforderlichen Kräften vorzugsweise nur das Zentrallager 72 aktiv. Gegenüber der zuvor beschriebenen Vorrichtung 53 ergibt sich somit eine 10/35 (»tirreäfiseits fstetaiKt AT513 498 B1 2014-05-15 geringere Effizient des Zentrallagers 72, dafür aber werden geringere Herstellungskosten ermöglicht, da der tragende Innenpol 73 des Zentrallagers 72 keinen permanentmagnetischen Abschnitt aufweist. Der übrige Aufbau ist mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung 53 identisch, weshalb hier zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.

[0064] Die in Fig. 9 gezeigte Vorrichtung 74 hat in Bezug auf die Funktionsweise ebenfalls eine große Ähnlichkeit mit der in Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebenen Vorrichtung 53. Allerdings sind die äußeren Lagerzweige 3, 4 der Axialmagnetlager 75, 76 hier geometrisch anders aufgebaut; lediglich der gemeinsame Polring 9, welcher den radial inneren, gemeinsamen Pol bildet, ist unverändert. Die radial inneren Abschnitte 77 der aufeinander folgenden Spulen 78 liegen über die gesamte Höhe des Polrings 9, bis hin zur Axiallagerplatte 33 bzw. zum Plattenteil 61 an der radialen Außenseite des jeweiligen Polrings 9 an und die Endflächen 79 der Spulen 78 auf der Seite der Axiallagerplatte 33 bzw. des Plattenteils 61 schließen mit der Polfläche 16 des Polrings 9 ab. Zusätzlich konvergiert der Querschnitt der Spulen 78 zur jeweils zugeordneten Axiallagerplatte 33 bzw. zum Plattenteil 61 hin, wobei die Abmessung in radialer Richtung geringer als die Abmessung in axialer Richtung ist. Im Inneren der Spulen 78 sind Polringsegmente 80 angeordnet, die einen abnehmenden Radius und einen konvergierenden Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt der Polringsegmente 80 ungefähr dem des radial inneren Spulenabschnitts 77 entspricht. Dasselbe gilt für die radial äußeren Abschnitte 81 der Spulen 78, so dass sich die Spulen 78 und die Polkörper 9, 80 im radialen Querschnitt fächerartig von der Axiallagerplatte 33 bzw. vom Plattenteil 61 weg erstrecken, wobei jeweils benachbarte Seitenflächen eines Polkörpers 9, 80 oder eines Spulenabschnitts 77, 81 im radialen Querschnitt nicht parallel, sondern ebenfalls divergent sind.

[0065] Das untere Axialmagnetlager 76 ist symmetrisch zu den äußeren Lagerzweigen 3, 4 des oberen Axialmagnetlagers 75 aufgebaut und unterscheidet sich von dem in Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebenen unteren Axialmagnetlager 30 außerdem dadurch, dass die Sensorplatte 82 mit der Axiallagerplatte 33 in Kontakt steht. Es ist in diesem Fall kein Distanzring zwischen der Sensorplatte 82 und der Axiallagerplatte 33 vorgesehen.

