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Die
Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung zur berührungsfreien Lagerung eines
Rotors gegen einen Stator. Der Rotor weist zumindest eine um eine Achse
drehbare Welle auf, wobei zumindest eine Rotorscheibe mit der Welle
mechanisch verbunden ist. Der Stator weist zumindest zwei in axialer
Richtung unter Ausbildung eines Zwischenraums beabstandete Statorscheiben
auf. Die zumindest eine Rotorscheibe ragt unter Ausbildung eines
Lagerspalts in den Zwischenraum. Eine derartige Lagereinrichtung geht
beispielsweise aus der
DE
10 2005 028 209 A1 hervor.
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Lagereinrichtungen
zur berührungsfreien
Lagerung eines Rotors gegen einen Stator erlauben eine berührungs-
und verschleißfreie
Lagerung des Rotors, benötigen
keine Schmiermittel und können reibungsarm
oder nahezu reibungsfrei konstruiert werden. Derartige Lagereinrichtungen
können
beispielsweise Magnetlager sein. Magnetlagereinrichtungen können unter
Verwendung von permanentmagnetischen Elementen, magnetfelderzeugenden Wicklungen
oder auch als supraleitende Magnetlager konstruiert sein.
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Magnetlager
können
aktiv geregelt sein oder teilweise eigenstabil ausgelegt sein.
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Aktive
geregelte Magnetlager weisen eine Regelvorrichtung auf, mit welcher
die magnetischen Lagerkräfte
zu einer aktiven Stabilisierung des Rotors entsprechend geregelt
werden. Eine aktive Regelung beinhaltet typischerweise eine aufwändige Regelungselektronik,
und ist daher kostenintensiv. Um einen Absturz des Rotors bei Versagen
der Regelungselektronik zu vermeiden, weisen aktive geregelte Magnetlager
zusätzliche
mechanische Fanglager auf. Ein zusätzliches mechanisches Fanglager stellt
einen erhöhten
Konstruktionsaufwand für
das Magnetlagers dar und verursacht daher zusätzliche Kosten.
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Teilweise
eigenstabile Magnetlager können in
Radialrichtung oder Axialrichtung zur Drehachse des Rotors eigenstabil
sein. Ist ein solches Lager beispielsweise in radialer Richtung
eigenstabil, so weist es zur axialen Stabilisierung des Rotors beispielsweise
ein Ferrofluidlager oder ein Nadellager auf. Im Gegensatz zu dem
berührungslos
ausgelegten magnetischen Lagerteil verursacht der mechanische Lagerteil
Reibungsverluste. Derartige teilweise eigenstabile Lagereinrichtungen
gehen beispielsweise aus M. Siebert et. al.: A Passive Magnetic
Bearing Flywheel. NASA/TM-2002-211159, 2001. hervor. Ein weiteres in
radialer Richtung eigenstabiles Magnetlager, welches zusätzlich eine
hohe Lagerkraft aufweist, geht beispielsweise aus der
DE 10 2005 028 209 A1 hervor.
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Ein
radial eigenstabiles Magnetlager, welches eine aktive Regelung zur
axialen Stabilisierung aufweist, geht beispielsweise aus der
DE 10 2005 030 139
A1 hervor.
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Sowohl
ein aktiv geregeltes Magnetlager, wie auch ein mechanisch stabilisiertes,
teilweise eigenstabiles Magnetlager, setzen die eigentlichen Vorteile
eines Magnetlagers nur teilweise um.
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Eine
Lagereinrichtung, welche aus einem Magnet- und einem Fluidlager
aufgebaut ist, ist aus der
GB
982 728 und ebenfalls aus der
DE 43 42 583 A1 bekannt.
In der
GB 982 728 ist
ein Magnetlager mit einem Rotor und einem Stator beschrieben, welches
mit einem Fluidlager kombiniert ist. Der Rotor der Lagereinrichtung
weist in einem oberen Bereich eine Rotorscheibe auf, welche in einen
Spalt zweier in axialer Richtung benachbarter Statorscheiben ragt.
Die Rotorscheibe und die Statorscheiben sind jeweils mit ringförmigen,
zahnartigen Fortsätzen
ausgebildet, welche sich über
zwei Lagerspalte hinweg gegenüberstehen.
Der Stator enthält
magnetfelderzeugende Mittel, welche einen magnetischen Haltefluss
erzeugen, mit zwischen der Rotorscheibe und den Statorscheiben über die
Lagerspalte hinweg geschlossenem Feldlinienverlauf. In einem unteren
Bereich der Lagereinrichtung ist ein Fluidlager ausgebildet, insbesondere
ein Öllager.
Der Rotor ist berührungsfrei
in einem zylindrischen Schaft eingepasst, wobei in axialer Richtung
zum Rotor in den Schaft Öl eingeströmt wird.
