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Die
Erfindung betrifft ein Magnetlagerelement, insbesondere Lagerscheibe,
und ein Magnetlager mit mindestens einer solchen Lagerscheibe.
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Um
Wirbelströme
in Kernen für
Elektromagnete und Trafos zu vermeiden, müssen geeignete Maßnahmen
getroffen werden. Wirbelströme
produzieren Verluste und begrenzen die Eindringtiefe des magnetischen
Feldes in das Material. Mit höheren Frequenzen
nehmen die Wirbelströme
zu, weswegen die Eindringtiefe des Feldes immer kleiner wird. Klassisch
werden deshalb die Kerne aus dünnen
Einzelblechen aufgebaut, wobei an der Isolation zwischen den Blechen
die Wirbelströme
unterbrochen werden. Alternativ können für höherfrequente Anwendungen mit
geringeren Feldstärken
auch Ferrite verwendet werden, die einen sehr hohen spezifischen
elektrischen Widerstand aufweisen und daher Wirbelströme sehr
gut unterdrücken.
Neuartige Materialien aus gepressten lackierten Eisenspänen sind ebenfalls
verwendbar, aber teuer und weisen deutlich geringere Permeabilitätswerte
auf.
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Für hochdrehende
Rotoren ist eine Blechung besonders schwierig, da die mechanische
Festigkeit den hohen Fliehkräften
standhalten muss. Materialien wie Ferrite scheiden deshalb aus.
Für Anwendungen
wie z. B. sensorlose magnetische Lager, welche die Position des
Rotors über
eine Auswertung des Stromverlaufs bei hochfrequenter PWM-Ansteuerung
ermitteln, ist aber eine Durchgängigkeit
des Magnetkreises auch im Rotor bei Frequenzen im Bereich von 10
KHz bis 40 KHz erforderlich, was mit ungeblechtem Eisen im Rotor
nicht mehr erreicht werden kann.
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Für den hochfrequenten
Anteil auf dem Ansteuersignal, welcher zur Induktivitäts- und
damit zur Positionsschätzung
verwendet wird, existiert das Eisen im Rotor aufgrund der nur minimalen Eindringtiefe
des Feldes durch die Wirbelströme
praktisch nicht, und es gibt in diesem Frequenzbereich keine oder nur
eine minimale Positionsabhängigkeit
der Induktivität.
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Dieses
Problem tritt besonders bei der axialen Lagerung auf. Die axiale
Lagerung wird üblicherweise
mit einer Scheibe auf der Welle des Magnetlagers realisiert, die
aus magnetischem Material besteht. Aufgrund des dort großen Durchmessers
treten größere Fliehkräfte auf,
sodass ein geblechter Aufbau oder eine Verwendung von alternativen
Materialien wie Ferriten oder von Pulverkernen nicht realisierbar
sind.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit
zur Unterdrückung
von Wirbelströmen
in Magnetlagern bereitzustellen, welche auch für eine hohe Drehgeschwindigkeit
geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird mittels eines Magnetlagerelements und eines Magnetlagers
nach dem jeweiligen unabhängigen
Anspruch gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind insbesondere den abhängigen
Ansprüchen
entnehmbar.
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Das
Magnetlagerelement, z. B. eine Lagerscheibe oder ein Magnettopf
eines magnetischen Axiallagers, weist mindestens eine Nut zur Unterdrückung von
Wirbelströmen
auf. Unter einer Nut wird eine allgemeine längliche Vertiefung verstanden,
die auch als Schlitz, Graben oder Rille bezeichnet werden kann und
die typischerweise in einer Oberfläche eines Körpers eingebracht ist. Durch
die Nut wird ein zur Ausbreitung eines Wirbelstroms benötigter oberflächennaher
Bereich unterbrochen. Dadurch wiederum kann in der Nähe der Nut
der magnetische Fluss tiefer in das Magnetlagerelement eindringen.
Diese Nut wird typischerweise nicht zur Verbindung mit einem anderen
Element verwendet. Zudem wird durch die Nut die mechanische Festigkeit
des Magnetlagerelements insbesondere auch bei hohen Drehzahlen nicht
wesentlich verringert.
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Diese
Methode ist besonders bevorzugt einsetzbar, wenn das Magnetlagerelement
als Lagerscheibe für
ein Magnetlager ausgebildet ist, d. h., eine Lagerscheibe für ein Magnetlager
ist. Eine Lagerscheibe weist typischerweise eine mittige Aussparung
zur Durchführung
einer Welle auf. Die Lagerscheibe weist an zumindest einer Oberfläche, insbesondere
Grund- oder Deckfläche,
mindestens eine Nut auf, wodurch sich eine wirkungsvolle Unterdrückung von
oberflächennahen
Wirbelströmen
erreichen lässt
und damit eine höhere
Eindringtiefe des hochfrequenten. Anteils des magnetischen Flusses in
die Lagerscheibe. Dadurch lässt
sich wiederum eine genauere Positionsbestimmung des Rotors erreichen.