[0066] Eine weitere Variante einer Vorrichtung 83 mit einer magnetisch an erfindungsgemäßen Axialmagnetlagern 84, 85 gelagerten Welle 49 ist in Fig. 10 dargestellt. Die Elemente und der grundsätzliche Aufbau der Axialmagnetlager 84, 85 entsprechen im Wesentlichen der in Zusammenhang mit Fig. 4 bzw. Fig. 7 beschriebenen Vorrichtung 27 bzw. 53, weshalb an dieser Stelle lediglich auf die Unterschiede eingegangen und ansonsten auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Die an den äußeren Lagerzweigen 3, 4 gelagerten Plattenteile 86, 87 weisen auf einer der Welle 49 zugewandten Seite jeweils eine abgerundete Außenkante 88 auf. Die Seitenfläche an den radial außen liegenden Seiten des äußeren Polrings 89 des inneren bzw. zentralen Lagerzweigs 90 des oberen Axialmagnetlagers 84 und der gemeinsamen Polringe 91 der äußeren Lagerzweige 3, 4 weichen von einer Kegelstumpfform ab und weisen im Querschnitt einen geschwungenen Verlauf auf, d.h. die Kontur der genannten Polkörper 89, 91 ist nicht nur aus Geraden zusammengesetzt, sondern folgt auch Kurven höherer Ordnung. Demzufolge sind die Polkörper 89, 91 nicht streng linear konvergierend, sondern weisen eine nichtlineare Verjüngung auf. Außerdem weisen sowohl die gegenüberliegenden Spulen 92 der äußeren Lagerzweige 3, 4 als auch die Ringspule 93 des zentralen Lagerzweigs 90 an einer von den Plattenteilen 86, 87, 94 abgewandten Seite abgerundete Kanten 95 auf, wobei die benachbarten Polkörper 89, 91, 96, 97, d.h. der äußere Polring 89, die gemeinsamen Polringe 91, der Innenpol 96 der Zentrallagers 90 und die Polringsegmente 97, an den abgerundeten Verlauf angepasst sind, so dass keine zusätzlichen Hohlräume zwischen Spulen 92, 93 und Polkörpern 89, 91, 96, 97 entstehen. Ebenso ist die Kontaktfläche zwischen den Polringsegmenten 97 und dem jeweiligen gemeinsamen Polring 91 abgerundet. Die dargestellten und beschriebenen Abrundungen bzw. die Vermeidung von Kanten unterstützt vorteilhaft die Minimierung von Streufeldern, indem die Profile jener Elemente, welche Teil eines magnetischen Kreises sind, an den Verlauf der magnetischen Flusslinien angepasst sind.

[0067] Fig. 11 enthält ein schematisches Blockschaltbild 98 zur Illustration einer Regelungs- 11 /35

ästerrcidiiseses pstistamt AT513 498 B1 2014-05-15

Schaltung bzw. eines Regelungsverfahrens zur Steuerung eines oder mehrerer Axialmagnetlager zur Stabilisierung eines Rotors, beispielsweise bei einer Vorrichtung 53, 71, 74, 83 gemäß einer der Figuren 7 bis 10. Das Blockschaltbild 98 zeigt drei unabhängig arbeitende und mit Spannung versorgte Regeleinheiten 99, 100, 101, wobei die erste Regeleinheit 99 einen einzigen geregelten Ausgangsstrom h bereitstellt, während die beiden anderen Regeleinheiten 100, 101 jeweils zwei unabhängig geregelte Ausgangsströme l2a, bb, l3a, l3b bereitstellen. Eine, vorzugsweise einem zentralen Lagerzweig, insbesondere einem zentralen Hybridlager zugeordnete, Regeleinheit 99 kann der Einfachheit und Robustheit halber mit einem PID-Positionsregler 102, die anderen, beispielsweise jeweils zwei äußeren Lagerzweigen 3, 4 zugeordneten Regeleinheiten 100, 101 mit einem PD-Positionsregler 103 mit unterlagertem P-Stromregler ausgestattet sein, wie im Folgenden noch genauer beschrieben wird. Die Regeleinheiten 100, 101 mit zwei Ausgangsströmen sind vorzugsweise zur Steuerung zweier gegenüberliegender Lagerzweige 3, 4 eingerichtet. Die Regeleinheiten 99, 100, 101 steuern die Ausgangsströme U ,l2a, bb, l3a, l3b in Abhängigkeit eines Signals Si, S2, S3 jeweils eines Positionssensors 104 und eines vorgegebenen Sollwerts Si>SOii , S2,SOii, S3,SOii des jeweiligen Signals Si, S2, S3, beispielsweise des Abstands zwischen dem Positionssensor 104 und einer Sensorplatte und des vorgegebenen, gewünschten Abstands. Es können aber auch weitere Sensoren zur Erfassung des Ist-Zustandes, beispielsweise Stromsensoren oder Temperatursensoren, gemeinsam mit den jeweils anzuwendenden Sollwerten mit den Regeleinheiten 99, 100, 101 verbunden sein. Die Positionssensoren 104 werden bevorzugt in einer Differentialsensoranordnung, wie in Zusammenhang mit Fig. 4 und Fig. 7 bereits genauer erläutert, angeordnet und ausgewertet.