Der Öldruck
wirkt den auf den Rotor wirkenden Gravitationskräften entgegen und stabilisiert
den Rotor sowohl in axialer Richtung, als auch senkrecht zu seiner
Rotationsachse in Wechselwirkung mit den Zylinderwandungen des Schaftes.
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Aus
der
DE 43 42 583 A1 ist
eine Lagereinrichtung bekannt, welche auf einer kombinierten Magnet-
und Gaslagerung beruht. Die Lagereinrichtung ist aus einem Rotor
und einem Stator aufgebaut, welche durch einen Luftspalt voneinander
beabstandet sind. Im Rotor und im Stator sind entgegengesetzt gepolte
Ringmagnete angeordnet. Auf den dem Luftspalt entgegengesetzten
Seiten der Ringmagnete sind Jochscheiben zum Leiten der Magnetflüsse angeordnet.
Die Ringmagnete in Verbindung mit den zugeordneten Jochscheiben
ergeben über
den Luftspalt hinweg geschlossene Feldlinien und somit einen magnetischen
Haltefluss. Beabstandet zu den Ringmagneten treten aus dem Stator
Luftdüsen
in den Luftspalt aus. Die aus den Luftdüsen austretende Luft strömt radial
durch den Luftspalt ab, wodurch eine gleichmäßige Luftpolsterung über die
gesamte Lagerfläche
erreicht wird. Für
eine gute Lagerung ist die ausgeströmte Luftmenge auf die Magnetkraft
abzustimmen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine eigenstabile Lagereinrichtung
zur berührungsfreien
Lagerung eines Rotors gegen einen Stator anzugeben, die eine verbesserte
Lagerstabilität
und einen vereinfachten, kompakten Aufbau durch eine räumliche
Kombination von Luft- und Magnetlager ermöglicht. Insbesondere ist es
Aufgabe, eine Lagereinrichtung anzugeben, welche eine räumliche
Kombination von magnetischem Haltefluss und Luftströmung ermöglicht.
Insbesondere soll die Lagereinrichtung auf mechanische Lagerkomponenten
sowie auf eine ak tive elektronische Regelung eines Magnetlagerteils
verzichten.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 oder
Anspruch 4 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
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Der
Erfindung liegt dabei die Überlegung
zugrunde, eine Lagereinrichtung, welche einen in radialer Richtung
eigenstabilen Magnetlagerteil aufweist, zusätzlich mit einem Luftlager
zu versehen, welches den magnetisch gegenüber dem Stator gelagerten Rotor
in eine axiale Richtung stabilisiert. Die axiale Stabilisierung
des Rotors mittels eines Luftlagers kann sowohl einseitig wie auch
in beide axiale Richtungen erfolgen. Zu einer einseitigen Stabilisierung des
Rotors wird der Magnetlagerteil der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung
derart ausgelegt, dass der Rotor in eine axiale Vorzugsrichtung
eine permanente magnetische Kraft erfährt. Auf diese Weise muss der
Rotor lediglich entgegen dieser Vorzugsrichtung mittels einer Luftlagereinrichtung
abgestützt werden.
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Unter
Magnetlagerteil ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
immer entweder eine Rotorscheibe, die im Spalt eines Statorscheibenpaares
angeordnet ist oder eine Statorscheibe, die im Spalt zweier Rotorscheiben
angeordnet ist, zu verstehen. Somit wird im weiterem mit Magnetlagerteil eine
Vielzahl von einzelnen Magnetlagerteilen bzw. Komponenten bezeichnet.
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Erfindungsgemäß soll die
Lagereinrichtung zur berührungsfreien
Lagerung eines Rotors gegen einen Stator nach Anspruch 1 die folgenden
Merkmale aufweisen.
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Die
Lagereinrichtung zur berührungsfreien Lagerung
eines Rotors gegen einen Stator umfasst einen Rotor, einen Stator,
zumindest einen Magnetlagerteil und zumindest einen Luftlagerteil.
Der Rotor weist zumindest eine um eine Achse drehbare Welle auf,
mit der zumindest eine Rotorscheibe mechanisch verbunden ist. Der
Stator weist zumindest zwei in jeweils axialer Richtung unter Ausbildung
eines Zwischenraumes beabstandete Statorscheiben auf, wobei jede
der zumindest eine Rotorscheibe jeweils unter Ausbildung eines Lagerspalts
in den Zwischenraum zweier benachbarter Statorscheiben ragt. Der zumindest
eine Magnetlagerteil dient zu einer Lagerung des Rotors in radialer
Richtung zu der Achse mit einer der zumindest einen Rotorscheibe
und den beiden zugeordneten Statorscheiben, der zumindest eine Luftlagerteil
dient zu einer Lagerung des Rotors in axialer Richtung zu der Achse.
