DD214416A1

DD214416A1 - MAGNETIC BEARING

Info

Publication number: DD214416A1
Application number: DD24966383A
Authority: DD
Inventors: Peter-Klaus Budig; Thomas Schubert
Original assignee: Elektromasch Forsch Entw
Priority date: 1983-04-08
Filing date: 1983-04-08
Publication date: 1984-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Lager, das den zu fixierenden rotierenden Koerper durch magnetische Kraefte ohne stabilitaetserzeugende Regler in einer stabilen Lage haelt und besonders in der Kryotechnik Anwendung findet. Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein magnetisches Lager zu schaffen, das bereits bei Stillstand der Welle eine Lagerkraft erzeugt, sich selbsttaetig stabilisiert und bei hoeheren Drehzahlen nur geringe Wirbelstroeme entwickelt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass eine stromdurchflossene, konzentrisch um das zu lagernde Teil angebrachte axiale und/ oder radiale Ankerspule zwischen den Polen eines Schalenkernmagneten des Lagers angeordnet ist. Die Schalenkernhaelften sind dabei so ausgebildet, dass sich zwischen Ankerspule und Innenpolflaeche des Schalenkernmagneten ein konzentrisch der Ankerspule angepasster Lagerspalt ergibt.The invention relates to a magnetic bearing that holds the rotating body to be fixed by magnetic forces without stabilitaetserzeugende controller in a stable position and is particularly used in cryogenics application. The technical object of the invention is to provide a magnetic bearing that generates a bearing force even at standstill of the shaft, self-sustaining stabilized and developed at low speeds only small eddy currents. According to the invention, the object is achieved by arranging a current flowing through an axial and / or radial armature coil mounted concentrically around the part to be supported between the poles of a shell core magnet of the bearing. The shell core halves are designed so that there is a bearing gap which is adapted concentrically to the armature coil between the armature coil and the inner pole surface of the shell core magnet.

Description

Magnetisches LagerMagnetic bearing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Lager, das den fixierenden rotierenden Körper durch magnetische Kräfte in einer stabilen Lage hält und besonders in der Kryotechnik Anwendung findet.The invention relates to a magnetic bearing which holds the fixing rotating body in a stable position by magnetic forces and finds particular application in cryotechnology.

Characteristic of the known technical solutions

Bekannte Magnetlager nutzen die magnetischen Kraftwirkungen der Grenzflächenkräfte im Magnetkreis· Diese Methode gestattet zwar die Erzeugung relativ großer Lagerkräfte, ergibt jedoch ein instabiles System· Eine Welle läßt sich allein durch passive Magnetlager nicht stabil lagern· Mindestens ein Freiheitsgrad muß dabei mit aktiven Lagern realisiert werden·Known magnetic bearings use the magnetic force effects of the interfacial forces in the magnetic circuit · Although this method allows relatively large bearing forces to be generated, it results in an unstable system · A shaft can not be stably supported by passive magnetic bearings · At least one degree of freedom must be achieved with active bearings ·

Aktive Magnetlager, die die Grenzflächenkräfte ausnutzen, sind in Form von Kegelkreisen aufgebaut· Die dafür notwendigen Meßsysteme, Regler und Leistungssteller sind jedoch relativ aufwendig. Wirken in den Lagern die Grenzflächenkräfte unmittelbar auf die Welle ein, wie in den DE - OS 2338307 und 2358527 dargestellt, so treten in der rotierenden Well» wegen der massiven Ausführung erhebliche Wirbelströme auf· Wird ein lameliiertes Blechpaket verwendet, das den in der Welle verlaufenden Magnetfluß aufnimmt werden zwar die Wirbelströme abgeschwächt, üben aber trotzdem noch einen erheblichen negativen Einfluß auf das Magnetlager aus.Active magnetic bearings that exploit the interfacial forces are constructed in the form of conical circles. However, the necessary measuring systems, controllers and power controllers are relatively expensive. If the boundary surface forces act directly on the shaft in the bearings, as shown in DE - OS 2338307 and 2358527, then considerable eddy currents occur in the rotating shaft due to the massive design. The lamellar laminated core used is that which runs in the shaft Although magnetic flux absorbs the eddy currents attenuated, but still exert a significant negative impact on the magnetic bearing.