[0068] Die Sensorsignale Si , S2, S3 können nach einer Filterung und Signalanpassung (z.B. Anti-Aliasing-Filter, Pegel- und Offset-Anpassung) an Analog-Digital-Konverter weitergegeben werden. Die entsprechende Signalverarbeitung kann beispielsweise direkt in einem Mikro-Controller integriert sein, welcher auch einige der nachfolgenden Einheiten integrieren kann. Die Regeleinheit 99 (gleiches gilt analog für die anderen Regeleinheiten 100, 101, was durch den Index i ausgedrückt ist, welcher je nach betrachteter Regeleinheit den Wert 1, 2 oder 3 annimmt) ermittelt eine Positionsabweichung e, und gibt diese an einen Positionsregler 102, 103 weiter. Außerdem werden bei den beiden weiteren Regeleinheiten 100, 101 die Positionsabweichungen e, in den Schwellenwertschaltern 105 ausgewertet. Die beiden Schwellenwertschalter 105 sind mit den Positionsreglern 103 der jeweiligen Regeleinheit 100, 101 verbunden und so eingerichtet, dass sie die Positionsregler 103 deaktivieren bzw. aktivieren; d.h. falls ein in einem Schwellenwertschaltern 105 vorkonfigurierter Grenzwert nicht überschritten ist, arbeiten der jeweils zugeordnete Positionsregler 103 so, als ob die Positionsabweichung e. Null wäre, d.h. Fj S0|| — 0.

[0069] Der Positionsregler 102 bzw. 103 (wenn der Grenzwert der Schwellenwertschaltern 105 überschritten ist), ermittelt aus der erhaltenen Positionsabweichung e, eine erforderliche Kraft Fi,soll um den Rotor gegebenenfalls in eine Sollposition zurück zu bewegen. Aus dieser Kraft F|,soN und der gemessenen Position S, ermittelt eine Umrechnungseinheit 106 die entsprechenden Sollströme lia,Soii, lib.soii für die Spulen des Axialmagnetlagers. Dafür verwendet die Umrechnungseinheit 106 ein Kennfeld l|i(Fi,Soii > S,) der Spulen bzw. der Lagerzweige, welches den Strom in Abhängigkeit von der gewünschten Kraftwirkung und der Position des Rotors angibt. Das Kennfeld lj(Fi,SOii ,S,) kann beispielsweise vorab empirisch ermittelt werden oder aus den Spulenkenndaten und den Polformen berechnet werden. Die so ermittelten Sollströme lia,Soii,

Iib,soii werden an unabhängige Stromregelungseinheiten 107 übermittelt, welche jeweils einem Ausgangsstrom U bzw. I2a, l2b bzw. I3a, l3b zugeordnet sind.

[0070] Die Stromregelungseinheiten 107 weisen eine Differenzeinheit 108, einen Stromregler 109, einen Begrenzer 110, einen Pulsweitenmodulator 111, einen Leistungskonverter 112 mit H-Brücke und einen Stromsensor 113 auf. Der Stromsensor 113, insbesondere ein Hall-Effekt-Sensor, Hall-Effekt-Sensor nach dem Flusskompensationsprinzip oder ein magneto-resistiver Sensor, misst z.B. im Fall der Regeleinheit 104 einen Ausgangsstrom l2a der Stromregelungseinheiten 107, so dass die Differenzeinheit 108 eine Stromabweichung e!i2a zwischen Aus- 12/35 S&rreidtisciKS pstistamt AT513 498 B1 2014-05-15 gangsstrom ba und Sollstrom ba.soii ermitteln kann. Die ermittelte Stromabweichung ei,2a verwendet der Stromregler 109 zur Ansteuerung des Pulsweitenmodulators 111, wobei der dazwischen geschaltete Begrenzer 110 dafür sorgt, dass beispielsweise ein bestimmter Maximalstrom nicht überschritten werden kann. Der Pulsweitenmodulator 111 generiert in an sich bekannterWeise ein Schaltsignal, welches den Ausgangsstrom des Leistungskonverters 112 steuert. Die Regeleinheit 99 mit einem einzelnen Ausgangsstrom h für eine einzelne Spule arbeitet im Wesentlichen identisch, wobei die Umrechnungseinheit 106 nur einen Sollstrom Ιΐ 50ιι ermittelt und die Regeleinheit 99 demzufolge nur eine Stromregelungseinheit 107 aufweist.