Als Teil des mindestens einen Magnetlagerteils weisen die Rotorscheibe und
die zugeordneten Statorscheiben auf ihren einander zugewandten Seiten
ringförmige,
sich über
einen Lagerspalt gegenüberstehende,
zahnartige Fortsätze
auf. Weiterhin enthält
der Rotor oder der Stator magnetfelderzeugende Mittel zur Erzeugung
eines magnetischen Halteflusses mit über beide Lagerspalte verlaufenden
geschlossenem Feldlinienverlauf, der zwischen der zumindest einen
Rotorscheibe und den beiden zugeordneten Statorscheiben im Wesentlichen
in axialer Richtung gerichtet ist. Als Teil des mindestens einen
Luftlagerteils ist an mindestens einer der beiden Statorscheiben
im Bereich der zahnartigen Fortsätze
zumindest eine Lagerfläche ausgebildet,
deren Flächennormale
im Wesentlichen in axialer Richtung orientiert ist. Weiterhin bildet
die Rotorscheibe mit ihrem der Lagerfläche gegenüberliegenden Flächenteil
einen Lagerkörper,
der gegenüber
der Lagerfläche
durch ein in dem zwischen der Lagerfläche und dem Lagerkörper ausgebildeten Luftlagerspalt
vorhandenes Luftpolster gelagert ist.
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Alternativ
kann die erfindungsgemäße Lagereinrichtung
nach Anspruch 4 die folgenden Merkmale aufweisen:
Die Lagereinrichtung
zur berührungsfreien
Lagerung eines Stators gegen einen Rotor umfasst einen Rotor, einen
Stator, zumindest einen Magnetlagerteil und zumindest einen Luftlagerteil.
Der Rotor weist zumindest eine um eine Achse drehbare Welle auf, wobei
zumindest zwei jeweils in Richtung der Achse unter Ausbildung eines
Zwischenraumes beabstandete Rotorscheiben mit der Welle mechanisch
verbunden sind. Der Sta tor weist zumindest eine Statorscheibe auf,
wobei jede der zumindest einen Statorscheibe jeweils unter Ausbildung
eines Lagerspalts in den Zwischenraum zweier benachbarter Rotorscheiben
ragt. Der zumindest eine Magnetlagerteil dient zu einer Lagerung
des Rotors in radialer Richtung zu der Achse mit einer der zumindest
einen Statorscheiben und den beiden zugeordneten Rotorscheiben,
der zumindest eine Luftlagerteil dient zu einer Lagerung des Rotors
in axialer Richtung der Achse. Als Teil des mindestens einen Magnetlagerteils sind
die zumindest zwei Rotorscheiben und die zumindest eine zugeordnete
Statorscheibe auf ihren einander zugewandten Seiten mit ringförmigen,
sich jeweils über
einen Lagerspalt gegenüberstehenden zahnartigen
Fortsätzen
versehen. Weiterhin enthält der
Rotor oder der Stator magnetfelderzeugende Mittel zur Erzeugung
eines magnetischen Halteflusses, der zwischen der zumindest einen
Statorscheibe und den zumindest zwei zugeordneten Rotorscheiben
mit über
beide Lagerspalte verlaufendem geschlossenem Feldlinienverlauf im
Wesentlichen in axialer Richtung gerichtet ist. Als Teil des mindestens
einen Luftlagerteils ist an der mindestens einen Statorscheibe im
Bereich der zahnartigen Fortsätze
zumindest eine Lagerfläche
ausgebildet, deren Flächennormale
im Wesentlichen in axialer Richtung orientiert ist. Die mindestens
eine der beiden Rotorscheiben bildet mit ihrem der Lagerfläche gegenüberliegenden
Flächenteil
einen Lagerkörper,
der gegenüber
der Lagerfläche
durch ein in dem zwischen der Lagerfläche und dem Lagerkörper ausgebildeten Luftlagerspalt
vorhandenes Luftpolster gelagert ist.
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Die
mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen
verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass die
Lagereinrichtung eine vollständig berührungsfreie
Lagerung eines Rotors gegenüber einem
Stator ermöglicht.
Die Lagereinrichtung ist einfach zu konstruieren, und erlaubt eine
vollständig
eigenstabile Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung gehen
aus den von Anspruch 1 und 4 abhängigen
An sprüchen
hervor. Dabei können
die Ausführungsformen
nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 4 mit den Merkmalen eines, insbesondere
mit denen mehrerer Unteransprüche
kombiniert werden.
