DE102005030139A1

DE102005030139A1 - Vorrichtung zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle mit Radialführung und Axialregelung

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Publication number: DE102005030139A1
Application number: DE102005030139A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: EP1896741A2; DE102005030139B4; US8058758B2; WO2007000405A2; CN101218445A; US20090295244A1; CN101218445B; WO2007000405A3

Abstract

Die Magnetlagervorrichtung (12) enthält radial ineinandergreifende weichmagnetische Rotorscheibenelemente (4i) und weichmagneteische Statorscheibenelemente (7i). Diese Elemente (4i, 7i) sind auf ihren jeweils einander zugewandten Seiten mit sich über einen Luftspalt (8k) gegenüberstehenden, zahnartigen Fortsätzen (4f bzw. 7f) versehen. Für eine Radialführung sind den Statorscheibenelementen (7i) magnetfelderzeugende Mittel (7m) wie Permanentmagnete (7m) zum Erzeugen eines zwischen den Scheibenelementen (4i, 7i) in axialer Richtung gerichteten magnetischen Halteflusses (Mf1) zugeordnet. Für eine Axialregelung ist im Bereich der Mittelebene (Me) der Lagervorrichtung (2) zusätzlich eine Elektromagnetwicklung (9) vorgesehen, mit der ein den magnetischen Haltefluss (Mf1) überlagernder magnetischer Steuerfluss (Mf2) zu erzeugen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle gegen einen Stator mit folgenden Merkmalen:

a) Ein erster Lagerteil ist mit der Rotorwelle verbunden und von einem zweiten, dem Stator zugeordneten Lagerteil unter Beabstandung umgeben,
b) der erste Lagerteil enthält senkrecht zur Achse der Rotorwelle ausgerichtete, in Richtung der Achse hintereinander angeordnete Rotorscheibenelemente, die jeweils unter Ausbildung eines Zwischenraums beabstandet sind,
c) der zweite Lagerteil enthält senkrecht zur Achse der Rotorwelle ausgerichtete, in Richtung der Rotorachse hintereinander angeordnete, untereinander beabstandete Statorscheibenelemente, die jeweils in einen der Zwischenräume benachbarter Rotorscheibenelemente hineinragen,
d) zwischen den Elementen ist ein im Wesentlichen in axialer Richtung gerichteter Magnetfluss ausgebildet.