Der Durchmesser der Lagerscheibe ist nicht begrenzt und kann beispielsweise
vom Millimeterbereich bis in den Meterbereich reichen.
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Bevorzugt
wird auch eine Lagerscheibe, bei der jeweils mindestens eine Nut
in jeder der Grundflächen
eingebracht ist, wobei grundsätzlich
auch nur eine Grundfläche
eine solche Nut aufzuweisen bräuchte.
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Grundsätzlich kann
die Nut beliebig geformt und positioniert sein, wobei für eine effektive
Unterdrückung
zumindest eine Nut eine zumindest teilweise radiale Erstreckung
aufweist, d. h., dass die Nut sich nicht ausschließlich in
Umfangsrichtung erstreckt.
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Es
wird zur einfacheren Einbringung der Nuten bei gleichzeitiger Beibehaltung
der Stabilität
insbesondere auch bei hohen Drehzahlen bevorzugt, wenn mindestens
eine Nut eine sich radial erstreckende, geradlinige Nut ist. Es
wird insbesondere bevorzugt, wenn alle Nuten sich radial erstreckende, geradlinige
Nuten sind. Jedoch können
auch nicht geradlinige, z. B. geschwungen geformte, und/oder sich
nicht ausschließlich
radial erstreckende Nuten verwendet werden.
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Es
wird ferner bevorzugt, wenn das Magnetlagerelement, insbesondere
Lagerscheibe, mehrere winkelversetzte Nuten, insbesondere gleichmäßig winkelversetzte
Nuten, aufweist, insbe sondere, falls diese Nuten die sich radial
erstreckenden, geradlinigen Nuten umfassen.
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Es
wird besonders zur einfachen Einbringung bei gleichzeitig effektiver
Unterdrückung
von oberflächennahen
Wirbelströmen
bevorzugt, wenn das Magnetlagerelement, insbesondere Lagerscheibe,
abwechselnd m Nuten aufweist, die sich radial durchgehend von einer
mittigen Lagerdurchführung bis
zu einem äußeren Rand
erstrecken, als auch n Nuten, die sich über einen kürzeren Teilabschnitt davon
erstrecken, wobei m, n ≥ 1
ist, insbesondere m = 1 und n = 1.
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Dies
ist insbesondere günstig,
falls die n kürzeren
Nuten sich zu dem äußeren Rand
erstrecken. Dadurch kann eine einfache Herstellung erreicht werden,
weil die Nuten jedes Mal vom Rand aus in das Magnetlagerelement,
insbesondere Lagerscheibe, eingebracht werden können. Die Nuten können beispielsweise
mittels spanender Mikrobearbeitungsverfahren eingebracht werden,
wie z. B. mittels Mikrofräsens,
oder z. B. mittels Laserabtragens oder elektrochemischen Abtrags.
Dabei wird es allgemein bevorzugt, die Nuten tief in das Material
einzubringen. Es wird speziell bevorzugt, wenn nicht mehr als 15
bis 25% der bearbeiteten Oberfläche
durch die Bildung der mindestens einen Nut abgetragen ist.
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Es
wird zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Stabilität bei gleichzeitig
guter Unterdrückung
von oberflächennahen
Wirbelströmen
in dem das Magnetlagerelement, insbesondere Lagerscheibe, bevorzugt,
wenn die Nuten Mikronuten sind. Darunter werden insbesondere Nuten
verstanden, welche nicht breiter als 100 μm sind.
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Es
wird dann ein Magnetlagerelement, insbesondere Lagerscheibe, bevorzugt,
bei der ein Abstand zweier Nuten am äußeren Rand zwischen 50 μm und 500 μm, insbesondere
250 μm beträgt.
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Es
wird dann zudem ein Magnetlagerelement, insbesondere Lagerscheibe,
bevorzugt, bei der zumindest eine Nut eine Breite zwischen 10 μm und 100 μm, insbesondere
von ca. 50 μm
aufweist.
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Es
wird dann auch ein Magnetlagerelement, insbesondere Lagerscheibe,
bevorzugt, bei der zumindest eine Nut eine Tiefe von mindestens
20 μm, bevorzugt
von mindestens 50 μm
und noch bevorzugter von mehr als 100 μm aufweist.
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Das
Magnetlager weist mindestens ein solches Magnetlagerelement, insbesondere
Lagerscheibe, auf.
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Das
Magnetlager kann insbesondere ein aktiv geregeltes Magnetlager sein,
das auf (geregelten) Elektromagneten beruht Das Magnetlager kann
ein Radiallager, Axiallager oder Radiaxlager sein.