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Demgemäß kann die
Lagereinrichtung noch die folgenden Merkmale aufweisen:
- – Die
Lagereinrichtung kann n > 2
Statorscheiben aufweisen, die in Richtung der Achse unter Ausbildung
von Zwischenräumen
beabstandet sind, wobei in diese Zwischenräume jeweils unter Ausbildung
von Lagerspalten n – 1
Rotorscheiben ragen. Alternativ und gleichwertig kann die Lagereinrichtung
n > 2 Rotorscheiben
aufweisen, die in Richtung der Achse unter Ausbildung von Zwischenräumen beabstandet
sind, wobei in die derart gebildeten Zwischenräume n – 1 Statorscheiben unter Ausbildung
von Lagerspalten ragen. Durch eine Ausgestaltung der Lagereinrichtung mit
einer Vielzahl von Stator- und Rotorscheiben kann die Lagerkraft
der Lagereinrichtung erhöht werden.
- – Die
Lagereinrichtung kann zwei oder mehr in Richtung der Achse untereinander
beabstandete Statorscheibenpaare aufweisen, welche jeweils aus zwei
Statorscheiben gebildet sind. Zwischen den Statorscheiben, welche
ein Statorscheibenpaar ausbilden, befindet sich jeweils ein Zwischenraum,
in welchen jeweils eine Rotorscheibe unter Ausbildung eines Lagerspaltes
hineinragt. Alternativ können
zwei oder mehr in Richtung der Achse untereinander beabstandete
Rotorscheibenpaare durch jeweils zwei Rotorscheiben gebildet sein.
Die die Rotorscheibenpaare bildenden Rotorscheiben weisen jeweils
einen Zwischenraum zwischen einander auf in welchen jeweils eine
Statorscheibe unter Ausbildung eines Lagerspaltes hineinragt. Durch
einen Aufbau der Lagereinrichtung mit Statorscheibenpaaren bzw.
Rotorscheibenpaaren kann ein modularer und somit fertigungstechnisch
flexibler Aufbau der Lagereinrichtung angegeben werden.
- – Die
axiale Ausdehnung des Lagerspalts kann in einer Vorzugsrichtung
geringer als in eine dazu entgegengesetzte Richtung sein. Der Luftlagerteil der
Lagereinrichtung kann stirnseitig mit einem Endteil der Welle verbunden
sein, welches ausgehend von dem Magnetlagerteil in Richtung der Vorzugsrichtung
liegt. Durch eine asymmetrische Ausgestaltung des Lagerspalts des
Magnetlagerteils der Lagereinrichtung erfährt der magnetisch gelagerte
Rotor in Vorzugsrichtung eine permanente magnetische Kraft. Entsprechend
muss der Rotor lediglich entgegen dieser Vorzugsrichtung mittels
eines Luftlagerteiles abgestützt
werden. Eine derartige einseitige Lagerung des Rotors mittels eines
Luftlagers stellt eine konstruktiv einfache und kostengünstige Lösung dar.
- – Die
Lagerfläche
des Luftlagerteils kann von den Teilflächen der zahnartigen Fortsätze zumindest einer
Statorscheibe gebildet sein, wobei lediglich diejenigen Teilflächen der
zahnartigen Fortsätze die
Lagerfläche
des Luftlagerteils bilden, deren Flächennormalen in eine axiale
Richtung zeigen. Weiterhin werden lediglich diejenigen Teile der zahnartigen
Fortsätze
als Lagerfläche
für den Luftlagerteil
verwendet, die ausgehend von der zugehörigen Rotorscheibe in Richtung
der Vorzugsrichtung liegen. Gemäß dem vorgenannten Ausführungsbeispiel
wird die zur Luftlagerung verwendete Lagerfläche im Bereich der zahnartigen
Fortsätze
der Statorscheiben realisiert. Auf diese Weise kann eine platzsparende
und kompakte Lagereinrichtung angegeben werden.
- – Der
Luftlagerteil kann stirnseitig mit beiden Endteilen der Welle verbunden
sein. Durch eine beidseitige Luftlagerung des Rotors kann ein vollständig eigenstabiles
Lager angegeben werden.
- – Die
Lagerfläche
des Luftlagerteils kann von denjenigen Teilflächen der zahnartigen Fortsätze zumindest
zweier Statorscheiben gebildet sein, deren Flächennormalen in entgegengesetzte
axiale Richtungen zeigen. Gemäß der vorgenannten Ausführungsform
kann ein in beide axiale Richtungen eigenstabiles Lager angegeben
werden, welches weiterhin durch Integration der Luftlagerflächen in
den Bereich der zahnartigen Fortsätze der Lagerscheiben besonders
kompakt ausgestaltet werden kann.
- – Der
Stator kann magnetfelderzeugende Mittel in Form von Permanentmagneten
oder der Wicklung eines Elektromagneten umfassen, der Rotor kann magnetfelderzeugende
Mittel in Form von Permanentmagneten umfassen. Durch eine flexible
Auslegung der magnetfelderzeugenden Mittel, wahlweise als Teil des
Stators oder des Rotors, kann eine flexible Anpassung der magnetischen
Flussführung
an weitere konstruktive Randbedingungen der Lagereinrichtung erfolgen.
