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Die
Erfindung betrifft eine Magnetlagerung für eine Welle mit einem permanentmagnetischen Lagerpartner
und einem supraleitenden Lagerpartner und mit einem Hilfslager zur
Positionierung der Welle in der Magnetlagerung vor der Inbetriebnahme
der Magnetlagerung in einer Warteposition oberhalb von der Sollposition
der Welle und zur Begrenzung des zulässigen Bereiches von translatorischen
Bewegungen der Welle.
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Eine
Magnetlagerung der angegebenen Art ist beispielsweise der
DE 42 34 524 C2 zu
entnehmen und weist zur Lagerung einer senkrecht ausgerichteten
Welle fest mit dieser verbundene Magnetscheiben aus einem permanentmagnetischen
Material auf, welche mit ortsfesten Körpern aus einem Supraleiter
Lagerpaarungen bilden, mit denen die Welle sowohl axial als auch
radial gelagert werden kann. Da vor einer Inbetriebnahme der Magnetlagerung
die supraleitenden Lagerpartner auf ihre Betriebstemperatur gekühlt werden
müssen,
ist an den jeweils konisch zulaufenden Wellenenden je ein Gleitlager
vorgesehen, wobei das untere der beiden Hilfslager höhenverstellbar
ausgeführt
ist. Mit dessen Hilfe lässt sich
die mit ihrem unteren konischen Ende in diesem Lager ruhende Welle
anheben und mit dem anderen konischen Ende in das obere Hilfslager
hineindrücken.
Hierbei ergibt sich automatisch eine Positionierung der Welle, die
als Warteposition während
des Kühlens
der supraleitenden Lagerpartner notwendig ist. Bei Inbetriebnahme
der Magnetlagerung sinkt die Welle durch Verstellung des unteren
Hilfslagers von der Warteposition in die für den Betrieb vorgesehene Sollposition,
wodurch infolge der damit verbundenen Feldänderung im supraleitenden Lagerpartner
Strö me
bewirkt werden. Diese bewirken eine elektromagnetische Kraft zwischen
den Lagerpartnern, die der Gewichtskraft der Welle entgegengerichtet
ist und mit dieser im Gleichgewicht steht, welches die axiale Lagerung
der Welle bewirkt.
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Die
Hilfslager stellen weiterhin sicher, dass beim Hochlaufen der Welle
auf ihre Nenndrehzahl bei dem Durchlaufen eventueller Resonanzbereiche Schwingungen
in den Hilfslagern derart abgefangen werden, dass eine Beschädigung der
Magnetlagerung aufgrund unzulässiger
Berührungen
der Lagerpartner verhindert wird.
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Eine
andere Wellenlagerung mit horizontal ausgerichteter Welle ist in
der
DE 44 36 831 C2 beschrieben,
wobei bei dieser Welle permanentmagnetische Ringe auf der Welle
befestigt sind, die von einer ortsfesten, supraleitenden Umhüllung umgeben sind.
Vor der Inbetriebnahme wird die Welle mittels einer absenkbaren
Halte- und Zentriervorrichtung in eine axial und radial definierte
Warteposition gebracht und kann nach Erreichen der Arbeitstemperatur
des supraleitenden Lagerpartners durch kontrolliertes Absenken der
Halte- und Zentriervorrichtung in die Sollposition gebracht werden.
Während
des Hochfahrens bzw. des Betriebes bei Nenndrehzahl muss zusätzlich ein
mechanisches Fanglager vorgesehen werden, welches unzulässige Betriebszustände der
Magnetlagerung verhindert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Magnetlagerung für eine horizontal angeordnete
Welle mit einem supraleitenden Lagerpartner anzugeben, bei dem mit
demselben Hilfslager sowohl eine Positionierung der Welle vor Inbetriebnahme
der Magnetlagerung als auch die Verwirklichung der Funktion eines
Fanglagers während
des Betriebes der Magnetlagerung möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Hilfslager für
sich gelagerte Lagerrollen für
die im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Welle aufweist, deren
Drehachsen zumindest teilweise verschiebbar sind, derart, dass die
sich auf den verschiebbaren Lagerrollen abstützende Welle in die Warteposition
verschoben werden kann und ein radialer Abstand zwischen den Lagerrollen
und der in der Sollposition befindlichen Welle eingestellt werden kann.
