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Die
Erfindung betrifft eine Magnetführungseinrichtung mit elektromagnetischer
Dämpfung.
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Stand der Technik
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Schnell
drehende Rotoren, wie beispielsweise in Abgasturboladern, können
häufig magnetisch gelagert werden. Magnetische Lager sind
berührungs-, schmiermittel- und verschleißfrei,
was mit steigender Drehzahl einen immer größeren
Vorteil gegenüber den herkömmlichen Gleitlagern
darstellt.
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Die
Bewegung eines magnetisch radial passiv gelagert im Raum schwebenden
Rotors ist kaum gedämpft. Nachteilig wird der Rotor hierdurch
anfällig für Schwingungen. Aus der
DE 102 16 447 C1 ist ein Abgasturbolader
bekannt, bei dem die Bewegungsenergie von Schwingungen auf mit Biegefedern
beweglich gelagerte Teile des Stators übertragen wird. Von
dort wird sie in einem Ölfilm dissipiert.
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Nachteilig
unterliegt die Öldämpfung durch die Beaufschlagung
mit Scherkräften einem Alterungsprozess, so dass sich die
Dämpfungseigenschaften allmählich verändern.
Ein Austausch des Ölfilms ist sehr aufwändig,
weil das Magnetlager hierzu zerlegt werden muss.
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Aufgabe und Lösung
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine alternative Schwingungsdämpfung
für ein Magnetlager zur Verfügung zu stellen,
die keinem Alterungsprozess unterliegt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Magnetführungseinrichtung gemäß Hauptanspruch.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf
rückbezogenen Unteransprüchen.
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Gegenstand der Erfindung
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Im
Rahmen der Erfindung wurde eine Magnetführungseinrichtung
entwickelt. Diese umfasst mindestens ein radiales Magnetlager, welches
rotorseitig mindestens einen Permanentmagneten aufweist. Dieses
Magnetlager kann insbesondere auf einer Welle angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß weist
das Magnetlager mindestens ein Dämpfungssystem auf. Dieses Dämpfungssystem
weist rotorseitig ein Wirkelement aus einem magnetisierbaren, insbesondere
ferromagnetischen, Material und ein zwischen dem Wirkelement und
dem Permanentmagneten angeordnetes Isolationselement aus einem nicht
magnetisierbaren, insbesondere nicht ferromagnetischen, Material
auf; statorseitig weist es mindestens eine Magnetspule und einen
Sensor für die Messung des radialen Abstands zwischen Magnetspule
und Wirkelement auf. Es weist zusätzlich einen Regler auf,
der vom Sensor gelieferte Messwerte als Eingabe erhält
und einen Strom für die Beaufschlagung der Spule als Ausgabe liefert.
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Es
wurde erkannt, dass durch Beaufschlagung der Magnetspule mit einem
Strom eine radiale Rückstellkraft auf das Wirkelement ausgeübt
werden kann. Diese Kraft kann als Bremskraft genutzt werden, um
eine Schwingung des Rotors in radialer Richtung zu dämpfen.
Eine solche Dämpfung arbeitet im Gegensatz zur Öldämpfung
nach dem Stand der Technik berührungs- und verschleißfrei.
Sie unterliegt somit nicht dem Alterungsprozess, der den Ölfilm
in einer Öldämpfung mit der Zeit verändert.
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Anders
als die Öldämpfung ist das erfindungsgemäß vorgesehene
Dämpfungssystem nicht immer wirksam, sondern nur dann,
wenn der Regler den Bedarf für eine radiale Rückstellkraft
sieht und die Magnetspule mit einem Strom beaufschlagt. In diesem
Dämpfungssystem wird daher nur im Bedarfsfall und nicht
ständig Ener gie dissipiert. Somit können beispielsweise
bestimmte radiale Bewegungen des Rotors zugelassen werden und nur
Schwingungen gedämpft werden, die sich bis zu einer Kollision
zwischen Rotor und Stator aufschaukeln können.
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Es
wurde erkannt, dass der Rotor beim Hochfahren das gesamte Spektrum
der Drehzahlen zwischen Null und seiner Nenndrehzahl durchlaufen muss.
Liegt in diesem breiten Spektrum eine Eigenfrequenz des Rotors,
wird der Rotor beim Durchlaufen dieser Eigenfrequenz zu einer erzwungenen Schwingung
angeregt. Diese Schwingung schaukelt sich sehr schnell bis zu einer
Amplitude auf, die eine Kollision zwischen Rotor und Stator herbeiführen kann.
Es ist in der Regel nicht möglich, rechtzeitig vor der
Kollision die Drehzahl so zu ändern, dass die Energiequelle
der Schwingung wegfällt und die Kollision noch verhindert
werden kann. Dies ist bei nicht ausreichender Dämpfung
der begrenzende Faktor für die Drehzahlen, bei denen der
Rotor eingesetzt werden kann.
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Der
Begriff der Magnetspule ist nicht auf eine einzelne Magnetspule
beschränkt, sondern umfasst auch zusammen wirkende Kombinationen
mehrerer Magnetspulen. In einer solchen Kombination können die
Magnetspulen insbesondere so angeordnet sein, dass magnetische Feldlinien
einer Magnetspule auch durch die anderen Magnetspulen hindurchtreten. Sind
auf dem Weg des magnetischen Flusses einer Magnetspule weitere Magnetspulen
angeordnet, kann der Fluss hierdurch verstärkt werden.