Bekannt sind weiterhin Magnetlager, die das Prinzip der elektromagnetischen Abstoßung ausnutzen. Bei der in der DS - AS 233I6I3 beschriebenen Erfindung einer magnetischen Lagerungs- und Zentriervorrichtung besteht jedoch der Nachteil, daß nur beiAlso known are magnetic bearings that exploit the principle of electromagnetic repulsion. However, in the case of the invention of a magnetic bearing and centering device described in the DS-AS 233I6I3, there is the disadvantage that only at

Rotation des zu lagernden Teiles eine elektrodynamische Lagerkraft erzeugt wird* Trotz Anwendung des Hullfluß-^Systems treten außerdem bei Rotation bremsend wirkende Wirbelströme auf, die zwangsläufig den Wirkungsgrad des Lagers bei größeren Drehzahlen herabsetzen«Rotation of the part to be stored an electrodynamic bearing force is generated * In spite of the application of Hullfluß- system also occur in rotation braking eddy currents, which inevitably reduce the efficiency of the bearing at higher speeds «

Ziel der, ErfindungAim of, invention

Mit der Erfindung soll erreicht werden, daß auch ohne aufwendige Stabilitätserzeugende Hegler und unter Vermeidung von Wirbelstromverlusten eine elektrodynamische Lagerkraft erzeugt wird·With the invention is to be achieved that even without complex stability-generating Hegler and while avoiding eddy current losses an electrodynamic bearing force is generated ·

desof

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin ein magnetisches Lager zu schaffen, das bereits bei Stillstand der Welle eine Lagerkraft erzeugt, sich selbsttätig stabilisiert und bei höheren Drehzahlen nur geringe Wirbelströme entwickelt.The technical object of the invention is to provide a magnetic bearing, which generates a bearing force even at standstill of the shaft, stabilizes automatically and develops only small eddy currents at higher speeds.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine stromdurchflossene, konzentrisch um das zu lagernde Teil angebrachte axiale und/oder radiale Ankerspule zwischen den Polen eines Schalenkernmagneten des Lagers angeordnet ist» Die Schalenkernhälften sind dabei so ausgebildet, daß sich zwischen Ankerspule und InnenpoIflache des Schalenkernmagneten ein konzentrisch der Ankerspule angepaßter Lagerspalt ergibt·According to the invention, this object is achieved in that a current-carrying, concentrically mounted around the part to be mounted axial and / or radial armature coil between the poles of a shell core magnet of the bearing is arranged »The shell core halves are designed so that between the armature coil and InnenpoIflache the shell core magnet concentric with the armature coil adapted bearing gap results ·

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit ist die Ankerspule aus dünnem Wickeldraht in kreuzverspulter Form hergestellt« Der für die Leitung des magnetischen Flusses erforderliche Schalenkern besteht aus weichmagnetischem Material und ist fest mit dem Gehäuse des Lagers verbunden· In dem konzentrischen Wickelraum des Schalenkernes ist die für die Erzeugung der Magnetflüsse notwendige Erregerspule angeordnet«In order to increase the mechanical strength, the armature coil is made of thin winding wire in cross-wound form. The shell core required for the conduction of the magnetic flux consists of soft magnetic material and is firmly connected to the bearing housing · In the concentric winding space of the shell core is that for production arranged the magnetic flux necessary exciter coil «

Die Erregerspule wird von einem Gleichstrom durchflossen und erzeugt ein zeitlich konstantes Magnetfeld in dem Luftspalt des SchalenkerneSe Durch die Ankerspule fließt ebenfalls ein Gleichstrom«The excitation coil is traversed by a direct current and generates a temporally constant magnetic field in the air gap of the cup core. The armature coil also flows through a direct current. "

