BE1020693A3

BE1020693A3 - Magnetisch lager en werkwijze voor het monteren van een ferromagnetische structuur rond een kern van een magnetisch lager.

Info

Publication number: BE1020693A3
Application number: BE201200328A
Authority: BE
Original assignee: Atlas Copco Aipower Nv
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2014-03-04
Also published as: EP2850328A1; KR20150031236A; US20150137642A1; BR112014028479A2; CA2872302A1; CA2872302C; CN104620003A; RU2607921C2; WO2013170322A1; CN104620003B; JP2015516557A; US10408263B2; KR101785772B1; BR112014028479B1; JP6294871B2; EP2850328B1; RU2014150790A

Description

MAGNETISCH LAGER EN WERKWIJZE VOOR HET MONTEREN VAN EEN FERROMAGNETISCHE STRUCTUUR ROND EEN KERN VAN EEN MAGNETISCH LAGER.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

1. Domein van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op magnetische lagers voor roterende machines waarbij het lager een geïntegreerd radiaal-axiaal ontwerp vertoont en waarbij de axiale controleflux doorheen de centrale opening van een zacht magnetische kern gaat.

Magnetische lagers leveren contactloze ophanging. Hun beperkte wrijvingsverliezen leiden ertoe dat ze aantrekkelijk zijn voor hoge-snelheidstoepassingen. Echter, het ontwerp van roterende hoge-snelheidsmachines is dikwijls complex door rotordynamische beperkingen. In dat opzicht, draagt elke reductie van de axiale lengte bij aan de rotordynamische marge. Deze eigenschap wordt maximaal toegepast in zogehete combo lagers, d.w.z. lagers waarvan het ontwerp axiale en radiale kanalen integreert in een compacte opstelling waarin verscheidene functionele onderdelen worden gedeeld.

2. Bespreking van de gerelateerde techniek

Verscheidene voorbeelden van combo lagers kunnen worden teruggevonden in octrooien en literatuur. Dikwijls kruist het pad van de axiale controleflux het centrale gat van een stapeling van gelamelleerd ferromagnetisch materiaal.

Voorbeelden hiervan kunnen worden gevonden in de volgende octrooien of octrooiaanvragen: US 5.514.924, US 6.268.674, US 6.727.617, WO 2008/074045, CN 1.737.388. Andere voorbeelden kunnen worden gevonden in de literatuur, zoals in de publicaties van Imoberdorf e.a., Pichot e.a. en Buckner e.a. In combo lager types zoals afgebeeld in US 6.359.357 Bl van Blumenstock, kruist de axiale controleflux niet het centrale gat van een stapeling van gelamelleerd ferromagnetisch materiaal.

De performantie van het axiale kanaal van een combo lager kan nadelig worden beïnvloed indien het pad van de axiale controleflux het centrale gat van de stapeling van gelamelleerd materiaal kruist of, meer algemeen, als een combo lager een gedeelte bevat waar een elektrisch geleidend pad de controleflux omringt. In dat geval wekken variërende controlefluxen spanningen op in het omringende materiaal. Deze opgewekte spanningen veroorzaken circulatiestromen en bijgevolg eveneens Jouleverliezen, indien het omringend pad gesloten en elektrisch geleidend is. In feite kan zulke stapeling van gelamelleerd materiaal worden beschouwd als een kortgesloten secundaire wikkeling van een transformator, waarvan de axiale controlespoel de primaire wikkeling is. Het gevolg is afhankelijk van de frequentie: het verlies neemt principieel toe bij toenemende frequentie. Bij een bepaalde axiale controlestroom en frequentie, reduceren de Jouleverliezen de kracht die kan worden verwezenlijkt. Als gevolg daarvan kan de performantie van het axiale kanaal worden beïnvloed.

Gelijkaardige fenomenen kunnen zich voordoen in de stapeling van gelamelleerd materiaal waarop de axiale actuator inwerkt. In dit geval treedt de controleflux de stapeling zelf binnen, doch, de fysische uitleg blijft hetzelfde. In het U.S. octrooi nr. 6.268.674, stelt Takahashi voor om een reeks van gelijk verdeelde radiale sneden aan te brengen in zulke stapeling van gelamelleerd materiaal. Vanzelfsprekend worden de lamellen niet over hun volledige dikte gesneden, teneinde voldoende sterkte te behouden. Als gevolg hiervan, blijven geïnduceerde stromen gelokaliseerd, indien de controleflux uitsluitend de regio van de snede binnentreedt. Deze techniek levert enkel een oplossing aan voor het verminderen van de verliezen in de betreffende stapeling van gelamelleerd materiaal. De globale controleflux wordt nog steeds omgeven door een andere stator stapeling.

