DE102004024206B4

DE102004024206B4 - Magnetlagerung mit einem supraleitenden Lagerpartner

Info

Publication number: DE102004024206B4
Application number: DE200410024206
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Kummeth; Peter Massek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: DE102004024206A1

Abstract

Magnetlagerung für eine Welle (11) mit einem permanentmagnetischen Lagerpartner (12) und einem supraleitenden Lagerpartner (13)
– zur Lagerung der Welle in einer Sollposition während des Betriebs der Magnetlagerung und mit einem Hilfslager (19)
– zur Positionierung der Welle (11) in der Magnetlagerung vor der Inbetriebnahme der Magnetlagerung in einer Warteposition oberhalb von der Sollposition der Welle (11) und
– zur Begrenzung des zulässigen Bereiches von translatorischen Bewegungen der Welle (11) während des Betriebs der Magnetlagerung
dadurch gekennzeichnet,
dass das Hilfslager (19) für sich gelagerte Lagerrollen (14, 15, 29) für die im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Welle (11) aufweist, wobei ein Teil, zumindest jedoch zwei der Lagerrollen (15,29) auf einem vertikal verschiebbaren Tragkörper (20,25) unterhalb der Welle (11) angeordnet sind, derart, dass
– die sich auf den Lagerrollen (15, 29) des Tragkörpers abstützende Welle (11) mit dem Tragkörper in...

Description

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.

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.

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.

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.

Gemäß der US 5,752,774 ist ein Hilfslager für eine Welle beschrieben, welche im Normalbetrieb mittels einer Magnetlagerung gehalten wird. Diese besteht aus einer Vielzahl von Rollen, die in einem gemeinsamen, ortsfesten Tragkörper gelagert sind und durch eine Radialbeweglichkeit bezüglich der zu lagernden Welle radial von dieser beabstandet werden können. Bei der Notwendigkeit einer Hilfslagerung kann dieser radiale Abstand verringert werden, so dass eine Berührung der Rollen mit der Welle erfolgt.

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.

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. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Teil, zumindest jedoch zwei der Lagerrollen auf einem vertikal verschiebbaren Tragkörper angeordnet sind, der sich unterhalb der Welle befindet. Durch vertikale Verschiebung des Tragkörpers kann die auf den Lagerrollen befindliche Welle in die Warteposition verschoben werden, wobei die Verschiebung der Lagerrollen im Tragkörper einen radialen Abstand zwischen den Lagerrollen und der in der Sollposition befindlichen Welle während des Betriebes erzeugt. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnetlagerung im schematischen Schnitt und
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnetlagerung als Aufsicht.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Magnetlagerung für eine Welle (11) mit einem permanentmagnetischen Lagerpartner (12) und einem supraleitenden Lagerpartner (13) – zur Lagerung der Welle in einer Sollposition während des Betriebs der Magnetlagerung und mit einem Hilfslager (19) – zur Positionierung der Welle (11) in der Magnetlagerung vor der Inbetriebnahme der Magnetlagerung in einer Warteposition oberhalb von der Sollposition der Welle (11) und – zur Begrenzung des zulässigen Bereiches von translatorischen Bewegungen der Welle (11) während des Betriebs der Magnetlagerung dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfslager (19) für sich gelagerte Lagerrollen (14, 15, 29) für die im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Welle (11) aufweist, wobei ein Teil, zumindest jedoch zwei der Lagerrollen (15,29) auf einem vertikal verschiebbaren Tragkörper (20,25) unterhalb der Welle (11) angeordnet sind, derart, dass – die sich auf den Lagerrollen (15, 29) des Tragkörpers abstützende Welle (11) mit dem Tragkörper in die Warteposition verschiebbar ist und – durch Verschiebung der Lagerrollen (15,29) ein radialer Abstand zwischen den Lagerrollen (14, 15, 29) und der in der Sollposition befindlichen Welle (11) einstellbar ist.
Magnetlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Welle zumindest eine Lagerrolle (14) ortfest in der Magnetlagerung vorgesehen ist.
Magnetlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrollen (29) in dem ringartig ausgebildeten, die Welle (11) umgebenden Tragkörper (25) radial verschiebbar gelagert sind.
Magnetlagerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrollen (29) in am Tragkörper (25) befestigten Auslegern (28) gelagert sind, die ihrerseits um Achsen parallel zur Welle schwenkbar sind.
Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebbarkeit der Lagerrollen (29) durch eine um die Wellenachse drehbare Stellscheibe (31) gewährleistet wird, in der Schlitze (32) mit spiralförmigem Verlauf zur Führung der Lagerrollen (29) vorgesehen sind.
Magnetlagerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wartestellung der Welle (11) durch einen oberen Anschlag (23) für den Tragkörper (20, 25) definiert ist.
Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wartestellung der Welle (11) durch mindestens eine ortsfeste Lagerrolle (14) als Anschlag für die Welle (11) definiert ist.
Magnetlagerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Anschlag (22) für den Tragkörper (20, 25) vorgesehen ist, der eine Position des Tragkörpers (20, 25) mit gleichmäßigem Abstand der Lagerrollen (14, 15, 29) von der in der Sollposition befindlichen Welle (11) vorgibt.