- – Der
Luftlagerteil kann nach der Art eines Folienluftlagers ausgebildet
sein. Vorteilhaft erlaubt ein Folienluftlager eine berührungsfreie
Lagerung bewegter Bauteile, ohne dass eine externe Druckluftversorgung
benötigt
wird.
- – Der
Stator kann mit einer Druckluftversorgung zur Erzeugung des Luftpolsters
verbunden sein, wobei die Druckluftversorgung ein Puffervolumen zur
zeitlich begrenzten Aufrechterhaltung des Luftpolsters umfasst.
Mittels eines Puffervolumens als Teil der Druckluftversorgung kann
die Lagereinrichtung gemäß der vorstehenden
Ausführungsform
gegen den Ausfall der Druckluftversorgung abgesichert werden. Auf
diese Weise kann die Zuverlässigkeit
der Lagereinrichtung erhöht
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung gehen
aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie
insbesondere aus der Zeichnung hervor. Zur weiteren Erläuterung
der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen,
in der bevorzugte Ausfüh rungsformen
der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung
schematisch dargestellt sind. Dabei zeigt deren
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1 bis 6 Lagereinrichtungen,
deren Rotor einseitig mittels eines Luftlagers abgestützt sein,
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7 bis 9 Lagereinrichtungen,
deren Rotor in beide axiale Richtungen mittels einer Luftlagereinrichtung
abgestützt
ist und
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10 die
Druckluftversorgung einer Luftlagereinrichtung.
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In
den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen
versehen. Nicht näher ausgeführte Teile
sind allgemein bekannter Stand der Technik.
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1 zeigt
eine Lagereinrichtung 100 zur berührungsfreien Lagerung eines
Rotors gegen einen Stator 101. Der Rotor weist zumindest
eine um eine Achse A drehbar gelagerte Welle 102 auf, mit welcher
eine Rotorscheibe 103 mechanisch verbunden ist. Der Stator 101 weist
zwei in Richtung der Achse A unter Ausbildung eines Zwischenraumes 104 beabstandete
Statorscheiben 105, 106 auf. Die Statorscheiben 105, 106 sind
an ihren radial äußeren Bereichen
mit einem Jochkörper 115 verbunden.
Der Stator 101 umgibt den Rotor zumindest teilweise. Insbesondere
kann der Stator 101 mit den Statorscheiben 105, 106 ein
im Querschnitt betrachtet, U-profilförmiges Bauteil ausbilden, welches
die Rotorscheibe 103 in Umfangsrichtung vollständig umgibt.
Die Rotorscheibe 103 ragt unter Ausbildung eines Lagerspaltes 107 in
den Zwischenraum 104 zwischen den Statorscheiben 105, 106.
Die Rotorscheibe 103, sowie die Statorscheiben 105, 106 weisen
auf ihren einander zugewandten Seiten sich gegenüberstehende zahnartige Fortsätze 108 auf.
Die zahnartigen Fortsätze 108 können jeweils
als bezüglich
der Achse A ringförmige
Fortsätze
ausgebildet sein. Der Stator 101 umfasst als magnetfelderzeugendes
Mittel einen Permanentmagneten 109, welcher insbesondere
als ringförmiger,
den Rotor in Umfangsrichtung umschließender Teil des Stators 101 ausgebildet
sein kann. Mittels des Permanentmagneten 109 ist ein magnetischer
Fluss zu erzeugen, welcher im Bereich des Lagerspalts 107 zwischen
den zahnartigen Fortsätzen
der Statorscheiben 105, 106 und der Rotorscheibe 103 im
Wesentlichen in eine axiale Richtung gerichtet ist. Der magnetische
Fluss wird über
den Jochkörper 115,
der Teil des Stators 101 ist, geschlossen.
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Die
Lagereinrichtung 100 weist weiterhin ein mit einem Endteil
der Welle 102 verbundenes Luftlager 110 auf. Das
Luftlager 110 umfasst eine mit dem Stator 101 mechanisch
verbundene Lagerfläche 111. Die
Lagerfläche 111 ist
derart orientiert, dass ihre Flächennormale
im Wesentlichen parallel zu der Achse A orientiert ist. Die Lagerfläche 111 kann
insbesondere mit Einströmdüsen versehen
sein, Einströmkammern
aufweisen, und/oder mit diversen Kanälen, Mikrokanälen oder
auch Mikrodüsen
versehen sein. Bei der Lagerfläche 111 kann
es sich weiterhin um eine poröse,
gesinterte Fläche
handeln, durch welche die für
das Luftlager 110 notwendige Druckluft in den Luftlagerspalt 112 strömen kann.