Eine entsprechende Lagereinrichtung geht z.B. aus der DE 38 44 563 C2 hervor.
Magnetische Lagereinrichtungen erlauben eine berührungs- und verschleißfreie Lagerung von bewegten Teilen. Sie benötigen keine Schmiermittel und können reibungsarm konstruiert werden. Herkömmliche (konventionelle) Radial- oder Axialmagnetlagereinrichtungen benutzen magnetische Kräfte zwischen stationären Elektromagneten eines Stators und mitrotierenden ferromagnetischen Elementen eines Rotorkörpers. Die Magnetkräfte sind bei diesem Lagertyp immer anziehend. Als Folge davon kann prinzipiell keine inhärent stabile Lagerung in allen drei Raumrichtungen erzielt werden. Solche Magnetlagereinrichtungen benötigen deshalb eine aktive Lagerregelung, die über Lagesensoren und Regelkreise die Ströme von Elektro magneten steuern und Abweichungen des Rotorkörpers aus seiner Solllage entgegenwirken. Die mehrkanalig auszuführende Regelung benötigt eine aufwendige Leistungselektronik. Entsprechende Magnetlagereinrichtungen werden z.B. bei Turbomolekularpumpen, Ultrazentrifugen, schnelllaufenden Spindeln von Werkzeugmaschinen und Röntgenröhren mit Drehanoden eingesetzt; auch eine Verwendung bei Motoren, Generatoren, Turbinen und Kompressoren ist bekannt.
Der prinzipielle Aufbau einer entsprechenden Lagereinrichtung 30 ist in 1 skizziert. In der Figur sind zwei aktive Radiallager 31 und 32 mit Erregermagneten 33 und 34 und Radiallagerrotorscheiben 35 und 36 an einer Rotorwelle 37, ein aktives Axiallager 38 mit Axiallagerrotorscheiben 39 und 40 an der Rotorwelle 37 und konzentrischen Erregerwicklungen 42i an den Rotorscheiben sowie fünf Abstandssensoren 41a bis 41e entsprechend den jeweils zwei lateralen Freiheitsgraden pro Radiallager und dem einen Freiheitsgrad des Axiallagers angedeutet. Außerdem sind hier fünf zugeordnete Regelkreise r1 bis r4 bzw. z5 erforderlich. Weil bei einer solchen Lagereinrichtung bei kleiner werdendem Lagerspalt die Anziehungskräfte zunehmen, sind diese Einrichtungen von vornherein instationär. Die Lage der Rotorwelle 37 muss daher über die Regelkreise, bestehend aus Abstandsmessung mittels der Sensoren 41a bis 41e mit nachgeordnetem Regler und nachgeordnetem Verstärker, der die Erregermagnete 33 und 34 speist, stabilisiert werden. Entsprechende Lagereinrichtungen sind dementsprechend aufwendig. Gegen einen plötzlichen Ausfall eines Regelkreises müssen zusätzlich mechanische Fanglager vorgesehen werden.
Bekannt sind ferner z.B. aus der DE 44 36 831 C2 magnetische Lagereinrichtungen mit Permanentmagneten und Hoch-T_c-Supraleitermaterial. Solche Lagereinrichtungen sind eigenstabil, d.h. sie benötigen keine Regelung. Wegen der erforderlichen kryogenen Betriebstemperatur des Supraleitermaterials von insbesondere unter 80 K sind jedoch eine thermische Isolie rung und eine Kälteversorgung durch ein entsprechendes kryogenes Kühlmittel oder durch eine Kältemaschine erforderlich.
Zum Stand der Technik gehören auch in einer Richtung eigenstabile Lagereinrichtungen mit Magnetfluss, weichmagnetischen Teilen wie aus Eisen und mit Permanentmagneten. Bei entsprechenden Ausführungen solcher Lagereinrichtungen, wie sie z.B. aus der DE 34 09 047 A1 und der eingangs genannten DE 38 44 563 C2 zu entnehmen sind, richten sich Dauermagnetringe auf einer Welle axial in erster Linie mit den Polen eines Eisenjochs aus und bewirken so eine radiale Zentrierung. Der Magnetfluss wird hier durch Erregerspulen verstärkt, wobei gegebenenfalls der axial instabile Freiheitsgrad durch einen elektronischen Regelkreis stabilisiert wird. Dabei können mehrere axial hintereinander abwechselnd stationäre und rotierende Ringmagnete mit gleicher axialer Magnetisierung aufgereiht sein und eine radiale Lagerfunktion erfüllen. Auch hier muss der axiale Freiheitsgrad aktiv stabilisiert werden.
Alle vorstehend angesprochenen Lagereinrichtungen mit permanentmagnetischen Teilen haben jedoch eine verhältnismäßig geringe Tragkraft und eine unzureichende Lagersteifigkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine magnetische Lagereinrichtung für eine berührungsfreie Lagerung einer welle, insbesondere für eine schnelllaufende Maschine wie z.B. ein Turbokompressor, anzugeben, die gegenüber dem genannten Stand der Technik weniger aufwendig ist. Insbesondere soll unter Berücksichtigung dynamischer Kräfte und enger Spalttoleranzen eine hohe Tragkraft und eine hohe Lagersteifigkeit zu gewährleisten sein.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. Demgemäß sollen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle gegen einen Stator folgende Merkmale vorgesehen sein:

– Ein erster Lagerteil ist mit der Rotorwelle verbunden und von einem zweiten, dem Stator zugeordneten Lagerteil unter gegenseitiger Beabstandung umgeben,
– der erste Lagerteil enthält senkrecht zur Achse der Rotorwelle ausgerichtete, in Richtung der Rotorwellenachse hintereinander angeordnete weichmagnetische Rotorscheibenelemente, die jeweils unter Ausbildung eines Zwischenraumes beabstandet sind,
– der zweite Lagerteil enthält senkrecht zur Rotorwellenachse ausgerichtete, in Richtung dieser Achse hintereinander angeordnete, untereinander beabstandete weichmagnetische Statorscheibenelemente, die jeweils in einen der Zwischenräume benachbarter Rotorscheibenelemente hineinragen,
– die Rotorscheibenelemente und die Statorscheibenelemente sind auf ihren jeweils einander zugewandten Seiten zu ringförmigen, sich jeweils über einen Luftspalt gegenüberstehenden zahnartigen Fortsätzen ausgebildet,
– für eine Radialführung sind den Statorscheibenelementen magnetfelderzeugende Mittel zum Erzeugen eines zwischen den Rotorscheibenelementen und den Statorscheibenelementen im Wesentlichen in axialer Richtung gerichteten magnetischen Haltefluss zugeordnet,
– die Lagerteile sind jeweils symmetrisch bezüglich einer senkrecht zur Rotorachse gerichteten Mittelebene in zwei Lagerhälften unterteilt, und
– für eine Axialregelung ist im Bereich der Mittelebene zusätzlich wenigstens eine ortsfeste Wicklung eines Elektromagneten vorgesehen, mit der ein magnetischer Steuerfluss zu erzeugen ist, der dem magnetischen Haltefluss zu überlagern ist, so dass sich die Flussdichten des Steuerflusses und des Halteflusses auf der einen Seite der Rotorscheibenelemente additiv und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite subtraktiv überlagern.