[0071] Die Regeleinheiten 99, 100, 101 sind jeweils Teil eines Axiallagerzweig-Regelsystems, wobei im Idealfall jedes Regelsystem eine unabhängige Spannungsversorgung und eigene Sensoren, insbesondere einen eigenen Positionssensor 104 aufweist. Wie bereits in Zusammenhang mit der Auslegung der Lagerkräfte geschildert, sind die von den unabhängigen Regelsystemen gesteuerten Lagerzweige bevorzugt so ausbalanciert, dass jeder Lagerzweig die gleiche maximale bzw. minimale Lagerkraft aufbringen kann. Im normalen Betriebsfall kann beispielsweise nur ein der Regeleinheit 99 zugeordnetes Hybridlager im Einsatz sein, wobei kleine Störkräfte ohne die übrigen Lagerzweige, insbesondere ohne etwaige Segmentlager, ausgeregelt werden können. In diesem Zusammenhang kann eine Überwachung bestimmter Betriebsbedingungen, beispielsweise hinsichtlich der Überschreitung einer vordefinierten maximalen Auslenkung und/oder Auslenkungsgeschwindigkeit, beispielsweise in Form der Schwellenwertschalter 105 eingerichtet sein und bei Eintreten einer solchen Betriebsbedingung eine automatische Aktivierung des jeweiligen Lagerzweigs vorgesehen sein.

[0072] Die Figuren 12 bis 14 zeigen ein vorteilhaftes Drei-Segment-Hybridlager 114. Wie insbesondere im Querschnitt senkrecht zur Drehachse - gemäß Fig. 12 - erkennbar, sind die drei Spulen 115 des Hybridlagers 114, welche jeweils einen unabhängigen Lagerzweig bilden, einander bezüglich der Drehachse 116 gegenüberliegend bzw. in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet und umgeben einen gemeinsamen Polkörper 117. Dadurch wird eine Flusstrennung der Lagerzweige erzielt. Der zwischen den Spulen angeordnete Abschnitt des Polkörpers 117 ist zylindrisch und weist somit einen kreisförmig geschlossenen Umfang auf, wobei die Längsachse des Zylinders im Wesentlichen auf der Drehachse 116 des Rotors angeordnet ist. Im Inneren der Spulen 115 sind Polsegmente bzw. Polringsegmente 118 angeordnet, deren Kontur an einer radialen Innenseite und einer radialen Außenseite konzentrischen Kreisbögen entspricht, deren gemeinsamer Mittelpunkt auf der Drehachse 116 liegt. Demzufolge folgen auch die Windungen der Spulen 115 einem kreisbogenförmigen Verlauf, der über radiale Verbindungsabschnitte 119 an den Endflächen der Polringsegmente 118 geschlossen ist (vgl. Fig. 12).

[0073] Insbesondere im Querschnitt entlang der Drehachse 116 gemäß Fig. 13 (entsprechend der Linie Xlll-Xlll in Fig. 12) ist erkennbar, dass sowohl die Spulen 115 als auch die Polringsegmente 118 beispielsweise einen zu einer Axiallagerplatte 120 hin z.B. konvergierenden Querschnitt aufweisen. Die Innenfläche jeder Spule 115 ist dabei vorzugsweise an der Außenfläche des Polringsegments 118 anliegend angeordnet, sodass das Polringsegment 118 und der radial außen liegende Spulenabschnitt 121 einen zur Axiallagerplatte 120 hin abnehmenden Radius aufweisen. Der Radius der Axiallagerplatte 120 ist etwas größer als der äußere Radius der Polfläche 122 des Polringsegments 118 und ist somit kleiner als der Radius des Polringsegments 118 im Bereich der Spule 115. Das Polringsegment 118 weist einen Permanentmagnet 123 auf, wodurch das Hybridlager 114 auch im nicht bestromten Zustand der Spulen 115 ein Magnetfeld erzeugt. Eine Äquipotentiallinie 124 zeigt schematisch den Verlauf des magnetischen Kreises, welcher über die Axiallagerplatte 120 geschlossen ist. Im Gegensatz zu früheren Darstellungen sind die Pfeilgrößen hier nicht proportional zur magnetischen Flussdichte. Die Linie Xll-Xll in Fig. 13 zeigt die axiale Lage des in Fig. 12 dargestellten Querschnitts an.