Die Erfindung liegt somit darin, zur Lagerung der horizontal liegenden
Welle Rollen zu verwenden, deren Verschiebbarkeit einerseits eine
vertikale Verschiebung der gesamten Welle von der Sollposition in
die höherliegende
Warteposition ermöglicht
und andererseits bewirken kann, dass die Rollen beim Betrieb der
Magnetlagerung von der Welle beabstandet werden können, weswegen
das Hilfslager in seiner Funktion als Fanglager die Welle nicht
berührt und
somit eine reibungsfreie Funktion möglich ist. Andererseits kann
für den
Fall, dass der zulässige Bereich
für translatorische
Bewegungen der Welle insbesondere in radialer Richtung überschritten
würde,
durch Berührung
der Welle mit den Rollen des Hilfslagers vorteilhaft eine vergleichsweise
reibungsarme Führung
der Welle nach dem Prinzip einer Wälzlagerung erfolgen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass unterhalb der Welle
zumindest zwei Lagerrollen gemeinsam auf einem vertikal verschiebbaren
Tragkörper
angeordnet sind und oberhalb der Welle zumindest eine Lagerrolle
insbesondere ortsfest in der Magnetlagerung vorgesehen ist. Von
den Lagerrollen auf dem Tragkörper
kann die Welle vorteilhaft vor Inbetriebnahme der Magnetlagerung
sicher und in eindeutiger Positionierung gelagert werden. Durch
die vertikale Verschiebbarkeit kann die Welle weiterhin in die Warteposition
gebracht werden. Wird der Betrieb des Magnetlagers aufgenommen, kann
der Tragkörper
soweit abgesenkt werden, dass die Lagerrollen die Welle nicht mehr
berühren.
Die ortsfeste Lagerrolle oberhalb der Magnetwelle kommt nur bei
der Funktion des Hilfslagers als Fanglager zum Einsatz. Diese bildet
zusammen mit den Rollen auf dem Tragkörper eine radiale Begrenzung
des Wellenspiels. Zur Begrenzung in alle radialen Richtungen der
Welle sind mindestens drei Rollen im Hilfslager vorzusehen. Eine
genauere Führung
bzw. eine Verringerung der auftretenden Lagerkräfte für den Fall, dass das Fanglager
zum Einsatz kommen muss, lässt
sich durch Vorsehen von mehr als drei Rollen, insbesondere vier
oder fünf
Rollen bewirken.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Lagerrollen
in einem ringartigen, die Welle umgebenden Tragkörper radial verschiebbar gelagert
sind und der Tragkörper
selbst vertikal verschiebbar ist. Hierbei sind vorteilhaft zwei
getrennte Verstellmechanismen für
jeweils die Funktion des Hilfslagers als Fanglager bzw. als Positionierhilfe für die Welle
ausgeführt.
Die Positionierung der Welle wird durch vertikale Verschiebung des
gesamten Tragkörpers
erreicht, wobei die Lagerrollen in diesen Betriebszustand fest an
der Welle anliegen. Während des
Betriebs der Magnetlagerung können
die Lagerrollen radial von der Welle weg verschoben werden, so dass
ein reibungsarmer Betrieb der magnetisch gelagerten Welle möglich ist.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Lagerrollen ihrerseits in am Tragkörper befestigten
Auslegern gelagert sind, die wiederum um Achsen parallel zur Welle schwenkbar
sind. Durch die Schwenkung der Ausleger ist eine Bewegung möglich, die
eine Radialkomponente im Bezug auf die Welle aufweist, wodurch die
in den Auslegern gelagerten Lagerrollen von der Welle weg und zur
Welle hin bewegt werden können. Diese
konstruktive Aus gestaltung des erfindungsgemäßen Hilfslagers ist vorteilhaft
besonders robust.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Verschiebbarkeit der Lagerrollen durch
eine um die Wellenachse drehbare Stellscheibe gewährleistet
wird, in der Schlitze mit spiralförmigem Verlauf zur Führung der
Lagerrollen vorgesehen sind. Damit die Stellscheibe um die Wellenachse
drehbar ist, ohne diese zu behindern, weist die Stellscheibe in
der Mitte eine Öffnung
auf, durch die die Welle berührungslos
hindurchgeschoben werden kann. Die Schlitze mit spiralförmigem Verlauf
sind so ausgestaltet, dass sie mit den Lagerungen der Lagerrollen
korrespondieren. Durch Drehung der Stellscheibe werden die Schlitze in
Bezug auf die Lagerstellen der Lagerrollen tangential bewegt, wobei
sich der Abstand der Lagerrollen von der Welle verändert. Durch
Drehung der Stellscheibe ist somit der radiale Abstand der Lagerrollen zur
Welle einstellbar. Die Stellscheibe ermöglicht somit vorteilhaft insbesondere
in Kombination mit der Lagerung der Lagerrollen in Auslegern eine
besonders robuste Konstruktion, weswegen das Hilfslager insbesondere
in seiner Funktion als Fanglager hohe Lagerkräfte aufnehmen kann, um die
Magnetlagerung vor Beschädigungen
zu schützen.