Für eine ungeregelte Radialführung- bzw. Lagerung treiben bei der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung im Gegensatz zum Stand der Technik die externen magnetfelderzeugenden Mittel einen magnetischen Haltefluss über den jeweiligen Lagerspalt und magnetisieren die zahnartigen Fortsätze aus dem weichmagnetischen, insbesondere eisenhaltigen Material. Hierbei wird die Magnetflussdichte im jeweiligen Spalt inhomogen, wodurch Kräfte auf die Eisenoberfläche ausgeübt werden. Vorteilhaft kann dabei in eisenhaltigem Material eine erheblich größere Magnetisierung und damit eine größere Lagerkraft pro Fläche erreicht werden als in Anordnungen mit Permanentmagnetmaterial wie z.B. Neodym-Eisen-Bor(Nd-Fe-B) allein.

Nach dem Reluktanzprinzip will das System den magnetischen Widerstand minimieren und die zahnartigen Fortsätze so ausrichten, dass sie sich möglichst nahe gegenüberstehen. In der Gleichgewichtslage stehen sich dann die zahnartigen Fortsätze exakt gegenüber; bei radialer Auslenkung bewirken die magnetischen Haltekräfte eine proportionale rückstellende Kraft; d.h. eine Radialregelung ist dann nicht mehr nötig.

Die maximale Radialkraft wird bei Verschiebung um eine halbe Breite der zahnartigen Fortsätze aufgebracht. Da die Längenskala durch die radiale Breite von Fortsätzen plus dazwischenliegender Lücken gegeben ist, kann die Lagersteifigkeit durch die Abmessungen der zahnartigen Fortsätze in weiten Grenzen gewählt werden. Insbesondere lassen sich durch eine feine Strukturierung der zahnartigen Fortsätze sehr steife Lagervorrichtungen realisieren. Bei symmetrischer Anordnung mit beidseitig gleichen Lagerspalten heben sich die axialen Kräfte auf die Rotorscheibenelemente auf. Allerdings ist dieses Gleichgewicht axial instabil und muss durch zusätzliche Mittel wie aktiv geregelte axiale Lagerteile stabilisiert werden. Pro Welle ist jedoch nur noch ein einziger Regelkreis für ein einziges Axiallager nötig statt fünf wie beim Stand der Technik mit aktiv geregelten Radiallagern.

Andererseits kann durch geringe Axialverschiebung eine erhebliche magnetische stationäre Axialkraft ohne Bedarf an elektrischer Leistung aufgebracht werden, so dass das Axiallager nur noch den dynamischen Anteil der Axiallast aufnehmen muss.

Dies ist durch eine Einstellung der Axiallagerregelung zu erreichen, wobei als Sollwert ein Minimum des zeitlichen Mittelwertes des Magnetstromes des Axiallagers vorgegeben wird. Eine entsprechende axiale Regelung ist erfindungsgemäß in die Lagervorrichtung integriert. Hierbei wirkt unabhängig von den zahnartigen Fortsätzen zusätzlich senkrecht auf die Eisenoberflächen eine anziehende Kraftdichte ²/2μ₀. Dabei ist der Mittelwert der Flussdichte, der normalerweise in den Lagerspalten auf beiden Seiten eines Rotorscheibenelementes gleich ist, so dass sich die Axialkräfte aufheben. Erfindungsgemäß wird dieses Gleichgewicht gestört, indem auf einer Seite eines Rotorscheibenelementes um ΔB und auf der anderen Seite entsprechend erniedrigt wird. Es bleibt somit eine Nettokraftdichte ± 2·ΔB· übrig, die zu der gewünschten axialen Lageregelung und Kraftentwicklung ausgenutzt wird.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Kombination von Magnetkreisen für einen vorgegebenen magnetischen Haltefluss und einen durch einen Spulenstrom beeinflussbaren Steuerfluss erreicht. In den Lagerspalten überlagern sich die beiden Flussdichten auf einer Seite jedes Rotorscheibenelementes additiv, erhöhen also die Kraft bzw. subtraktiv jeweils auf der anderen Seite und erniedrigen hier Flussdichte und Kraft. Es bleibt eine zum Steuerfluss proportionale axiale Nettokraft übrig.

Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Magnetlagervorrichtung zeichnet sich somit durch eine stabile, ungeregelte Radialführung und eine einzige, in einfacher Weise vorzunehmende Axialregelung aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden.

