DE102007045317A1

DE102007045317A1 - Elektrische Maschine mit Luftlagerung

Info

Publication number: DE102007045317A1
Application number: DE102007045317A
Authority: DE
Inventors: Klaus Büttner; Klaus Kirchner; Norbert WÖHNER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2008-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei der Rotor (3) mittels zumindest eines Luftlagers (4a, 4b) gelagert ist und wobei das Luftlager (4a, 4b) einen Luftlagerspalt (5) aufweist, wobei ein Spaltmaß (6) des Luftlagerspaltes (5) mittels einer Einstelleinrichtung veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor mittels zumindest eines Luftlagers gelagert ist und wobei das Luftlager einen Luftlagerspalt aufweist.
Luftlager sind Maschinenelemente, die zwei gegeneinander bewegliche Teile (Lagerelemente) durch einen dünnen Luftfilm, welcher wenige μm groß ist, trennen. Dadurch erlauben sie eine nahezu reibungsfreie Bewegung. Man unterscheidet zwischen dynamischen und statischen Luftlagern, wobei dynamische Luftlager das Luftpolster durch die Bewegung selbst aufbauen und bei statischen Luftlagern Druckluft eingeleitet wird.
Luftlager werden in rotatorisch arbeitenden elektrischen Maschinen, insbesondere Elektromotoren, beispielsweise in Präzisionsmaschinen (Mess- und Bearbeitungsmaschinen) und schnelllaufenden Maschinen (Hochgeschwindigkeitsspindeln) eingesetzt.
Luftlager bzw. Luftlagersysteme, welche i.d.R. mindestens zwei Luftlager umfassen, werden unter höchsten Ansprüchen in den Herstellungsgenauigkeiten an die zylindrischen Paarungen (Lagerelemente bzw. Lagerhälften) angefertigt. Dabei sind, insbesondere bei einer waagrechten Anordnung der Luftlager, äußerst kleine Toleranzfelder sowie Zylinderformen notwendig, um die Spalte in den Luftlagern möglichst klein zu halten.
Weitere Einflüsse, wie Ausdehnungen aufgrund von Rotation bei hohen Drehzahlen, sowie Wärmeeinflüsse, wie sie in einem Elektromotor auftreten, gestalten den Einsatz von Luftlagerungen äußerst schwierig. Nur durch sehr große Spaltvorgaben, welche Ungenauigkeiten in der Herstellung und Ausdehnungen im Betriebsfall kompensieren, können solche Luftlagersysteme sicher arbeiten. Solch ein verhältnismäßig großer Lagerspalt weist jedoch erhebliche Schwächen auf, die sich in einer geringeren Tragkraft bei einem erforderlichen hohem Luftdruck und Luftvolumen zeigen.
Der Einsatz von Luftlagerungen in elektrischen Maschinen ist begrenzt möglich. Spindeln mit Luftlagerung sind sehr aufwändig und teuer in der Herstellung. Die Toleranzfelder der Zylinder bewegen sich hierbei im Bereich von 1μm und die Toleranzfelder der Zylinderformen im Bereich von 2μm.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche ein sicheres und einfach herzustellendes Luftlagersystem aufweist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei die elektrische Maschine insbesondere als Innenläufermaschine ausgebildet ist. Der sich drehende Rotor ist mittels zweier Luftlager innerhalb des feststehenden Stators gelagert. Jedes Luftlager weist einen Luftlagerspalt auf, wobei ein Spaltmaß des Luftlagerspaltes mittels einer Einstelleinrichtung veränderbar ist.
Die erforderlichen Luftspalte in den Lagern werden somit nicht durch das Herstellungsverfahren, sondern durch eine direkte Einstellung am Lagersystem erzielt.
Vorteilhafterweise weist die Einstelleinrichtung eine Energiespeichereinrichtung auf, wobei die Energiespeichereinrichtung insbesondere als Druckfedersystem ausgeführt ist. Druckfedersysteme bzw. Druckfedern sind kostengünstig und einfach einbaubar.
Vorzugsweise ist eine Federkraft des Druckfedersystems mittels eines Einstellrings mit Feingewinde einstellbar. Alter nativ kann ein elektronisch geregeltes System zur Spaltmessung und Spaltregulierung eingesetzt werden.
Jedes Luftlager weist zwei Lagerelemente auf, welche als Luftlageraußenteil und Luftlagerinnenteil ausgebildet sind. Zwischen Luftlageraußen- und Luftlagerinnenteil befindet sich der Luftlagerspalt, in welchen von außen Druckluft eingeleitet wird. Die beiden Luftlagerinnenteile sind drehfest mit einer Welle verbunden, an welcher ebenso der Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist. Die Luftlagerinnenteile sind jeweils an einer Seite axial neben dem Rotor angeordnet und rotieren ebenfalls.
Die beiden Luftlageraußenteile sind so ausgeführt, dass eines fest und das andere beweglich ausgeführt ist. Insbesondere ist ein Luftlageraußenteil fest mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine verbunden. Das zweite Luftlageraußenteil ist axial verschiebbar am Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet, so dass der Luftspalt bzw. das Spaltmaß des Luftspaltes variabel einstellbar ist. Dazu ist die Einstelleinrichtung axial neben dem beweglichen Luftlageraußenteil angeordnet und bewegt dieses Luftlageraußenteil.
Durch das spezielle (Druck)-Federsystem bildet sich in den Luftlagern ein Gegendruck zum vorherrschenden Spaltdruck, erzeugt durch die eingeleitete Druckluft, aus. Mittels eines Einstellrings kann, beispielsweise über Feingewinde, eine exakte Federkraft und damit die Tragkraft nach Bedarf eingestellt werden. Die Federkonstante ist im Stellbereich nahezu konstant.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zu einer Begrenzung des Spaltmaßes der Luftlager ein oder mehrere Anschläge vorgesehen, welche an einem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet sind. Die Anschläge sind beispielsweise als Bolzen, Schrauben, Stege oder zylindrisch umlaufende Ringe ausgebildet.
In einer vertikalen Aufstellung der elektrischen Maschine, die als Elektromotor ausgebildet ist, sind vorzugsweise Luftlager mit einer konischen, halbrunden oder kalottenförmigen Kontur eingesetzt. Dabei ist abhängig von der Schrägung der Formen (zur Rotationsachse) das Verhältnis der zulässigen Radial- und Axialkraft bestimmbar.
Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind kleine Luftlagerspalte realisierbar, wodurch eine hohe Tragkraft bei geringem Luftverbrauch erzielt werden kann. Das Luftlagersystem arbeitet selbstregulierend, da Gegendruck und Spaltdruck durch die Einstelleinrichtung im Gleichgewicht gehalten werden. Dadurch werden folgende negative Einflussparameter kompensiert:

– Wärmeausdehnung in der Welle,
– Ausdehnungen aufgrund der Fliehkraft und Wärme am rotierenden Innenteil (Rotor),
– geringe Schwankungen in der Druckluftversorgung,
– äußere Schwingungseinflüsse.

Eine zusätzliche Verbesserung der Lagerung ist durch ein integriertes Dämpfungssystem in die elektrische Maschine bzw. die Luftlager möglich.
Eine Diamantbeschichtung an den Spaltflächen ein oder mehrerer Luftlager ermöglicht einen Notlauf der elektrischen Maschine bis zum Stillstand des Rotors.
Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergibt sich bei deren Herstellung. Da keine zylindrischen Paarungen bei den Lagerelementen verwendet werden, ist die Herstellung erheblich einfacher. Durch die spezielle Formgebung der Lagerelemente ist es möglich, die jeweiligen Lagerelemente jeweils paarig einzuschleifen (alternative Bearbeitungsverfahren möglich), wodurch eine höchste Formgenauigkeit der beiden Lagerhälften gewährleistet ist.
In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar.
Die FIG zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3. Stator 2 und Rotor 3 weisen jeweils ein Blechpaket 15 auf. Der Rotor 3 ist drehfest an der Welle 14 angeordnet.
Die zwei Luftlager 4a, 4b weisen jeweils ein Luftlageraußenteil 8 und ein Luftlagerinnenteil 9 auf, welche durch einen Luftlagerspalt 5 voneinander beabstandet sind. In den Luftlagerspalt 5 wird von außen über die Öffnung 17 Druckluft eingeleitet.
Eines der beiden Luftlageraußenteile 8 ist axial verschiebbar am Gehäuse 12 angeordnet, wodurch ein Spaltmaß 6 des Luftlagerspaltes 5 veränderbar ist. Das Spaltmaß 6 ist mittels des Druckfedersystems 7 (nur schematisch dargestellt) einstellbar, wobei das Druckfedersystem 7 so angeordnet ist, dass dieser Druck auf das axial verschiebbare Lageraußenteil 8 des Luftlagers 4b ausübt und somit bewegt. Durch das Federsystem 7 bildet sich in den Luftlagern 4a, 4b ein Gegendruck zum vorherrschenden Spaltdruck in den Luftlagern 4a, 4b aufgrund der eingeführten Druckluft aus.
Gegendruck und Spaltdruck werden durch das Federsystem 7 im Gleichgewicht gehalten. Dadurch werden folgende Einflussparameter kompensiert:

– Wärmeausdehnungen in der Welle 14,
– Ausdehnungen aufgrund der Fliehkraft und Wärme am Rotor 3,
– Schwankungen in der Druckluftversorgung,
– äußere Schwingungseinflüsse (evtl. durch Dämpfungssystem unterstützt).

Mittels des Einstellrings 13, welcher beispielsweise ein Feingewinde aufweist, kann die Federkraft des Druckfedersystems 7 exakt nach Bedarf eingestellt werden. Eine Federkonstante ist im Stellbereich nahezu konstant.
Die Anschläge 11 dienen dazu, einen minimalen bzw. maximalen Luftlagerspalt 5 zu gewährleisten. Die Anschläge 11 sind einerseits als Bolzen bzw. Schrauben ausgebildet und andererseits als ein zylindrisch umlaufender Ring, welcher am Gehäuse 12 angeordnet ist.
Die Luftlageraußenteile 8 und die Luftlagerinnenteile 9 weisen eine konische Form auf, wobei das Verhältnis der zulässigen Radial- und Axialkraft durch den Schrägungswinkel 16 der Lagerelemente 8, 9 zur Rotationsachse 18 bestimmt wird.
Am Luftlager 4a herrschen als Kräfteverhältnis die eingestellte Federkraft des Druckfedersystems 7 plus die Gewichtskraft des Rotors 3. Am Luftlager 4b herrscht die eingestellte Federkraft des Druckfedersystems 7 vor.
Eine Diamantbeschichtung an den Spaltflächen 10 ein oder mehrerer Luftlager 4a, 4b ermöglicht einen Notlauf der elektrischen Maschine 1 bis zum Stillstand des Rotors 3.

Claims

Elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei der Rotor (3) mittels zumindest eines Luftlagers (4a, 4b) gelagert ist und wobei das Luftlager (4a, 4b) einen Luftlagerspalt (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spaltmaß (6) des Luftlagerspaltes (5) mittels einer Einstelleinrichtung veränderbar ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) zwei Luftlager (4a, 4b) aufweist, wobei jedes Luftlager (4a, 4b) zwei Lagerelemente (8, 9) aufweist, welche als Luftlageraußenteil (8) und Luftlagerinnenteil (9) ausgebildet sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung ein Luftlageraußenteil (8) eines Luftlagers (4) bewegt, wobei das Luftlageraußenteil (8) axial verschiebbar an einem Gehäuse (12) der elektrischen Maschine (1) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung eine Energiespeichereinrichtung aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung als Federsystem (7) ausgeführt ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federkraft des Federsystems (7) mittels eines Einstellrings (13) mit Feingewinde einstellbar ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federkraft des Federsystems (7) mittels eines elektronisch geregelten Systems einstellbar ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Begrenzung des Spaltmaßes (6) ein oder mehrere Anschläge (11) vorgesehen sind, welche am Gehäuse (12) der elektrischen Maschine (1) angeordnet sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (8, 9) eine konische Form, eine Kalottenform oder eine Halbschalenform aufweisen.
Elektrische Maschine (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Spaltflächen (10) der Lagerelemente (8, 9) eine Diamantbeschichtung aufweisen.