[0074] Die schaubildliche Darstellung des Drei-Segment-Hybridlagers 114 in Fig. 14 zeigt den Grund für den in Fig. 12 ersichtlichen Abstand 125 zwischen den Spulen 115 in Umfangsrichtung: aufgrund des konvergierenden Spulenquerschnitts füllen die Spulen 115 unterhalb ihrer Oberseite 126 nicht den gesamten Abstand zwischen den parallel zur Achse angeordneten 13/35 österrelcftiscises AT513 498 B1 2014-05-15

Endflächen 127 der Polringsegmente 118, da sich dieser Abstand nach dem maximalen Spulenquerschnitt an der Oberseite 126 richtet. Um trotz dieses Abstands ein in Umfangsrichtung möglichst homogenes Magnetfeld zu erzeugen und Feldgradienten in Umfangsrichtung zu vermeiden, weisen die Polringsegmente 118 unterhalb der Spule 115, d.h. in einem Bereich zwischen Spule 115 und Polfläche 122 in Umfangsrichtung einen Vorsprung 128 auf. Die Länge des Vorsprungs 128 entspricht etwa dem Abstand zwischen den Endflächen 127 der Polringsegmente 118, so dass hinsichtlich geringer Flussgradienten in der rotierenden Axiallagerplatte keine oder nur eine minimale Lücke zwischen den Polflächen 122 entsteht, bzw. hinsichtlich bestmöglicher Trennung der Flüsse der Magnetzweige ein möglichst großer Abstand sinnvoll ist, wobei ein Kompromiss zwischen der erzielten Flusstrennung und der Vermeidung von Ummagnetisierungsverlusten gewählt wird. An einer von der Axiallagerplatte 120 abgewandten Seite des gemeinsamen Polkörpers 117 sind Montagebohrungen 129 zur Befestigung des Hybridlagers 114 an einem Mantel 130 vorgesehen.

[0075] In Fig. 15 ist eine Vorrichtung 131 mit einer magnetisch gelagerten Welle 132 mit zwei Axialmagnetlagern 30, 114 gezeigt. Das untere Axialmagnetlager 30 entspricht einer bereits in Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Anordnung, weshalb diesbezüglich auf frühere Beschreibungen verwiesen wird. Das obere Axialmagnetlager 114 ist ein Drei-Segment-Hybridlager 114 gemäß Fig. 12 bis 14, welches mit einem Mantel 130 verbunden ist, wobei der Mantel 130 auf einer Trägereinheit 133 angebracht ist. Bei dieser Variante ist das Hybridlager 114 zum Tragen der statischen Last sowie zur Ausregelung von Beschleunigungen des Rotors eingerichtet, wobei sich die maximale negative durch das Lager auf den Rotor wirkende Kraft bei vollständiger Kompensation des permanentmagnetischen Flusses ergibt, im bestmöglichen Fall somit entsprechend -1g wirksame Beschleunigung auf den Rotor. Für größere negative Beschleunigungen wird das untere Axialmagnetlager 30 zusätzlich aktiviert. Sofern der mittels des Axiallagers zu kompensierende Absolutbetrag der Beschleunigung kleiner als die auf den Rotor wirkende Schwerkraft ist, kann auf das untere Axialmagnetlager 30 verzichtet werden.