Demgemäß kann die Vorrichtung vorteilhaft noch folgende Merkmale aufweisen:

• So kann außerhalb der Zwischenräume zwischen den Scheibenelementen an deren radialer Innenseite und Außenseite jeweils sich axial erstreckendes weichmagnetisches Material zum Schließen der Magnetflusskreise vorgesehen sein. Dabei kann insbesondere das weichmagnetische Material durch einen axial verlaufenden Außenjochkörper und/oder durch zumindest Teile der Rotorwelle bereitgestellt sein. Mit solchen Teilen aus weichmagnetischem Material kann der magnetische Widerstand des Magnetflusskreises verkleinert werden, so dass damit eine entsprechende Vergrößerung der Flussdichte zwischen den zahnartigen Fortsätzen und folglich eine verbesserte magnetische Steifigkeit zu erreichen sind.
• Vorteilhaft können die magnetfelderzeugenden Mittel zur Erzeugung des Halteflusses permanentmagnetische Elemente sein, wobei diese permanentmagnetische Elemente zumindest in einige der Statorscheibenelemente integriert sein können. Entsprechende Lagervorrichtungen sind verhältnismäßig kompakt aufzubauen.
• Dabei lassen sich diese permanentmagnetischen Elemente vorteilhaft jeweils zwischen zwei axialen Hälften eines Statorscheibenelementes anordnen.
• Vorteilhaft ist es im Hinblick auf hohe Flussdichten zwischen den Scheibenelementen und eine effektive Nutzung des permanentmagnetischen Materials, wenn die mit den permanentmagnetischen Elementen versehenen Statorscheibenelemente radial eine größere Ausdehnung haben als die benachbarten Rotorscheibenelemente ohne permanentmagnetische Elemente.
• Statt einer Verwendung von permanentmagnetischen Mitteln zur Erzeugung des Halteflusses oder zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass diese magnetfelderzeugenden Mittel von wenigstens einer Wicklung eines Elektromagneten gebildet sind. Dabei kann diese wenigstens eine Magnetwicklung zur Erzeugung des Halteflusses in jeder Lager hälfte jeweils wenigstens einige der Rotorscheibenelemente unter Beabstandung umschließen.
• Außerdem kann die wenigstens eine Wicklung des Elektromagneten zur Erzeugung des magnetischen entweder ein den magnetischen Haltefluss und den magnetischen Steuerfluss führendes mittleres Rotorscheibenelement unter Beanstandung oder die Rotorwelle an ihrer magnetfeldführenden Außenseite berührungsfrei umgeben.
• Vorzugsweise können die einander zugewandten, mit den zahnartigen Fortsätzen versehenen Flachseiten der Rotorscheibenelemente und der Statorscheibenelemente gegenüber einer Senkrechten auf der Rotorwellenachse geneigt angeordnet sein. Mit einer derartigen Neigung ergeben sich keilförmige Längsschnittformen der Elemente. Die axiale Ausdehnung (bzw. Scheibendicke) und die Neigungswinkel werden dabei so gewählt, dass die Scheibenelemente den Magnetfluss überall aufnehmen können, ohne in die magnetische Sättigung zu kommen.
• Zur vollständigen Gewährleistung einer Axialregelung muss zumindest ein axialer Abstandssensor, müssen Sollwertgeber und Regler mit Verstärker zur Steuerung eines elektrischen Stromes durch die wenigstens eine Steuermagnetwicklung zur Erzeugung des magnetischen Steuerflusses vorgesehen zugeordnet sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie aus der Zeichnung hervor. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Magnetlagervorrichtungen veranschaulicht sind. Dabei zeigen jeweils in einem axialen Längsschnitt deren 2 und 3 je eine spezielle Ausführungsform einer solchen Magnetlagervorrichtung mit Permanentmagneten bzw. Erregermagnetwicklungen als magnetfelderzeugenden Mitteln für eine Radialführung. Aus 4 geht der prinzipielle Aufbau eines kompletten Magnetlagers mit Radialführung und Axialregelung hervor. Dabei sind in den Figuren sich ent sprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemein bekannt.

Die in 2 dargestellte, allgemein mit 2 bezeichnete Magnetlagervorrichtung weist einen zu einer Mittelebene Me symmetrischen Aufbau mit zwei Lagerhälften Lh1 und Lh2 auf. Die Vorrichtung umfasst eine berührungsfrei zu lagernde Rotorwelle 3 mit einem mitrotierenden ersten Lagerteil 4, welcher in jeder Lagerhälfte senkrecht zur Achse A der Rotorwelle ausgerichtete, an dieser befestigte, mitrotierende Rotorscheibenelemente 4i aus weichmagnetischem Material wie Eisen aufweist. Die Rotorscheibenelemente 4i sind in axialer Richtung hintereinander unter Ausbildung jeweiliger Zwischenräume 5j beabstandet angeordnet. Im Bereich der Mittelebene Me ist an der Rotorwelle 3 ein zentrales Rotorscheibenelement 4z ebenfalls aus dem weichmagnetischen Material angebracht, wobei dieses Element gegenüber den Rotorscheibenelementen 4i in den beiden Lagerhälften eine vergleichsweise größere axiale Ausdehnung aufweist.