Die Lagerfläche 111 ist
Teil des statischen Teils des Luftlagers 110 und ist zur
Druckluftversorgung über
eine Versorgungsleitung 113 mit einer Druckluftversorgung
verbunden. Das Luftlager 110 umfasst weiterhin einen Lagerkörper 114,
der Teil des Rotors ist, oder mit diesem mechanisch verbunden ist.
Zur Lagerung des Lagerkörpers 114 gegen
die Lagerfläche 111 wird
mittels Druckluft in dem Luftlagerspalt 112 ein Luftpolster
erzeugt.
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Alternativ
kann der Luftlagerteil nach der Art eines Folienluftlagers (foil
air bearing) ausgestaltet sein. Ein derartiges Folienluftlager erlaubt
die berührungsfreie
Lagerung einer bewegten Welle 102 durch ein sich selbst
aufbauendes Luftpolster. Bei einem Folienluftlager wird durch die
Rotation der Welle 102 im Luftlagerspalt 112 hydrodynamisch
ein Luftpolster aufgebaut. Ein Folienluftlager verzichtet typischerweise
auf zusätzliche
mechanische Fanglager. Beim Anlaufen/Beschleunigen der Welle 102 arbeitet
das Folienluftlager zunächst
nach der Art eines Gleitlagers, solange bis sich hydrodynamisch
ein entsprechend tragfähiges
Luftpolster in dem Luftlagerspalt 112 aufgebaut hat.
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Die
Lagereinrichtung 100 gemäß 1 ist derart
ausgestaltet, dass der Lagerspalt 107 von der Rotorscheibe 103 aus
betrachtet in einer axialen Vorzugsrichtung B eine geringere Ausdehnung
aufweist als entgegen der Vorzugsrichtung B. Folglich ist der Teil 107a des
Lagerspaltes 107, welcher sich zwischen der Rotorscheibe 103 und
der dem Luftlager 110 zugewandten Rotorscheibe 105 befindet,
in axialer Richtung kleiner als derjenige Teil 107b des
Lagerspaltes 107, welcher sich zwischen der Rotorscheibe 103 und
der dem Luftlager 110 abgewandten Statorscheibe 106 befindet.
Aufgrund der unterschiedlichen axialen Größen der Lagerspalte 107a, 107b erfährt die
Welle 102 dauerhaft eine magnetische Kraftwirkung in Richtung
der Vorzugsrichtung B. Diese dauerhaft auf den Rotor wirkende Magnetkraft wird
durch das am Endbereich der Welle 102 vorhandene Luftlager 110 abgestützt.
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2 zeigt
eine weitere Lagereinrichtung 100, deren Stator 101 zwei
Statorscheibenpaare 201a, 201b, 202a, 202b aufweist.
Die Lagereinrichtung 100 umfasst weiterhin zwei Rotorscheiben 203, 204,
welche jeweils in den zwischen den Statorscheibenpaaren 201a, 201b bzw. 202a, 202b vorhandenen
Zwischenraum 104 unter Ausbildung eines Lagerspalts 107 hineinragen.
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Die
Statorscheibenpaare 201a, 201b, 202a, 202b,
die Teile des Stators 101 sind, weisen jeweils magnetfelderzeugende
Mittel in Form von Permanentmagneten 109 auf.
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Die
in 2 gezeigte weitere Lagereinrichtung 100 weist
ebenso wie die in 1 gezeigte Lagereinrichtung 100 Lagerspalte 107a, 107b auf,
welche in eine axiale Richtung eine unterschiedliche Größe aufweisen.
Die Welle 102 erfährt
infolgedessen in Richtung der Vorzugsrichtung B eine Kraftwirkung,
die durch das endseitig der Welle 102 angebrachte Luftlager 110 abgestützt wird.
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Die
Lagereinrichtung 100 kann, ohne dass dies in 2 gezeigt
ist, ebenfalls weitere Statorscheibenpaare 201a, 201b, 202a, 202b aufweisen, so
dass die Lagereinrichtung 100 eine erhöhte Lagerkraft aufweist.
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3 zeigt
eine weitere Lagereinrichtung 100, welche analog zu der
in 1 dargestellten Lagereinrichtung 100 aufgebaut
sein kann. Lediglich die magnetfelderzeugenden Mittel in Form eines
Permanentmagneten 109 sind als Teil der Rotorscheibe 103 ausgebildet.
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Die
magnetfelderzeugenden Mittel können, wenn
sie ein Teil des Stators 101 sind durch Permanentmagnete
und/oder durch die Wicklung eines Elektromagneten gebildet sein.
Sind die magnetfelderzeugenden Mittel Teil des Rotors, so können sie ebenfalls
durch Permanentmagnete und/oder durch die Wicklung eines Elektromagneten
gebildet sein.