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Gemäß einer
Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wartestellung der
Welle durch einen oberen Anschlag für den Tragkörper definiert ist. Hierdurch
lässt sich
die Wartestellung vorteilhaft einfach erzeugen, indem der Tragkörper bis
zum oberen Anschlag bewegt wird. Alternativ ist es auch möglich, dass
die Wartestellung der Welle durch mindestens eine ortsfeste Lagerrolle
als Anschlag für
die Welle definiert ist. Hierbei wird vorteilhaft die Welle einfach dadurch
in Wartestellung gebracht, dass die Welle solange angehoben wird,
bis sie an die ortsfesten Lagerrollen über ihr anstößt. Ein
Spiel zwischen den oberen Lagerrollen und der Welle stellt sich
dann beim Betrieb der Magnetlagerung automatisch ein, da die Welle
in die durch die Funktion der Magnetlagerung vorgegebene Sollposition
absinkt. Die unteren Lagerrollen werden dadurch von der Welle beabstandet,
dass der Tragkörper
vertikal nach unten verstellt wird.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn ein unterer Anschlag für den Tragkörper vorgesehen
ist, der eine Position des Tragkörpers
mit gleichmäßigem Abstand
der Lagerrollen von der in der Sollposition befindlichen Welle vorgibt.
Hierdurch wird vorteilhaft auch für die Funktion des Hilfslagers
als Fanglager eine definierte Positionierung der Rollen vorgegeben.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung
beschrieben. Hierbei zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Magnetlagerung
im schematischen Schnitt und
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Magnetlagerung
als Aufsicht.
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Eine
Magnetlagerung gemäß 1 für eine Welle 11 weist
einen Lagerpartner 12 auf, der als permanentmagnetischer
Ring fest auf der Welle 11 ausgeführt ist. Mit dem Lagerpartner 12 läuft die
Welle in einem Lagerpartner 13, der aus einem Supraleiter gebildet
ist. Mittels einer nicht näher
dargestellten Kühlung
kann der Lagerpartner 13 auf seine Betriebstemperatur gekühlt werden
(beim Hochtemperatursupraleiter YBCO beispielsweise 77 K). Beim
Betrieb des Magnetlagers wird die Welle 11 im Unterschied zu
der in 1 dargestellten Position konzentrisch im Lagerpartner 13 gehalten,
so dass die Welle gleichmäßig von
Lagerrollen 14, 15 eines Hilfslagers entfernt
ist.
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Um
die Magnetlagerung in Betrieb zu nehmen, muss zunächst eine
Kühlung
des supraleitenden Lagerpartners 13 erfolgen. Vor Inbetriebnahme liegt
die Welle 11 noch auf den Lagerrollen 15 des Hilfslagers
auf und befindet sich dabei in einer Ruheposition 16. Vor
einer Kühlung
des Lagerpartners 13 muss die Welle jedoch in eine Warteposition 17 verschoben
werden, die oberhalb einer Sollposition 18 liegt, welche
die Welle im Betrieb der Magnetlagerung einnimmt. Hierzu ist das
Hilfslager mit einer Hebevorrichtung 19, bestehend aus
einem vertikal verschiebbaren Tragkörper 20 und einem
Anschlagmechanismus 21 ausgestattet. Auf dem Tragkörper sind die
Lagerrollen 15 drehbar gelagert, so dass die auf diesen
aufliegende Welle mittels des Tragkörpers vertikal verschiebbar
ist. Um die Welle von der Ruheposition 16 in die Warteposition 17 zu
bringen, muss der Tragkörper
von einem unteren Anschlag 22 zu einem oberen Anschlag 23 bewegt
werden.