Ein ortsfester Stator der Magnetlagervorrichtung 2 bildet einen zweiten Lagerteil 7 mit ebenfalls untereinander axial beabstandeten, ringscheibenförmigen, die Rotorwelle 3 unter Beabstandung umschließenden Statorscheibenelementen 7i. Diese Statorscheibenelemente aus ebenfalls weichmagnetischem Material ragen berührungsfrei in die Zwischenräume 5j radial hinein, so dass sich in jeder Lagerhälfte Lh1, Lh2 eine axial alternierenden, kammartigen Anordnung von Rotorscheibenelementen 4i und Statorscheibenelementen 7i ergibt. Die Rotorscheibenelemente und die Statorscheibenelemente sind auf ihren jeweils einander zugewandten Flachseiten mit sich konzentrisch umschließenden, ringförmigen zahnartigen Fortsätzen 4f bzw. 7f versehen bzw. zu solchen Fortsätzen gestaltet. Beispielsweise werden diese zahnartigen Fortsätze durch Einarbeitung von ringförmigen, konzentrischen Rillen oder Nuten in die beiden gegenüberliegenden Flachseiten von entsprechenden Eisenscheiben erhalten. Die zahnartigen Fortsätze beider Scheibenelemente stehen sich jeweils über einen geringen Luftspalt 8k gegenüber.

Den Statorscheibenelementen 7i sind Mittel zum Erzeugen eines über die Luftspalte 8k zwischen den Rotorscheibenelementen und den Statorscheibenelementen axialen Magnetflusses zugeordnet. Dessen Feldlinien sind in der Figur mit durchgezogenen Linien angedeutet und mit Mf1 bezeichnet. Dabei versucht das System nach dem Reluktanzprinzip den magnetischen Widerstand zu minimieren und die zahnartigen Fortsätze so auszurichten, dass sie sich in einer Gleichgewichtslage exakt gegenüberstehen. Bei einer radialen Auslenkung bewirken jedoch die Magnetkräfte eine proportionale rückstellende Kraft; d.h., eine Radialregelung ist nicht nötig. Der zu dieser radialen Führung bzw. Lagerung der Rotorwelle 3 mit ihren daran angebrachten, insbesondere magnetflussführenden Teilen dienende Magnetfluss ist deshalb auch als „radialer Haltefluss" zu bezeichnen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 ist zur Erzeugung dieses Halteflusses Mf1 jedes Statorscheibenelement 7i axial in zwei Hälften unterteilt, zwischen denen eine sich radial erstreckende Schicht oder Ringscheibe 7m aus einem permanentmagnetischen Material wie insbesondere NdFeB befindet. Dabei haben die Statorscheibenelemente 7i vorteilhaft eine größere radiale Ausdehnung als ihre gerillte Wirkfläche mit den zahnartigen Fortsätzen 7f einnimmt. Auf diese Weise lassen sich in den Luftspalten 8k Flussdichten von insbesondere 1 Tesla oder mehr erreichen und kann das Magnetmaterial in einem Arbeitspunkt, z.B. zwischen 0,5 und 0,8 Tesla bei Verwendung von NdFeB mit einem großen Energieprodukt B·H betrieben werden.

Wie ferner aus der 2 zu entnehmen ist, können außerdem die einander zugewandten, mit den zahnartigen Fortsätzen 4f und 7f versehenen Flachseiten der Rotorscheibenelemente 4i und 4z einerseits und der Statorscheibenelemente 7i andererseits geneigt angeordnet sein, so dass sich trapezähnliche Querschnittsformen ergeben. Mit einer solchen Neigung ist die Eisendicke dem lokalen Magnetfluss anzupassen und damit auch die axiale Lagerlänge zu begrenzen. Der Neigungswinkel α gegenüber der Mittelebene Me sollte dabei so gewählt werden, dass trotz der sich ergebenden Keilform der Scheibenelemente (im Längsschnitt gesehen) in den Scheibenelementen keine Bereiche mit magnetischer Sättigung auftreten. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Winkel α zwischen etwa 7° und 15°, beispielsweise bei etwa 10°.

Zur Schließung der Führung des Magnetflusses Mf1 zur Radialführung bzw. -lagerung sind an den stirnseitigen Ende der Lagerhälften Lh1 und Lh2 einseitig gerillte Rotorscheibenelemente 4e als Flussleitstücke ausgebildet, die zusammen mit einer ferromagnetischen Flussrückführung über die zumindest an ihrer Außenseite aus ferromagnetischem Material bestehende Rotorwelle den Magnetkreis schließen.