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In
den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit
gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen sein.
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1 zeigt
in Schrägansicht
ein aufgeschnittenes magnetisches Lager mit einer erfindungsgemäßen Lagerscheibe;
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2 zeigt
zwei Simulationsergebnisse einer Berechnung einer magnetische Flussdichte
in der Lagerscheibe, nämlich
für Vollmaterial
(2A) und mit einer geschlitzten Oberfläche (2B);
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3 zeigt
in Schrägansicht
die Lagerscheibe mit einer möglichen
Anordnung von Nuten in einer Grundfläche.
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1 zeigt
ein magnetisches Lager 1 mit einer Welle 2. Die
Welle 2 wird axial mittels eines Axiallager 3 gelagert,
an das sich zu beiden Seiten beabstandet jeweils ein Radiallager 4 zur
radialen Lagerung der Welle 2 anschließt.
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Das
Axiallager 3 weist zwei benachbarte zylinderförmige Elektromagnete
(Topfmagnete) 5 auf, welche die Welle 2 berührungslos
umgeben und in deren Gehäusen 6 jeweils
eine die Welle 2 ringförmig umgebende
Wicklung 7 eingeschlossen ist. Zur Sicherstellung der axialen
Lagerung wird eine in einem Zwischenraum zwischen den Topfmagneten 5 an
der Welle 2 senkrecht stehend angebrachte Lagerscheibe 8 aus
magnetischem Material verwendet. Die Lagerscheibe 8 ist
von den Topfmagneten 5 durch einen Luftspalt (ohne Bezugszeichen)
getrennt. Die Lagerscheibe 8 dreht sich somit mit der Welle 2 gegen
die Topfmagnete 5 mit und stellt somit den Rotor des Axiallagers 3 dar.
Die Lagerscheibe 8 wird üblicherweise als ein Teil des
Axiallagers 3 angesehen.
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Die
Lagerscheibe 8 müsste
nach bisheriger Kenntnis radial geblecht werden (in Form von Kuchenstücken), was
fertigungstechnisch nicht sinnvoll ist. Ebenso wenig kommt ein Ferritmaterial
oder gepresstes Eisenpulver in Frage. Für einige Magnetanordnungen
tritt ein ähnliches
Problem auch bei der radialen Lagerung auf. Ist der Rotor 8 nicht
geblecht, kann nach bisheriger Kenntnis eine Signalauswertung der
positionsabhängigen
Induktivität
jedoch nur mit relativ geringen Messfrequenzen erfolgen bzw. ist der
Signalhub der Induktivität
zu Rotorposition relativ gering. Folglich muss ein erheblicher Aufwand
in eine Signalauswertung investiert werden. Der hochfrequente Anteil
des magnetischen Flusses, der zur Positionsbestimmung des Rotors
ausgenutzt wird, weist nur eine relativ geringe Amplitude im Verhältnis zum im
Wesentlichen gleichstromartigen Anteil des Feldes für die Krafterzeugung
auf. Deshalb würde
schon eine kleine Verbesserung der Eindringtiefe eine deutliche
Verbesserung der Signalaufnahme bringen.
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Das
Radiallager 4 weist drei um jeweilige Streben 9 eines
statischen Rahmens bzw. Stators 10 gewickelte Wicklungen 11 auf,
welche winkelsymmetrisch um die Welle 2 angeordnet sind.
Der Stator 10 umgibt ein an der Welle 2 befestigtes
magnetisches Element 12 mit ringförmiger Außenkontur ('Rotor'). der Rotor 12 ist vom Stator 10 durch
einen Luftspalt (ohne Bezugszeichen) getrennt.
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2A zeigt eine Finite-Elemente-Simulation
einer Verteilung der magnetischen Flussdichte in einem grundflächennahen
Bereich der Lagerscheibe 8 aus 1 bei seitlicher
Sicht von Außen
auf die Lagerscheibe 8 (senkrecht zur Längsachse L der Welle). Die
untere Seite entspricht einer Grundfläche 13 der Lagerscheibe 8,
welche sich nach oben eingezeichnet in das innere der Scheibe 8 erstreckt.
Auf die linke und die rechte Seite sind in der Simulation zyklischen
Randbedingungen aufgebracht, so dass sich für die Simulation an den gezeigten
Ausschnitt nach links und rechts gleiche Ausschnitte zyklisch anschließen. Die
magnetische Flussdichte in der Lagerscheibe 8 ist, wie
in der nebenstehenden Skala quantifiziert, an der Oberfläche (Grundfläche) am höchsten und
nimmt mit zunehmender Tiefe ab, seine Eindringtiefe d ist somit
stark an der Oberfläche konzentriert.