Durch die Luftspaltanordnung und die Formgebung der Ankerspule zu den Innenpolflachen des Schalenkernmagneten, stehen die magnetischen Feldlinien des Luftspaltfeldes senkrecht auf den stromführenden Leitern der Ankerspule und erzeugen somit in axialer und/oder in radialer Richtung wirkende Kraftkomponenten,Due to the air gap arrangement and the shape of the armature coil to the inner pole faces of the shell core magnet, the magnetic field lines of the air gap field are perpendicular to the current-carrying conductors of the armature coil and thus generate in the axial and / or radial direction acting force components,

3 die an der Ankerspule angreifen· Strom- und Magnetfeldrichtung sind dabei so gewählt, daß sich die Anordnung im stabilen Gleichgewicht befindet· Exzentrizitäten der Lagerung werden dadurch ausgeglichen, daß die .Ankerspule an der Seite, an der der Lagerspalt sich verkleinert, in einen Bereich höherer magnetischer Induktion eintritt und sich außerdem die Anzahl der stromführenden Leiter im Magnetfeld erhöht. Die andere Seite tritt dagegen in einen Bereich niedrigerer magnetischer Induktion und auch die Anzahl der stromführenden Leiter im Magnetfeld verringert sich· Es wird dadurch eine resultierende, das System wieder zentrierende Kraft erzeugt, die eine radiale bzw. axiale Lagerung bewirkt.The current and magnetic field directions are selected so that the arrangement is in stable equilibrium. The eccentricities of the bearing are compensated for by the fact that the armature coil on the side at which the bearing gap decreases decreases into an area higher magnetic induction occurs and also increases the number of current-carrying conductors in the magnetic field. On the other hand, the other side enters a region of lower magnetic induction and also the number of current-carrying conductors in the magnetic field decreases. This produces a resultant force which re-centers the system and causes a radial or axial bearing.

Please note1

Die Erfindung soll nachfolgend an drei Ausfuhrsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with three Ausfuhrsbeispielen.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The accompanying drawings show:

Fig.i 1 Schnittdarstellung durch ein radial wirkendes einfaches magnetisches LagerFig.i 1 sectional view through a radially acting simple magnetic bearing

Fig.: 2 Schnittdarstellung durch ein radial wirkendes magnetisches Lager mit gezahnter PolausführungFig. 2 shows a sectional view through a radially acting magnetic bearing with toothed Polausführung

Fig.: 3 Schnittdarstellung durch ein einseitiges axial wirkendes magnetisches LagerFig. 3 sectional view through a one-sided axially acting magnetic bearing

Der komplette Aufbau eines radial wirkenden einfachen magnetischen Lagers nach der Erfindung ist in Figur 1 dargestellt· Der aus weichmagnetischem Feinguß hergestellte geteilte Schalenkern 1 trägt die konzentrisch angeordnete Erregerwicklung 2· Auf der zu lagernden Welle 4 ist isoliert durch, einen Spulenträger 5 die doppelkeglige Ankerspule 3 radial angeordnet· Die Ankerspule 3 befindet sich zwischen den Innenpolen des Schalenkernes 1 und bildet mit ihnen einen konzentrischen Lagerspalt 9·The complete construction of a radially acting simple magnetic bearing according to the invention is shown in FIG. 1. The split shell core 1 made of soft magnetic precision casting carries the concentrically arranged excitation winding 2. The shaft 4 to be supported is insulated by a bobbin 5 and the double - coned armature coil 3 arranged radially · The armature coil 3 is located between the inner poles of the shell core 1 and forms with them a concentric bearing gap 9

Um ein zeitlich konstantes Magnetfeld aufzubauen wird die Erregerwicklung 2 von Gleichstrom durchflossen. In der Ankerspule 3 fließt ebenfalls Gleichstrom, wobei dessen Richtung mit der Magnetfeldrichtung so abgestimmt ist, daß die entstehenden Kräfte in Richtung der Symmetriach.se der Welle 4 gerichtet sind und die Voraussetzung für einen stabilen Betriebszustand bilden.In order to build up a time constant magnetic field, the excitation winding 2 is traversed by DC. Direct current also flows in the armature coil 3, its direction being matched to the magnetic field direction so that the resulting forces are directed in the direction of the symmetry axis of the shaft 4 and form the basis for a stable operating state.