Wie vorstehend beschrieben, wird eine zentrierende radiale und dezentrierende axiale Kraftwirkung in der Magnetlagervorrichtung 2 durch die von den zahnartigen Fortsätzen 4f und 7f der Scheibenelemente 4i und 7i verursachten Inhomogenitäten des Magnetfeldes in den Luftspalten 8k bewirkt. Unabhängig von den zahnartigen Fortsätzen wirkt bei der Lagervorrichtung zusätzlich senkrecht auf die Oberflächen der weichmagnetischen Teile eine anziehende Kraftdichte, deren Größe ²/2μ₀ ist. Dabei stellt die Größe den Mittelwert der Flussdichte dar, die normalerweise in den Luftspalten auf beiden Seiten eines Rotorscheibenelementes gleich ist, so dass sich die entsprechenden Axialkräfte aufheben. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Magnetlagervorrichtung 2 wird jedoch dieses Gleichgewicht gestört, indem auf einer Seite der Rotorscheibe die Größe um einen Wert ΔB erhöht und auf der gegenüberliegenden Seite erniedrigt wird. Es verbleibt dabei eine Nettokraftdichte ± 2·ΔB·, welche zu einer axialen Lageregelung bzw. einer diesbezüglichen Kraftentwicklung ausgenutzt wird.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Kombination von Magnetkreisen für den erwähnten, vorgegebenen magnetischen Haltefluss Mf1 und einen durch einen Spulenstrom beeinflussbaren Steuerfluss Mf2 erreicht. Dieser Steuerfluss wird mit Hilfe wenigstens einer im Bereich der Mittelebene Me liegenden zusätzlichen Steuermagnetwicklung 9 eines Elektromagneten hervorgerufen. Diese Wicklung umschließt dabei berührungsfrei das mitrotierende zentrale Rotorscheibenelement 4z. In Verbindung mit einem die Statorscheibenelemente 7i auf ihrer Außenseite hüllenartig umschließenden, von diesen über einen nicht-magnetischen Zwischenkörper 10 getrennten Außenjochkörper 11 aus ferromagnetischem Material ist dann von der Steuermagnetwicklung 9 ein dem Haltemagnetfluss Mf1 überlagerter, durch gestrichelte Linien angedeuteter magnetischer Steuerfluss Mf2 zu erzeugen, der sich ebenfalls über die Rotorwelle 3 schließt. In den Luftspalten 8k überlagern sich beide Flussdichten auf einer Seite jedes Rotorscheibenelementes 4i additiv, wobei also die entsprechende Kraft erhöht wird, während es auf der gegenüberliegenden Seite zu einer Subtraktion der beiden Flussdichten kommt, die zu einer entsprechenden Reduzierung der Kraft führt. Es verbleibt dann eine zum Steuerfluss Mf2 proportionale axiale Nettokraft. Mit den in 2 beispielsweise eingetragenen Feldrichtung des Halteflusses Mf1 und des Steuerflusses Mf2 wird dann die Rotorwelle mit den an ihr befestigten Teilen mit einer Kraft F_z nach links gezogen.

Um ein Kurzschließen des Trageflusses zu verhindern, ist der Außenjochkörper 11 für den Steuerfluss Mf2 von den Statorscheibenelementen 7i um einen Abstand a beabstandet, wobei die Größe a im Allgemeinen zwischen dem 2 und 10fachen der Weite w der Luftspalte 8k liegt. Hierzu dient der Zwischenkörper 10 aus nicht-magnetischem Material.

Statt der für die Ausführungsform der Magnetlagervorrichtung 2 angenommenen Verwendung von permanentmagnetischen Elementen als magnetfelderzeugende Mittel können ebenso gut auch Wicklungen von Elektromagneten zur Erzeugung des magnetischen Halteflusses Mf1 vorgesehen werden. In 3 ist eine entsprechende Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung in 2 entsprechender Darstellung gezeigt und allgemein mit 12 bezeichnet. Hier sind im Bereich der radialen Außenseite der mitrotierenden Rotorscheibenelemente 4i ortsfest Wicklungen 131 eines Elektromagneten angeordnet, wobei sich die Statorscheibenelemente 7i radial zwischen den einzelnen Magnetwicklungen 131 hindurch erstrecken. Der Magnetflusskreis für den Haltefluss Mf1 wird über einen Außenjochkörper 14 geschlossen, an dem die Statorscheibenelemente 7i jeweils direkt mit ihrer radialen Außenseite anliegen. Die Rotorwelle 3 ist hier zwar ebenfalls aus magnetischem Material. Um den Schluss des Magnetflusskreises des Halteflusses Mf1 über den Außenjochkörper 14 nicht zu beeinträchtigen, sind jedoch die einzelnen Rotorscheibenelemente 4i über einen hülsenartigen Zwischenkörper 15 mit radialer Ausdehnung a aus nicht-magnetischem Material gegenüber der Rotorwelle 3 magnetisch entkoppelt. Auch hier wird die Größe a wie bei der Ausführungsform nach 2 gewählt.