In de internationale octrooiaanvraag nr. WO 2011/054065, wordt een werkwijze beschreven voor het elimineren van wervelstromen (ook ' eddy currents' genaamd) geïnduceerd in de stator stapeling door het axiaal controleveld. Dit wordt verwezenlijkt door het aanbrengen van een snede doorheen elke lamel van de stapeling, en door de lamellen zodanig te stapelen dat de reluctantie voor magnetische velden binnen de stapeling minimaal beïnvloed wordt. Een nadeel van deze werkwijze is dat de reluctantie van de stapeling voor magnetische velden die hun oorzaak vinden in radiale controlespoelen, toeneemt. Daarenboven, vermits het bekend is dat de coating tussen lamellen niet perfect isoleert, en vermits delen van de samenbouw eveneens kunnen leiden tot contact tussen lamellen, kunnen er nog steeds circulatiestromen worden waargenomen. Daarom zouden bijkomende maatregelen voor het dempen van deze wervelstromen de performantie verder kunnen verbeteren.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

De huidige uitvinding heeft tot doel om een alternatieve wijze aan te leveren voor het verminderen van verliezen als gevolg van wervelstromen.

Hiertoe betreft de uitvinding een magnetisch lager dat is voorzien van een radiaal actuator gedeelte en een axiaal actuator gedeelte, waarbij het radiaal actuator gedeelte is voorzien van een gelamelleerde stator stapeling voorzien van een statorjuk, en waarbij het statorjuk geschakeld is aan een gesloten ferromagnetische structuur die het statorjuk omgeeft.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen van een magnetisch lager volgens de uitvinding beschreven, met verwijzing naar de bijgaande figuren, waarin: de figuren 1 tot 3 langsdoorsneden weergeven van bekende combo lagers; de figuren 4 en 5 een radiale doorsnede weergeven van bekende combo lagers; figuur 6 schematisch een perspectief zicht weergeeft van het gedeelte van een magnetisch lager volgens de uitvinding, dat verantwoordelijk is voor de opwekking van radiale krachten; figuur 7 een doorsnede weergeeft volgens lijn VII-VII in figuur 6; de figuren 10, 13 en 14 verschillende uitvoeringsvormen weergeeft van het juk van de stapeling van gelamelleerd materiaal volgens figuur 7; de figuren 8 en 9 opeenvolgende stappen weergeeft van de samenbouw van een ferromagnetische structuur volgens figuur 7; figuur 11 een gedeelte van de ferromagnetische structuur volgens figuur 10 weergeeft; figuur 12 een uiteengenomen zicht van de ferromagnetische structuur volgens figuur 14 weergeeft; figuur 16 een uiteengenomen zicht weergeeft van de ferromagnetische structuur volgens figuur 14.

BESCHRIJVING VAN ENKELE VOORKEURDRAGENDE UITVOERINGSVORMEN

Enkele langsdoorsneden van state-of-the-art combo lagertypes zijn weergegeven in de figuren 1, 2 en 3. Twee mogelijke radiale doorsneden van state-of-the-art combo lagertypes zijn weergegeven in de figuren 4 en 5.

De alternatieve ontwerpen die zijn weergegeven, zijn allemaal samengesteld uit een gelamelleerde rotor stapeling 1, een gemalelleerde stator stapeling 2, een statorjuk 3, een pooljuk 12, twee axiale polen 4a en 4b en minstens drie radiale polen 5.

Axiale krachten worden gestuurd door een axiale controlespoel 6, waarvan de constructie rotatiesymmetrisch is.

Radiale krachten worden gestuurd door radiale controlespoelen 7 die rond de radiale polen 5 gewikkeld zijn.

Indien het bias veld niet wordt opgewekt door permanente magneten 8, kan het worden opgewekt door op een bepaalde wijze een bias stroom toe te voegen aan de axiale controlestroom of door een bias stroom doorheen een afzonderlijke bias spoel te leiden, dewelke eveneens een rotatiesymmetrische vorm vertoont en dicht bij de axiale controlespoel 6 gelokaliseerd is. Voornoemde bias spoel heeft dezelfde opbouw als de axiale controlespoel 6, is fysisch gescheiden van deze axiale controlespoel 6 en bevindt zich in de onmiddellijke nabijheid daarvan.

Wanneer een stroom wordt aangevoerd naar de radiale controlespoel 7, begint er een flux te stromen in het vlak van de lamellen van de stator stapeling 2.