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4 zeigt
eine weitere Lagereinrichtung 100, welche über zwei
magnetische Teillager 401, 402 verfügt. Jedes
der magnetischen Teillager 401, 402 weist jeweils
zwei mit der Welle 102 verbundene Rotorscheiben 403, 404 bzw. 405, 406 auf,
die in einem Zwischenraum 104 zwischen den jeweiligen Statorscheiben 407 bis 412 ragen.
Als magnetfelderzeugende Mittel weist jedes der Teillager 401, 402 jeweils
einen Permanentmagneten 109 auf. Endseitig der Welle 102 befindet
sich ein Luftlager 110, mit welchem die Welle 102 in
die Vorzugsrichtung B abgestützt
ist. Analog zu den Ausführungen
bezüglich
der 1 bis 3 sind die zwischen den Statorscheiben 407 bis 412 und
den Rotorscheiben 403 bis 406 ausgebildeten Lagerspalte 107 von
den Rotorscheiben 403 bis 406 in Richtung der
Statorscheiben 407 bis 412 betrachtet, in Richtung
der Vorzugsrichtung B kleiner als entgegen der Vorzugsrichtung B.
Die auf die Welle 102 ausgeübte Kraft in Vorzugsrichtung
B wird durch das an einem Ende der Welle 102 vorhandene
Luftlager 110 abgestützt.
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5 zeigt
eine weitere Lagereinrichtung 100 mit einem Rotor, welcher
um eine Achse A drehbar gelagert ist. Der Rotor umfasst eine Welle 102 mit der
mechanisch Rotorscheiben 501 bis 503 verbunden
sind. Der Stator 101 umfasst zwei Statorscheiben 504, 505,
welche in den zwischen den Rotorscheiben 501 bis 503 jeweils
vorhandenen Zwischenraum 104 ragen. Der Stator 101 umgibt
den Rotor in Umfangsrichtung zumindest teilweise. In axialer Richtung
sind die Statorscheiben 504, 505 von den Rotorscheiben 101 bis 103 eingeschlossen.
Die zwischen den Rotorscheiben 501 bis 503 und
den Statorscheiben 504, 505 ausgebildeten Lagerspalte 107 sind
derart ausgebildet, dass der Lagerspalt ausgehend von einer Statorscheibe 504, 505 in
eine Vorzugsrichtung B, eine geringere Größe aufweist als entgegen der
Vorzugsrichtung B. So ist der Lagerspalt 107a zwischen
der Rotorscheibe 501 und der Statorscheibe 504 kleiner
als der Lagerspalt 107b zwischen der Statorscheibe 504 und
der Rotorscheibe 502. Die durch die unterschiedliche Größe der Lagerspalte 107a, 107b entstehende
Kraftwirkung in Richtung der Vorzugsrichtung B wird von einem endseitig
mit der Welle 102 verbundenen Luftlager 110 abgestützt.
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Als
magnetfelderzeugende Mittel weist die in 5 gezeigte
Lagereinrichtung 100 Permanentmagnete 109 auf,
welche jeweils ein Teil der Rotorscheiben 501 bis 503 sind.
Mittels der Permanentmagnete 109 wird ein magnetischer
Haltefluss M erzeugt, welcher zwischen den zahnartigen Fortsätzen 108 der Rotorscheiben 501 bis 503 und
der Statorscheiben 504, 505 im Wesentlichen in
eine axiale Richtung gerichtet ist. Gemäß dem in 5 gezeigten
Ausführungsbeispiel
wird der magnetische Haltefluss M über Teile der Welle 102 geschlossen.
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße Lagereinrichtung 100,
welche bezüglich
ihres magnetischen Teils mit der in 2 gezeigten
Lagereinrichtung vergleichbar ist. Die mit der Welle 102 verbundenen
Rotorscheiben 103 ragen jeweils in Zwischenräume 104,
die zwischen den Statorscheiben 105, 106 ausgebildet
sind. Die zwischen den Rotorscheiben 103 und den Statorscheiben 105, 106 gebildeten Lagerspalte 107a, 107b weisen
in axialer Richtung unterschiedliche Größen auf. Aufgrund der unterschiedlichen
Größe der Lagerspalte 107a, 107b erfährt die
Welle 102 eine Kraftwirkung in Richtung der Vorzugsrichtung
B. Der Luftlagerteil der in 6 gezeigten
Lagereinrichtung 100 ist in die zahnartigen Fortsätze 601 einer
Rotorscheibe integriert. Die zahnartigen Fortsätze 108 der Statorscheibe 105 weisen
Düsen oder
Auslässe
auf, so dass sich in dem Lagerspalt 107a ein Luftpolster
mit der Wirkung eines Luftlagers aufbauen kann. Die speziell ausgeformten
zahnartigen Fortsätze 601 der
Statorscheibe 105 können
dabei auf ihren Flächen,
deren Flächennormalen
im Wesentlichen parallel zu der Achse A verlaufen, in gleicher Weise
wie die Lagerfläche 111 ausgestaltet
sein. So können
die speziellen zahnartigen Fortsätze 601 mit
Düsen,
Kanälen,
Ausnehmungen, Mikrodüsen
oder weiteren Maßnahmen
versehen sein, um ein Luftpolster zur Luftlagerung in dem Lagerspalt 107a zu
erzeugen. Die besonderen zahnartigen Fortsätze 601 können weiterhin
aus einem porösen,
luftdurchlässigen
Sintermaterial gefertigt sein.