[0076] Fig. 16 zeigt eine Vorrichtung 134 mit einer magnetisch gelagerten Außenläuferkonstruktion 135. Der Schwungmassen-Rotor 136 ist in an sich bekannter Weise auf mehreren Radialmagnetlagern 137 gelagert und in einer Umhüllung 138 eingeschlossen. An den entlang der Drehachse 139 äußeren Enden des Rotors 136 ist jeweils eine kreisringförmige Axiallagerplatte 140 angeordnet, welche jeweils mit einem im Prinzip ähnlich dem Lager 29 gemäß Fig. 4 aufgebauten Axialmagnetlager 141 in magnetischer Wechselwirkung steht. Die beiden Axialmagnetlager 141 sind gleich aufgebaut. Jedes Axialmagnetlager 141 weist zwei bezüglich der Drehachse 139 gegenüberliegende bzw. in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Lagerzweige 142, 143 mit jeweils einer Spule 144 und nur einen einzigen gemeinsamen Pol 145 auf, welcher Pol 145 radial außenseitig der Lagerzweige 142, 143 angeordnet ist. Demzufolge befindet sich zwischen den Lagerzweigen 142, 143 kein magnetisches Material, so dass eine Flusstrennung der Lagerzweige 142, 143 erzielt wird. Der gemeinsame Pol 145 ist kreisringförmig mit einem L-förmigen Querschnitt, wobei eine Seitenwand 146 im Wesentlichen parallel zur Drehachse 139 und eine Grundfläche 147 senkrecht zur Drehachse 139 angeordnet ist. Die Seitenwand 146 weist einen zur Axiallagerplatte 140 hin konvergierenden Querschnitt auf, wobei die Außenseite 148 im Wesentlichen zylindrisch ist. Die Spulen 144 sind an der radialen Innenseite der Seitenwand 146 angeordnet und von Polsegmenten 149 durchsetzt. Die Polsegmente bzw. Polringsegmente 149 erstrecken sich von der Grundfläche 147 des gemeinsamen Pols 145 parallel zur Drehachse 139 durch die Spule 144 hindurch bis zur gegenüberliegenden Seite, wo sie sich radial nach außen erweitern und schließlich unter etwa 45° zur Axiallagerplatte 140 hin abzweigen um eine kreisringsegmentförmige Polfläche 150 zu bilden, welche konzentrisch innerhalb und in einer Ebene mit einer Polfläche 151 des gemeinsamen Pols 145 angeordnet ist. Ein Abschnitt 152 der Polringsegmente 149 ist permanentmagnetisch bzw. weist einen Permanentmagnet auf und erzeugt somit auch ohne Strom ein konstantes Magnetfeld. Aufgrund des Profils des gemeinsamen Pols 145 und insbesondere der Polringsegmente 149 kann die Axiallagerplatte 140 eine geringe radiale Ausdehnung und Oberfläche senkrecht zur Drehachse 139 aufweisen, welche insbesondere kleiner ist als die Seitenflächen der Spulen 144 senkrecht zur Drehachse 139. Die Spulen 144 in diesem Beispiel haben einen 14/35 !Siem?icWseits Patentamt AT513 498B1 2014-05-15 etwa quadratischen Querschnitt, was eine einfache Fertigung ermöglicht. Die geringe Oberfläche der Axiallagerplatte 140 ermöglicht insgesamt besonders kleine Abmessungen, insbesondere einen vergleichsweise großen Innendurchmesser, und ermöglicht dadurch einerseits eine leichte Assemblierbarkeit und andererseits einen großen Außendurchmesser des Innendorns 153, wodurch dessen Steifigkeit zunimmt und somit höhere Rotordrehzahlen unterhalb der ersten Eigenfrequenz des Doms möglich werden.

[0077] In Fig. 17 ist eine Vorrichtung 154 gezeigt, deren grundsätzlicher Aufbau einige Ähnlichkeit mit der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung 53 hat, weshalb im folgenden vergleichbare Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Axiallagerplatte 32 am oberen Ende der Welle 49 weist zwei axial getrennte Plattenteile 46, 61 auf, welche in einem Axialmagnetlager 155 gelagert sind. Zwischen den Plattenteilen 46, 61 ist ein Distanzring 60 aus nicht-magnetischem Werkstoff angeordnet, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als jener des kleineren der benachbarten Plattenteile 46. Die Seitenflächen beider Plattenteile 46, 61 sind zylindrisch und parallel zur Rotationsachse 35. Das Axialmagnetlager 155 weist zwei Lagerzweige 156, 157 auf, welche koaxial teilweise ineinander bzw. einander überlappend angeordnet sind. Der innere Lagerzweig 156 ist durch ein Hybridlager 41 gebildet und der äußere Lagerzweig 157 durch ein ringförmiges Lager, im Folgenden als Ringlager 158 bezeichnet. Dementsprechend ist der obere, kleinere Plattenteil 46 der Axiallagerplatte 32 dem Hybridlager 41 zugeordnet. Das Hybridlager 41 besteht aus einem äußeren Polring 44, welcher eine Ringspule 42 mit rechteckigem Querschnitt umschließt. In der Ringspule 42 ist ein massiver zylindrischer Innenpol 43 angeordnet, der in Richtung der Drehachse 35 in zwei weichmagnetische Abschnitte 62 und dazwischen einen Permanentmagnet 51 unterteilt ist. Der Innenpol 43 steht auf einer dem Plattenteil 46 gegenüberliegenden Seite der Ringspule 42 mit dem äußeren, zylindrischen Polring 44 in Kontakt. Auf der Seite der Polflächen 52, 63 sind die Polkörper 43, 44 bis zum Plattenteil 46 durch die Ringspule 42 getrennt, d.h. eine der Axiallagerplatte 32 zugewandte Seite der Ringspule 42 schließt im Wesentlichen mit den Polflächen 52, 63 des Hybridlagers 41 ab.