Befindet sich die Welle 4 in Mi.ttellage, liegt ein Kräftegleichgewicht vor* Tritt eine radiale Wellenverschiebung auf, dringt die Spulenseite mit dem geringeren Lagerspalt 9 in ein Gebiet höherer Induktion ein. Außerdem vergrößert sich auf dieser Seite die Anzahl der stromführenden Leiter im Magnetfeld* An der gegenüberliegenden Spulenseite sind die Verhältnisse ge~ rade umgekehrt· Ss tritt eine radial wirkende Kraftdifferenz auf, die die Welle 4 wieder in Mittellage bringt» Bei Initialisierung des Ankerstromes im Kryobetrieb kann gegebenenfalls eine Initialwicklung 10 konzentrisch in Hüten des Schalenkerns 1 eingebracht werden·Is the shaft 4 in Mi.ttellage, there is a balance of forces * If a radial shaft displacement occurs, penetrates the coil side with the lower bearing gap 9 in a region of higher induction. In addition, the number of current-carrying conductors in the magnetic field increases on this side. The conditions are exactly the opposite on the opposite coil side. Ss occurs a radially acting force difference, which brings the shaft 4 back to its central position »When initializing the armature current in cryogenic operation If necessary, an initial winding 10 can be introduced concentrically into hats of the shell core 1.

Eine Vergrößerung der Kraftdifferenz, bezogen auf die radiale Wellenverschiebung, ist durch Änderung der Polform und der Anker spule, wie in Figur 2 dargestellt, möglich» Die Ankerspule 3 ist dahingehend abgeändert, daß sie aus einzelnen in Reihe oder parallel verschalteten Teilspulen 6 besteht, die koaxial unter Verwendung von AbStandsringen 7 übereinander gewickelt sind·An increase in the force difference, based on the radial shaft displacement, by changing the pole shape and the armature coil, as shown in Figure 2, possible »The armature coil 3 is modified to the effect that it consists of individual in series or parallel connected partial coils 6, the are wound coaxially using AbStandsringen 7 on top of each other ·

Der Innendurchmesser der Teilspule 6 ist gleich dem Innendurchmesser des der jeweiligen Teilspule 6 zugeordneten Zahnringes im Pol· Der Außendurchmesser der Teilspule 6 ist kleiner als der Außendurchmesser des zugehörigen Zahnringes 8» Durch diese spezielle Gestaltung der Ankerspule 3 und der Polflächen wird gewährleistet, daß bei radialen Wellenverschiebun~ gen die Anzahl der in Gebiete kleinerer Luftspaltinduktion bewegten stromführenden Leiter der Ankerspule 3 größer ist als in der Ausführungsform mit ebenen Polflächen, was eine Vergrößerung der resultierenden Kraftdifferenz bewirkt·The outer diameter of the partial coil 6 is smaller than the outer diameter of the associated toothed ring 8 ". By this special design of the armature coil 3 and the pole faces ensures that in radial Shaft displacements, the number of current-carrying conductors of the armature coil 3 moving in areas of smaller air-gap induction is greater than in the embodiment with flat pole faces, which causes an increase in the resultant force difference.

Die genutete Polform kann mit parallel oder konisch verlaufenden Innenpolflachen des Schalenkernes 1 ausgeführt sein_e The grooved pole shape can be executed with parallel or conical Innenpolflachen the pot core 1 _e