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2B zeigt eine zu 2A analoge
Darstellung, bei der nun im Gegensatz zu 2A in
der Grundfläche 13 der
Lagerscheibe 8 ein Nut 14 eingebracht ist. Unter
einer Nut 14 wird eine allgemeine längliche Vertiefung verstanden,
die auch als Schlitz, Graben oder Rille bezeichnet werden kann.
Die Nut 14 ist hier von rechteckigem Querschnitt, kann
allgemein aber auch eine andere Querschnittsform aufweisen, wie
mit nach außen
geschrägter
Wand oder mit gekrümmten
Wänden
und/oder Boden. Auch unterscheiden sich die an die linke und rechte
Seite aufgegeben Randbedingungen dergestalt, dass auf die linke
Seite symmetrische Randbedingungen aufgegeben wurden, eine geometrisch
realistische Ansicht somit den gezeigten Ausschnitt als an der linken
Seite gespiegelt wiedergeben würde.
Die Simulation bemaßt
die Nut 14 auf eine Breite (von links nach rechts) von
50 μm und
eine Tiefe (in Richtung der Eindringtiefe d) von 50 μm. Aufgrund
der symmetrischen Halbdarstellungen ist nur eine Hälfte der
Nut 14 gezeigt. Eine solche Nut 14 mit Abmessungen
im μm-Bereich
wird auch als Mikronut bezeichnet. Als Ergebnis zeigt sich, dass
der magne tische Fluss tiefer in die Lagerscheibe 8 eindringt,
da oberflächennahe
Wirbelströme
unterdrückt
werden. Es ergibt sich für
die geschlitzte Lagerscheibe eine deutliche Zunahme der Positionsabhängigkeit
im Vergleich zum Vollmaterial, was wiederum eine bessere Erkennung
der Position ermöglicht.
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3 zeigt
die Lagerscheibe 8 in Schrägansicht auf die Grundfläche 13 und
die Mantelfläche 15. Die
Lagerscheibe 8 ist mittig mit einer Aussparung 16 zur
Durchführung
der Welle ausgestattet. Der in 2A und 2B gezeigte simulierte Ausschnitt entspricht
einem Ausschnitt mit Sicht auf die Mantelfläche 15 im Grenzbereich
zur Grundfläche 13.
Zur einfacheren Darstellung sind hier die Längsnuten 15 nur für einen
radialen Sektor dargestellt, würden
bei einem realen Bauteil jedoch bevorzugt über die ganze Grundfläche 13 verteilt
sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
weisen die Nuten 14 keine einheitliche Länge auf.
Vielmehr sind abwechselnd mit gleichem Winkelversatz lange Nuten 17 und
kürzere
Nuten 18 in die Grundfläche 9 eingebracht.
Die langen Nuten 17 erstrecken sich radial und geradlinig über die
gesamte Grundfläche 13 von
der Mantelfläche 15 bis zur
Aussparung 16. Die kurzen Nuten 18 erstrecken sich
radial und geradlinig von der Mantelfläche 15 in Richtung
der Aussparung 16, enden jedoch, bevor sie die Aussparung 16 erreichen.
Der Grund dafür liegt
darin, dass der seitliche Abstand der Nuten 14 zueinander
mit abnehmendem Abstand zur Aussparung 16 abnimmt. Somit
sind zur Unterdrückung
der oberflächennahen
Wirbelströme
weniger Nuten 14 notwendig und zudem schwieriger einzubringen.
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Jedoch
ist die vorliegende Erfindung nicht auf die das gezeigte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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So
brauchen Nuten nicht ausschließlich
radial zu verlaufen. Beispielsweise brauchen die Nuten nicht geradlinig
zu sein, sondern können.
z. B. auch geschwungen sein, z. B. in Form einer Kreisevolvente,
auch wenn dies herstellungstechnisch aufwändiger ist.
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Für den in 3 gezeigten
Fall brauchen sich z. B. lange und kurze Nuten nicht direkt abzuwechseln;
vielmehr können
sich auch m (mit m einer ganzen Zahl ≥ 1) lange Nuten mit n (mit n
einer ganzen Zahl ≥ 1)
kürzeren
Nuten abwechseln.
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Das
Muster der Nuten braucht ferner nicht winkelsymmetrisch ausgebildet
zu sein.
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Es
wird bevorzugt, wenn beide Grundflächen mit Nuten versehen sind,
jedoch ist dies keine notwendige Bedingung. Auch kann das Nutenmuster
auf den Grundflächen
unterschiedlich ausgebildet sein.
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Das
Magnetlager kann mit einer Lagerscheibe oder mehreren Lagerscheiben
ausgerüstet
sein, welche nicht gleich ausgebildet zu sein brauchen.
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Die
Nuten können
aber auch in andere Elemente eines magnetischen axialen und/oder
radialen Lagers eingebracht werden, z. B. in ein Gehäuse eines
Magnettopfs.