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Die
Lagereinrichtung 100 gemäß 6 weist
eine Lagerscheibe 105 auf, die derart ausgestaltet ist,
dass ihre zahnartigen Fortsätze 601 zur
Erzeugung eines Luftpolsters in dem Lagerspalt 107a dienen.
Die Lagereinrichtung kann weiterhin derart ausgestaltet sein, dass
weitere Lagerscheiben 105 entsprechend ausgestaltete zahnartige
Fortsätze 601 aufweisen.
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7 zeigt
eine weitere Lagereinrichtung 100. Eine mit der Welle 102 verbundene
Rotorscheibe 103 ragt unter Ausbildung eines Lagerspaltes 107 in
den Zwischenraum 104 zwischen den Statorscheiben 105, 106.
Die Statorscheiben 105, 106 sind an ihren zahnartigen
Fortsätzen 601 mit
Luftauslässen, vergleichbar
einem Luftlager, versehen. Auf diese Weise kann der Lagerspalt 107 zwischen
der Rotorscheibe 103 und beiden Statorscheiben 105, 106 gleich
groß gehalten
werden. Die Welle 102 bzw. die mit der Welle 102 verbundene
Rotorscheibe 103 kann durch diese beidseitige Luftlagerung
in axialer Richtung stabil gehalten werden. Beide Statorscheiben 105, 106 sind
zum Zweck der Luftlagerung durch eine Versorgungsleitung 113 mit
einer Druckluftversorgung verbunden.
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8 zeigt
im Wesentlichen die aus 7 bekannte Lagereinrichtung 100.
Die weitere in 8 gezeigte Lagereinrichtung 100 weist
zwei Teillager 801, 802 auf. Wahlweise kann bzw.
können
eins oder auch beide Teillager 801, 802 sowohl
zur magnetischen Lagerung der Welle 102, wie auch zur magnetischen
und zur Luftlagerung der Welle 102 beitragen.
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Entsprechend
kann wahlweise eins oder beide Teillager 801, 802 zahnartigen
Fortsätze 601 aufweisen,
die zur Erzeugung eines Luftpolsters in dem Lagerspalt 107 mit
Düsen oder
weiteren geeigneten Maßnahmen
ausgestaltet sind.
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9 zeigt
eine Lagereinrichtung 100, wobei mit einer um eine Achse
A drehbar gelagerten Welle 102 zwei Rotorscheiben 105, 106 verbunden sind,
welche als magnetfelderzeugende Mittel jeweils einen Permanentmagneten 109 aufweisen.
Der Rotor wird in Umfangsrichtung von einem Stator 101 zumindest
teilweise umschlossen. In axiale Richtung wird die Statorscheibe 901 von
den Rotorscheiben 902, 903 eingeschlossen. Die
Statorscheibe 901 ist an ihren zahnartigen Fortsätzen 601 mit
Luftauslässen
versehen, so dass die Rotorscheiben 902, 903 in beide
axiale Richtungen mit einem zwischen den zahnartigen Fortsätzen entstehenden
Luftpolster gehalten werden können.
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10 zeigt
einen Teil eines Luftlagers 110, welches endseitig mit
einer Welle 102 verbunden ist. Das Luftlager 110 ist über eine
Versorgungsleitung 113 mit einer Druckluftversorgung 1000 verbunden. Die
Druckluftversorgung 1000 wird mittels einer Pumpe 1001 gespeist.
Die Druckluftversorgung 1000 ist weiterhin mit einem Puffervolumen 1002 verbunden. So
kann bei Ausfall der Pumpe 1001 die Druckluftversorgung 1000 mittels
des Puffervolumens 1002 gespeist werden kann. Das Puffervolumen 1002 kann weiterhin
derart dimensioniert sein, dass die Druckluftversorgung 1000 mittels
des Puffervolumens 1002 derart lang gespeist werden kann,
dass binnen einer auf diese Weise erreichbaren Versorgungszeit beispielsweise
die Pumpe 1001 repariert, ausgetauscht oder auf andere
Weise wieder in Funktion gesetzt werden kann.