Die konstruktive Ausführung eines einseitig wirkenden Axiallagers ist in Figur 3 dargestellt. Der Aufbau entspricht analog dem Aufbau eines Radiallagers· Auch hier trägt der aus weichmagnetischem feinguß hergestellte geteilte Schalenkern 1 die konzentrisch angeordnete Erregerwicklung 2· Auf der zu lagernden Welle 4 ist isoliert durch einen speziell ausgeführten Spulenträger 5 die keglig, axial ausgeführte Ankerspule 3 angeordnet· Die Arbeitsweise des einseitig wirkenden Axiallagers ist analog der Wirkungsweise des Radiallagers«The structural design of a one-sided thrust bearing is shown in FIG. The design corresponds analogously to the construction of a radial bearing · Here too, the split shell core 1 made of soft magnetic fine casting carries the concentrically arranged excitation winding 2. The conical, axially embodied armature coil 3 is insulated on the shaft 4 to be supported by a specially designed coil support 5 Operation of the single-acting thrust bearing is analogous to the mode of action of the radial bearing «

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Wird eine zweiseitig wirkende Axiallagerung benötigt, müssen mindestens zwei derartige Axiallager so auf eine Welle montiert werden_t daß die entstehenden Lagerkräfte entgegengesetzt orientiert sind·Is a double-acting thrust bearing required, at least two such thrust bearing must be mounted on a shaft _t that the bearing forces generated are oppositely oriented ·

Das Betreiben des erfindungsgemäßen magnetischen Lagers ist auch'ölt Wechselstrom möglich, wenn der komplette Magnetkreis lamelliert und aus geeignetem weichmagnetischen Material hergestellt ist, um die Bisenverluste klein zu halten, so daß nur eine geringe Phasenverschiebung zwisehen dem Strom in der Ankerspule und dem magnetischem Fluß auftrittoOperation of the magnetic bearing of the present invention is also possible when the entire magnetic circuit is laminated and made of suitable soft magnetic material to minimize the leakage, so that there is little phase shift between the current in the armature coil and the magnetic flux

Der komplette Magnetlageraufbau ist weiterhin als Dämpfungsglied für radiale und/oder axiale Wellenverschiebungen verwendbar· Dabei wird die Ankerspule kurzgeschlossen und die Erregerwicklung von Gleichstrom durchflossen· Die Erzeugung des notwendigen Magnetfeldes ist auch durch entsprechende Permanentmagneten möglich· Die Ankerspule kann dabei starr mit dem Lagergehäuse und der Permanentmagnet starr mit dem zu lagernden Teil verbunden sein· Eine derartige Anordnung besitzt den Vorteil, daß keine Stromübertragung auf den rotierenden Teil des magnetischen Lagers notwendig ist·The complete magnetic bearing structure can also be used as an attenuator for radial and / or axial shaft displacements. The armature coil is short-circuited and the excitation winding is traversed by DC current. The generation of the necessary magnetic field is also possible by means of corresponding permanent magnets. The armature coil can be rigidly connected to the bearing housing Permanent magnet rigidly connected to the part to be supported · Such an arrangement has the advantage that no current transfer to the rotating part of the magnetic bearing is necessary

Claims

Erfindungsangpruoh

1 # Magnetic bearing with automatic stabilization according to the electrodynamic repulsion principle, characterized in that an axial, and / or radial armature coil (3) which flows through concentrically surrounding the bearing part is arranged between the poles of a shell core magnet, the inner pole faces of the shell core (1 ) of the armature coil (3) are adapted to form a concentric bearing gap (9) with the armature coil (3), and that the magnetic field lines are perpendicular to the current-carrying conductors of the armature coil (3)

2 · Magnetic bearing according to item 1, characterized in that in a radial arrangement to increase the bearing stiffness in the pole faces Uuten are incorporated, which generate a periodically changing in the radial direction between the pole faces air gap and in which the coaxial superimposed partial coils (6) existing armature coil (3) is located

3 · Magnetic bearing according to item 1, characterized in that are incorporated in an axial arrangement to increase the bearing stiffness in the pole faces Kuten and the armature coil (3) consists of coaxially successively arranged part coils (6).

4. Magnetic bearing according to item 1, characterized in that the armature coil (3) is cryo conductive and their initialization by the excitation winding (2) directly or by a built-in pole faces of the magnetic circuit initial winding (10).

- For this 2 sheets drawings -