De flux die is opgewekt door een stroom gevoed aan de axiale controlespoel 6, stroomt doorheen het pooljuk 12, gaat vervolgens in een axiale pool 4a, steekt de spleet over naar de rotorstapeling 1, steekt de spleet over naar de tegenovergestelde axiale pool 4b en keert uiteindelijk terug in het pooljuk 12.

Als gevolg van het voorgaande, steekt een tijdsvariabele flux het centrale gat van de statorstapeling 2 over, vermits de axiale controlestroom varieert in de tijd.

Volgens de wetten van Faraday-Lenz en Ohm, worden circulatiestromen opgewekt in de lamellen van de statorstapeling 2. Daarom, heeft de huidige uitvinding tot doel om een dempende inrichting voor deze geïnduceerde circulatiestromen aan te leveren.

De impedantie waaraan de circulateistromen worden onderworpen, wordt in hoofdzaak bepaald door de tangentiele weerstand van de lamelstapeling.

Er kan een kleine inductieve bijdrage zijn, doch, deze is relatief beperkt. De huidige uitvinding betreft het monteren van een bijkomende inrichting rond de lamelstapeling, zodat de inductieve bijdrage aan de impedantie aanzienlijk wordt vergroot.

Volgens de uitvinding wordt dit op een praktische wijze verwezenlijkt doordat het statorjuk geschakeld wordt aan een gesloten, ferromagnetische structuur 9 die het statorjuk 3 omgeeft, zoals weergegeven in figuur 6.

Dit "geschakeld" zijn betekent in de praktijk dat voornoemde ferromagnetische structuur 9 in feite een gedeelte van het statorjuk 3 omringt, terwijl het statorjuk 3 eveneens een gedeelte van voornoemde ferromagnetische structuur 9 omringt, zoals twee schakels van een ketting die aan elkaar gekoppeld zijn.

Axiale doorsneden van het statorjuk 3 van de stapeling van gelamelleerd materiaal met enkele typische varianten van omgevende, holle ferromagnetische structuren 9, zijn weergegeven in de figuren 7, 10, 13 en 14.

Teneinde de performantie van deze werkwijze te maximaliseren, worden idealiter bijkomende maatregelen genomen om de opgewekte wervelstromen in de holle ferromagnetische structuur de beperken of te verhinderen.

Dit kan bijvoorbeeld worden verwezenlijkt door de holle ferromagnetische structuur 9 samen te bouwen, gebruik makend van onderdelen 10 zoals ferrietstukken, zacht magnetische composietstukken of stukken van gestapelde, dunne ferromagnetische lamellen.

Teneinde de magnetische reluctantie van de ferromagnetische structuur 9 en de kosten te minimaliseren, zijn de voornoemde onderdelen 10 bij voorkeur U-vormig, zoals weergegeven in figuur 8.

Figuur 9 geeft weer op welke wijze zulke U-vormige stukken rond het statorjuk 3 zouden kunnen worden gemonteerd. In plaats van gebruik te maken van U-vormige onderdelen 10, kan evenzeer gebruik worden gemaakt van rechte stukken 11, zoals weergegeven in figuur 11.

Figuur 12 toont op welke wijze deze rechte stukken 11 van figuur 11 zouden kunnen worden gemonteerd rond het statorjuk 3. Teneinde de magnetische reluctantie te minimaliseren, is het nodig de onderdelen tegen elkaar gedrukt te houden.

Zulke holle ferromagnetische structuur 9 zou evenwel kunnen worden gemaakt door amorfe linten of nanokristallijne linten rond het statorjuk 3 van de stapeling van gelamelleerd materiaal te wikkelen, zoals weergegeven in figuur 13.

In plaats van deze materialen direct te wikkelen, kunnen deze materialen ook op een afzonderlijke structuur worden gewikkeld, kunnen de resulterende holle ferromagnetische structuren in stukken worden verdeeld, zoals weergegeven in figuur 15, deze stukken opnieuw samenvoegen rond het statorjuk 3 van de stapeling van gelamelleerd materiaal zoals weergegeven in figuur 16, en deze stukken samendrukken teneinde de magnetische reluctantie te minimaliseren.