[0078] Der größere der beiden Plattenteile 61 ist an dem Ringlager 158, welches eine einzelnen, konzentrische Ringspule 159 aufweist, gelagert. Die Ringspule 159 umgibt einen inneren Polring 160 und ist ihrerseits von einem äußeren Polring 161 umgeben, wobei die beiden Polringe 160, 161 in einem betriebsbereiten Zustand des Ringlagers 158 miteinander verbunden sind. Aufgrund des konzentrischen, vollständig kreisringförmigen Aufbaus des Ringlagers 158 weist das zur Lagerung des zugeordneten Plattenteils 61 erzeugte Magnetfeld eine durchgehend azimutal homogene Flussdichte auf und es kann demzufolge eine annähernd wirbelstromfreie Lagerung erzielt werden.

[0079] Die Profile der Polringe bzw. Polschuhe 160, 161 weisen in diesem Beispiel keine gegenüber der Achse geneigten, sondern ausschließlich parallele oder senkrechte Linien auf, d.h. es sind allgemein rechteckige Querschnittsformen gegeben. Dies ändert nichts an der prinzipiellen Funktionsfähigkeit des gezeigten Lagers und der Vorteil derartiger Polschuhe 160, 161 liegt vor allem in der einfachen und günstigen Herstellung. Analog zu der in Fig. 7 gezeigten und beschriebenen Vorrichtung 53 weist auch das Axialmagnetlager 155 eine Flusstrennung zwischen den Lagerzweigen 156, 157 auf, die durch die vollständige Separation der Lager 41, 158 und zugleich Unterteilung der Axiallagerplatte 32 in die Plattenteile 46, 61, sowie magnetische Trennung der Plattenteile 46, 61 erzielt wird. Wie in Fig. 17 besonders klar ersichtlich ist der Innendurchmesser des äußeren Lagerzweigs 157 bzw. des Ringlagers 158 größer als der Außendurchmesser des dem inneren Lagerzweig 156 zugeordneten Plattenteils 46, so dass eine einfache Zerlegbarkeit der Vorrichtung 154 erzielt wird.

[0080] Auch wenn in den hier gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispielen die speziellen Polformen nur gemeinsam mit einer Flusstrennung zwischen zwei Lagerzweigen beschrieben wurde, ist es dem Fachmann daraus unmittelbar ersichtlich, dass ein Teil der Vorteile der vorliegenden Erfindung auch mit nur einem Lagerzweig erzielbar ist. Insbesondere können die vorteilhaft geringen Abmessungen der Axiallagerplatten anhand der speziellen, hier beschriebenen Polformen erzielt werden, unabhängig davon, ob einer oder mehrere Lagerzweige vorliegen. Demzufolge betrifft die Erfindung die kompakten Polformen auch dann, wenn nur eine 15/35

ästenwcMsose pstetswt AT513 498B1 2014-05-15 einzige Spule zum Einsatz kommt. Insbesondere sind damit ganz allgemein jene Polformen von Axialmagnetlagern gemeint, die einen linear oder nicht-linear in Richtung einer Axiallagerplatte konvergierenden Querschnitt und/oder einen sich von einer Spule zu einer Axiallagerplatte abnehmenden radialen Polabstand aufweisen. 16/35

Claims (14)