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Nach
Aktivierung der Magnetlagerung kann der Tragkörper 20 wieder zum
unteren Anschlag 22 hin verschoben werden. Aufgrund der
durch die Absenkung der Welle 11 mit dem permanentmagnetischen
Lagerpartner 12 induzierten Haltekraft zwischen dem supraleitenden
Lagerpartner 13 und dem magnetischen Lagerpartner 12 folgt
die Welle 11 der Abwärtsbewegung
des Tragkörpers 20 jedoch
nur bis zu deren Sollposition 18, so dass sich zwischen
der Welle 11 und allen Lagerrollen 14, 15 ein
radialer Abstand ausbildet (nicht dargestellt). Die Lagerrollen kommen
lediglich bei einem Radialversatz der Welle als Fanglager zum Einsatz,
soweit der Radialversatz die zulässigen
Grenzen überschreiten
würde.
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Die
Magnetlagerung gemäß 2 ist
mit ihrem Gehäuse 24 zur
thermischen Isolation des supraleitenden Lagerpartners dargestellt.
Die Lagerpartner sind daher nicht zu erkennen. Der Tragkörper 25 für die Welle 11 ist
mit einem Spindeltrieb 26a verschraubt, welcher seinerseits
am Gehäuse
befestigt ist. Durch Kurbeln der Spindel 27a des Spindeltriebes 26a lässt sich
der Tragkörper 25 in
seiner Höhe
verstellen. An dem Tragkörper 25 sind über Ausleger 28 weiterhin
die Lagerrollen 29 drehbar befestigt, wobei die Ausleger
ihrerseits jeweils um das den Lagerrollen abgewandte Ende schwenkbar
sind. In dem in der 2 dargestellten Zustand umschließen die
Lagerrollen 29 die Welle 11 fest, so dass die
Welle von der dargestellten Ruheposition am Anschlag 22 durch Kurbeln
der Spindel 27a in die Warteposition gebracht werden kann,
welche durch den Anschlag 23 definiert ist. Hierbei muss
eine Spindel 27b eines Spindeltriebes 26b parallel
gedreht werden, um das Anliegen der Lagerrollen 29 auf
der Welle 11 zu gewährleisten.
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Werden
die Spindel 27a, 27b nicht synchron gedreht (z.
B. Drehen nur der Spindel 27b), so wird über einen
Anlenkhebel 30 eine starr mit diesem verbundenen Stellscheibe 31 um
die Mittelachse der Welle 11 gedreht. Die Stellscheibe
weist spiralförmige
Schlitze 32 auf, in die die Lagerrollen 29 mit
ihren in den Auslegern 28 gelagerten Wellenenden 33 eingreifen.
Durch Drehen der Stellscheibe 31 wird aufgrund des spiralförmigen Verlaufes
der Schlitze 32 eine je nach Drehrichtung zunehmende oder
abnehmende Entfernung der Lagerrollen 29 von der Welle 11 in
radialer Richtung bei gleichzeitigem Schwenken der Ausleger 28 bewirkt.
Hierdurch wird die Funktion des Hilfslagers als Fanglager mit einem
durch die Lagerrollen vorgegebenen Lagerspiel aktiviert. Auch beim
Spindeltrieb 27b sind Anschlagschrauben 34 vorgesehen,
mit deren Hilfe die Drehung der Stellscheibe 31 und damit
das Lagerspiel begrenzt werden können.
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Alternativ
zu der in 2 dargestellten Variante können die
Spindeltriebe 27a, 27b auch derart miteinander
gekoppelt werden, dass der Spindeltrieb 27b nicht an dem
Gehäuse 24 sondern
ebenfalls auf dem Tragkörper 25 befestigt
ist (nicht dargestellt). Bei dieser Variante würde eine Verstellung der Höhe der Welle 11 durch
Drehen lediglich der Spindel 27a und eine Verstellung des
Lagerspiels lediglich durch Drehen der Spindel 27b erreicht.