De uitvinding is geenszins beperkt tot de uitvoeringsvormen hiervoor beschreven en weergegeven in de figuren, doch, een magnetisch lager volgens de uitvinding kan in velerlei vormen en afmetingen worden uitgevoerd, zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims

1. Magnetisch lager dat is voorzien van een radiaal actuatorgedeelte en een axiaal actuatorgedeelte, waarbij het voornoemde radiaal actuatorgedeelte een gelamelleerde statorstapeling (2) omvat die is voorzien van een statorjuk (3), daardoor gekenmerkt dat het statorjuk (3) geschakeld is aan een gesloten ferromagnetische structuur (9) die het statorjuk (3) omringt.

2. Magnetisch lager volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het axiaal actuatorgedeelte minstens één axiale controlespoel (6) omvat die de gelamelleerde statorstapeling (2) omringt, en verder een pooljuk (12) omvat en twee axiale polen (4a en 4b) ; dat permanente magneten (8) worden voorzien tussen het statorjuk (3) en beide axiale polen (4a en 4b) ; dat de voornoemde permanente magneten (8) gemagnetiseerd zijn in de axiale richting; en dat de magnetisatierichting van de permanente magneten (8) tegengesteld is aan beide axiale zijden van het statorjuk (3) .

3. Magnetisch lager volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat een radiaal gemagnetiseerde permanente magneet (8) de gelamelleerde statorstapeling (2) omringt; en dat minstens één axiale controlespoel (6) van het axiaal actuatorgedeelte aan minstens één axiale zijde van de gelamelleerde statorstapeling (2) en de radiaal gemagnetiseerde permanente magneten (8) gemonteerd is.

4. Magnetisch lager volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat de radiaal gemagnetiseerde permanente magneet (8) opgebouwd is als een reeks aansluitend gemonteerde kleinere permanente magneten.

5. Magnetisch lager volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het axiaal actuatorgedeelte minstens één axiale controlespoel (6) omvat, een pooljuk (12) en twee axiale polen (4a en 4b); en dat de voornoemde minstens ene axiale controlespoel (6) aan minstens één axiale zijde van de gelamelleerde statorstapeling (2) gemonteerd is.

6. Magnetisch lager volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat het voornoemde pooljuk (12) het voornoemde statorjuk (3) raakt.

7. Magnetisch lager volgens conclusie 5 of 6, daardoor gekenmerkt dat een bias spoel is voorzien dewelke dezelfde opbouw als de axiale controlespoel (6) vertoont, fysisch gescheiden is van deze axiale controlespoel (6) en zich in de onmiddellijke nabijheid van deze axiale controlespoel (6) bevindt.

8. Magnetisch lager volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde gesloten ferromagnetische structuur (9) een stapeling omvat van dunne lamellen die elektrisch geïsoleerd zijn ten opzichte van elkaar.

9. Magnetisch lager volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde gesloten ferromagnetische structuur (9) gewikkeld, vlak lint omvat.

10. Magnetisch lager volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde gesloten ferromagnetische structuur (9)'een ferriet omvat.

11. Magnetisch lager volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de gesloten ferromagnetische structuur (9) een zacht magnetisch composietpoeder omvat.

12. Magnetisch lager volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde gesloten ferromagnetische structuur (9) een amorf of nano-kristalijn materiaal omvat.

13. Magnetisch lager volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde gesloten ferromagnetische structuur (9) meerdere aaneengeschakelde onderdelen omvat.

14. Werkwijze voor het vervaardigen van een magnetisch lager, daardoor gekenmerkt dat deze werkwijze de stappen omvat van: - een statorjuk (3) te voorzien; - een set ferromagnetische onderdelen te voorzien die een gesloten pad vormen waarvan de binnenafmetingen gelijk zijn aan of groter dan de buitenafmetingen van een axiale doorsnede van voornoemd statorjuk (3); - de ferromagnetische onderdelen rond het statorjuk (3) plaatsen, zodanig dat een gesloten pad wordt gevormd; - alle ferromagnetische onderdelen stevig tegen elkaar drukken; en - de resulterende ferromagnetische structuur (9) aan het statorjuk (3) bevestigen.

15. Werkwijze voor het vervaardigen van een magnetisch lager, daardoor gekenmerkt dat deze werkwijze de stappen omvat van: - een statorjuk (3) te voorzien; - ferromagnetisch materiaal op een bobijn te voorzien zoals amorfe lint, nanokristalijne lint, magnetische draad of vezelmaterialen; - het statorjuk (3) elektrisch isoleren; - het ferromagnetisch materiaal op de bobijn rond het statorjuk wikkelen teneinde een ferromagnetische structuur (9) rond dit statorjuk (3) te vormen; en - het bevestigen van de resulterende ferromagnetische structuur (9) aan het statorjuk (3).