Bei der Ausführungsform der Magnetlagervorrichtung 12 nach 3 wird der magnetische Steuerfluss Mf2 ebenfalls von einer ortsfesten Wicklung 17 eines Elektromagneten hervorgerufen. Diese Steuermagnetwicklung 17 befindet sich hier jedoch in einem rotorwellennahen Bereich der Mittelebene Me, um den Flusslinienverlauf des Halteflusses Mf1 nicht zu behindern. Deshalb ist auch in diesem Bereich auf ein zentrales Rotorscheibenelement verzichtet. Der Steuerfluss Mf2 schließt sich hier achsnah über die Rotorwelle 3 und achsfern über dort im Bereich der Mittelebene Me aneinander liegende Statorendscheibenelemente 7e und den Außenjochkörper 14.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen von Magnetlagervorrichtungen 2 und 12 wurde davon ausgegangen, dass die magnetfelderzeugenden Mittel zur Erzeugung des magnetischen Halteflusses Mf1 entweder permanentmagnetische Elemente 7m oder Wicklungen 131 wenigstens eines Erregermagneten sind. Selbstverständlich ist zur Erzeugung des gewünschten axialen Halte flusses Mf1 über die zahnartigen Fortsätze 4f und 7f auch eine Kombination von permanentmagnetischen Elementen und Wicklungen von Elektromagneten möglich.

Selbstverständlich können die Magnetlagervorrichtungen 2 und 12 nach der Erfindung auch so ausgerichtet betrieben werden, dass ihre Rotorwellenachse A nicht in der Horizontalen liegt, sondern schräg oder senkrecht dazu gerichtet ist.

Der Vorteil des Aufbaus erfindungsgemäßer Magnetlagervorrichtungen ist in dem Wegfall eines getrennten Axiallagers bei einer Wellenlagerung zu sehen. Das magnetische Axialfeld der Radiallagerfunktion wirkt dabei linearisierend auf die Strom-Kraft-Charakteristik der axialen Positionsregelung. Durch Minimierung des Stromwertes im Regelkonzept lässt sich der Leistungsbedarf der Regelung gering halten. Damit ist vielfach auch eine entsprechende Vereinfachung einer Kühlung der Lagervorrichtung verbunden.

Eine mit einer oder zwei solcher Magnetlagervorrichtungen gehaltene Rotorwelle 3 kann mit einer axialen Lageregelung berührungslos gehalten werden. Ein entsprechendes, nachfolgend z.B. mit zwei gleich aufgebauten Magnetlagervorrichtungen 2 und 2' nach 2 ausgestattetes magnetisches Lager 24 beinhaltet gemäß dem in 4 angedeuteten Regelungsblockschema wenigstens einen Abstandssensor 25, einen Sollwertgeber 26, einer Vergleichsschaltungseinrichtung 27 sowie eine Reglereinrichtung 28 mit nachgeordnetem Verstärker. Dieser Verstärker steuert die Axialsteuerwicklung der einen, vorzugsweise beider Magnetlagervorrichtungen in Serie und hält eine axiale Sollposition ein. Im Gegensatz zu herkömmlichen Magnetlagervorrichtungen, bei denen die Kraft proportional zu B² ist, ist hier die Kraft-Stromcharakteristik nahezu linear; d.h., bei Stromumkehr kehrt sich auch die Kraftrichtung um. Dies vereinfacht die Auslegung und Stabilität der Regelung.

Als fester Sollwert z₀ der Axialposition z kann z.B. die Mittellage der Rotorscheibenelemente 4i zwischen den benachbar ten Statorscheibenelementen 7i vorgegeben werden. Vorteilhaft wird die Regelung jedoch um eine andere Zielvorgabe erweitert, wonach der zeitliche Mittelwert des Spulenstroms nahe bei Null sein soll. Wie in dem Blockschaltungsschema der 4 mit angedeutet ist, wird dazu das Integral des Magnetstromes, multipliziert mit einem Skalierungsfaktor als Positionssollwert z₀ in der Vergleichsschaltungseinrichtung 27 mit der Istposition z vom Abstandssensor 25 verglichen. Die Differenz wirkt als Regelabweichung über die Reglereinrichtung 28 mit dem Verstärker auf den Strom zurück. Es stellt sich eine axial verschobene, nicht-symmetrische Position der Rotorscheibenelemente ein. Eine stationäre axiale Last auf die Rotorwelle 3 wird dann im Wesentlichen leistungslos von den axialen Magnetkräften auf Grund der Wechselwirkung zwischen den gegenüberliegenden zahnartigen Fortsätzen 4f und 7f aufgebracht. Der axiale Regelkreis muss nur noch die zeitlich variablen Kräfte ausgleichen und die axiale Stabilität gewährleisten.