1. !Siem?icWseits Patentamt AT513 498B1 2014-05-15 Patentansprüche 1. Vorrichtung (40, 134) zur magnetischen Axiallagerung eines eine mit ihm verbundene Axiallagerplatte (32, 140) aufweisenden Rotors in einem Axialmagnetlager (54, 114) mit zumindest zwei unabhängig ansteuerbaren Lagerzweigen (3, 4, 41), welche jeweils zumindest eine Spule (5, 42, 115, 144) aufweisen, wobei eine magnetische Flusstrennung der Lagerzweige (3, 4, 41) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusstrennung darin besteht, dass zumindest zwei der Lagerzweige (3, 4) in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind und einen einzigen gemeinsamen Pol (9, 117, 145) aufweisen, welcher einen kreisförmig geschlossenen Umfang aufweist, und der mit dem Mittelpunkt konzentrisch zur Drehachse (35, 139) des Rotors angeordnet ist, wobei die Spulen (5, 115, 144) mit dem gemeinsamen Pol (9, 117, 145) verbundene Polsegmente (11, 118, 149) umgeben und der gemeinsame Pol (9, 117, 145) entweder radial innenseitig oder radial außenseitig der Polsegmente (11,118,149) angeordnet ist.
2. 2. Vorrichtung (40, 134) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Pol (9, 117, 145) eine einzige, durchgehende kreisförmige oder kreisringförmige Polfläche (16) aufweist und die Spulen (5, 115, 144) im Wesentlichen mit der Polfläche (16) konzentrische Kreisbögen beschreiben.
3. 3. Vorrichtung (40, 134) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (5, 115, 144) in Umfangsrichtung im Wesentlichen unmittelbar aufeinander folgen.
4. 4. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polsegmente (11, 118, 149) im Wesentlichen mit der Polfläche (16) des gemeinsamen Pols (9, 117, 145) konzentrische, kreisbogenförmige Polflächen (17, 122) aufweisen.
5. 5. Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen (17, 122) der Polsegmente (11, 118, 149) in Umfangsrichtung im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließen.
6. 6. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen einem inneren Pol (9, 117) bzw. Polsegment (149) und einem äußeren Polsegment (11, 118) bzw. Pol (145) zumindest eines Lagerzweigs (3, 4, 41) mit zunehmendem Abstand zur Axiallagerplatte (32, 140) größer wird.
7. 7. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Innen- und Außenkontur zumindest eines Pols (9, 117, 145) oder Polsegments (11, 118, 149) in Richtung der Axiallagerplatte (32, 140) hin abnimmt.
8. 8. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polsegmente (118) unterhalb der Spule (115), insbesondere in einem Bereich zwischen Spule (115) und Polfläche (122), in Umfangsrichtung einen Vorsprung (128) aufweisen, wobei die Länge des Vorsprungs (128) etwa dem Abstand (125) zwischen den Endflächen (127) der Polsegmente (118) entspricht.
9. 9. Vorrichtung (134) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Axiallagerplatte (140) in einer Ebene senkrecht zur Drehachse (139) kleiner ist als die Summe der Flächen der Spulen (144) und Pole (145) und Polsegmente (149) in einer Ebene senkrecht zur Drehachse (139).
10. 10. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Axialmagnetlager (54) eine gerade Anzahl von symmetrisch zur Drehachse (35) angeordneten, in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Spulen (5) aufweist.
11. 11. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialmagnetlager (54) zumindest einen Permanentmagnet (51), bevorzugt zumindest einen Hybridmagnet (43, 51) mit einem Permanentmagnet (51) und einem Elektromagnet (43), aufweist. 17/35

    istifffitmsciits pstestassit AT513 498 B1 2014-05-15
12. 12. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Spulen (5, 144) einen zur Axiallagerplatte (32, 140) hin konvergierenden Querschnitt und/oder abnehmenden Radius aufweist.
13. 13. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Positionssensoren (34, 104) vorgesehen sind, welche jeweils unterschiedlichen Lagerzweigen (2, 3, 41) zugeordnet sind.
14. 14. Verfahren zur magnetischen Lagerung eines Rotors mit einer Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (5, 42, 144) durch entkoppelte Regelsysteme (99, 100, 101) angesteuert werden und bei Ausfall einer Spule (5, 42, 144) die verbleibenden Spulen (42, 5, 144) die Lagerung und Stabilisierung des Rotors übernehmen. Hierzu 17 Blatt Zeichnungen 18/35