Claims

Vorrichtung (2, 12) zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle (3) gegen einen Stator mit folgenden Merkmalen: – Ein erster Lagerteil (4) ist mit der Rotorwelle (3) verbunden und von einem zweiten, dem Stator zugeordneten Lagerteil (7) unter gegenseitiger Beabstandung umgeben, – der erste Lagerteil (4) enthält senkrecht zur Achse (A) der Rotorwelle (3) ausgerichtete, in Richtung der Rotorwellenachse (A) hintereinander angeordnete weichmagnetische Rotorscheibenelemente (4i), die jeweils unter Ausbildung eines Zwischenraumes (5j) beabstandet sind, – der zweite Lagerteil (7) enthält senkrecht zur Rotorwellenachse (A) ausgerichtete, in Richtung dieser Achse (A) hintereinander angeordnete, untereinander beabstandete weichmagnetische Statorscheibenelemente (7i), die jeweils in einen der Zwischenräume (5j) benachbarter Ringscheibenelemente (4i) hineinragen, – die Rotorscheibenelemente (4i) und die Statorscheibenelemente (7i) sind auf ihren jeweils einander zugewandten Flachseiten zu ringförmigen, sich jeweils über einen Luftspalt (8k) gegenüberstehenden zahnartigen Fortsätzen (4f bzw. 7f) ausgebildet, – für eine Radialführung der Rotorwelle (3) sind den Statorscheibenelementen (7i) magnetfelderzeugende Mittel zum Erzeugen eines über die Luftspalte (8k) im Wesentlichen in axialer Richtung gerichteten magnetischen Halteflusses (Mf1) zugeordnet, – die Lagerteile (4, 7) sind jeweils symmetrisch bezüglich einer senkrecht zur Rotorwellenachse (A) gerichteten Mittelebene (Me) in zwei Lagerhälften (Lh1, Lh2) unterteilt, und – für eine Axialregelung ist im Bereich der Mittelebene (Me) zusätzlich wenigstens eine ortsfeste Wicklung eines Elektromagneten (9, 17) vorgesehen, mit der ein magnetischer Steuerfluss (Mf2) zu erzeugen ist, der dem magnetischen Haltefluss (Mf1) zu überlagern ist, so dass sich die Flussdichten des Steuerflusses (Mf2) und des Halteflusses (Mf1) auf einer Seite der Rotorscheibenelemente (4i) additiv und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite subtraktiv überlagern.
Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Zwischenräume (5j) zwischen den Scheibenelementen an deren radialer Innenseite und Außenseite sich axial erstreckendes weichmagnetisches Material zum Schließen der Magnetflusskreise vorgesehen ist.
Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Material zum Schließen der Magnetflusskreise durch einen axial verlaufenden Außenjochkörper (11, 14) und/oder durch zumindest Teile der Rotorwelle (3) bereitgestellt ist.
Magnetlagervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Mittel zur Erzeugung des Halteflusses (Mf1) permanentmagnetische Elemente (7m) sind.
Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetischen Elemente (7m) zumindest in einige der Statorscheibenelemente (7i) integriert sind.
Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorscheibenelemente (7i) jeweils axial in zwei Hälften unterteilt sind, zwischen denen die permanentmagnetischen Elemente (7m) angeordnet sind.
Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorscheibenelemente (7i) radial eine größere Ausdehnung aufweisen als die Rotorscheibenelemente (4i) ohne permanentmagnetische Elemente.
Magnetlagervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass magnetfelderzeugende Mittel zur Erzeugung des Halteflusses (Mf1) von wenigstens einer Wicklung (131) eines Elektromagneten gebildet sind.
Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wicklung (131) zur Erzeugung des magnetischen Halteflusses (Mf1) die Rotorscheibenelemente (i) unter Beabstandung umgibt.
Magnetlagervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Magnetwicklung (9) zur Erzeugung des magnetischen Steuerflusses (Mf2) ein den magnetischen Haltefluss (Mf1) und den magnetischen Steuerfluss (Mf2) im Bereich der Mittelebene (Me) führendes mittleres Rotorscheibenelement (4z) unter Beanstandung umgibt (2).
Magnetlagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Magnetwicklung (17) zur Erzeugung des magnetischen Steuerflusses (Mf2) die Rotorwelle (3) in deren Nähe unter Beabstandung umgibt (3).
Magnetlagereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten, mit den zahnartigen Fortsätzen (4f, 7f) versehenen Flachseiten der Rotorscheibenelemente (4i) und Statorscheibenelemente (7i) gegenüber einer Senkrechten auf der Rotorwellenachse (A) geneigt angeordnet sind.
Magnetlagervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein axialer Abstandssensor (25), ein Sollwertgeber (26), eine Vergleichsschaltungseinrichtung (27) sowie eine Reglereinrichtung (28) mit nachgeordnetem Verstärker zur Steuerung eines elektrischen Stromes durch die wenigstens eine Steuermagnetwicklung (9, 17) zur Erzeugung des magnetischen Steuerflusses (Mf2) vorgesehen sind.