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Das
erfindungsgemäß vorgesehene Isolationselement
sorgt dafür, dass die magnetische Kraftwechselwirkung im
Dämpfungssystem von der Kraftwechselwirkung zwischen dem
Permanentmagneten und den statorseitigen Komponenten des radialen Magnetlagers
unabhängig ist. Es kann im Dämpfungssystem also
zwecks Bekämpfung einer radialen Schwingungsmode ein Regeleingriff
stattfinden, ohne dass dadurch das radiale Magnetlager in seiner Funktion
beeinträchtigt wird und der Rotor am Stator anstößt.
Beispielsweise kann bei einem nicht magnetisierbaren Rotor, der
permanentmagnetische Bereiche enthält, der nicht magnetisierbare
Anteil als Isolationselement fungieren.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäß vorgesehenen Isolationselements
zeigt sich besonders deutlich in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung, in der der Permanentmagnet axial magnetisiert ist.
Gerade in diesem Fall verhindert nur das erfindungsgemäß vorgesehene
Isolationselement, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten
durch das Wirkelement kurzgeschlossen wird. Umgekehrt schließt
das Wirkelement den magnetischen Fluss der Magnetspule kurz und
verhindert so, dass dieser Fluss das für die Radiallagerung
benötigte Magnetfeld des Permanentmagneten stört.
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Das
erfindungsgemäß vorgesehene Dämpfungssystem
erfordert im Gegensatz zu der Öldämpfung gemäß Stand
der Technik keine beweglichen Teile am Stator. Beweglich ist nur
der Rotor. Die erfindungsgemäße Magnetführungseinrichtung
ist somit inhärent weniger fehleranfällig als
ein Magnetlager mit Öldämpfung. Zudem ist eine
bestehende Magnetführungseinrichtung bei Kenntnis der vorliegenden erfinderischen
Lehre mit geringem Aufwand in eine erfindungsgemäße
umzurüsten, da der Stator nicht in einen beweglich gelagerten
und einen festen Teil aufgetrennt werden muss.
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Als
magnetisierbares Material für das Wirkelement ist insbesondere
Eisen geeignet. Das magnetisierbare Material kann vorteilhaft magnetisiert
sein und beispielsweise ein Permanentmagnet sein, wobei die Magnetisierung
insbesondere eine radiale Komponente aufweisen kann. Das Wirkelement
und der Regler sollten in diesem Fall so aufeinander abgestimmt
sein, dass das Koerzitivfeld des Wirkelements in radialer Richtung
stärker ist als das größte im Betrieb
durch den Regler am Ort des Wirkelements vorgelegte Magnetfeld.
Innerhalb dieser Grenzen kann die Magnetspule dann nicht nur eine
radial anziehende, sondern auch eine radial abstoßende Kraft
auf das Wirkelement ausüben. Ist dagegen das von den Magnetspulen
auf Grund des Ausgangssignals des Reglers am Ort des Wirkelements
vorgelegte Magnetfeld stärker als dessen Koerzitivfeld,
kann dieses Magnetfeld die Magnetisierung des Wirkelements umpolen,
statt die erwünschte Kraftwirkung auf das Wirkelement auszuüben.
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Als
nicht magnetisierbares Material sind insbesondere Keramiken und
Kunststoffe geeignet. Magnetlager sind häufig mit einer
elastischen Bandage, beispielsweise aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff,
vorgespannt, die eine radial nach innen gerichtete Kraft ausübt.
Diese Kraft ist der im Betrieb auftretenden radial nach außen
gerichteten Zentrifugalkraft entgegen gesetzt. So wird verhindert,
dass die Komponenten des Magnetlagers durch die Zentrifugalkraft
radial davonfliegen. Bei der Nenndrehzahl ist die aus dem Zusammenwirken
von Vorspannung und Zentrifugalkraft resultierende radiale Kraft
minimal. Im Ruhezustand wirkt dagegen ausschließlich die
Vorspannung als radiale Kraft nach innen und beansprucht das nicht
magnetisierbare Material radial mit einer Druckspannung. Daher ist
das nicht magnetisierbare Material vorteilhaft druckfest. Keramiken und
Kunststoffe sind Beispiele für druckfeste Materialien.
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Alternativ
kann auch die Bandage selbst zusätzlich als Isolationselement
fungieren. Dann ist das Isolationselement in einer Weise vorgespannt,
dass es eine radial nach innen gerichtete Druckkraft auf mindestens
einen Permanentmagneten des Magnetlagers ausübt. Eine solche
Mehrfachnutzung der Bandage spart Kosten und Einbauraum. Zudem ist jedes
eingesparte Teil ein Teil weniger, das versagen kann, so dass die
Zuverlässigkeit erhöht wird.
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Der
Sensor kann ein dediziertes Element sein, das ausschließlich
für die Abstandsmessung zuständig ist, wie beispielsweise
ein Wegmesssystem oder ein Näherungssensor. Es kann aber
auch beispielsweise die Magnetspule selbst als Sensor fungieren,
indem in ihr durch den Permanentmagneten oder das Wirkelement ein
abstandsabhängiges Signal, wie etwa ein Wirbelstrom, induziert
wird. Umgekehrt kann auch das Wirkelement oder ein anderer magnetischer
Bereich des Rotors eine Spannung in der Magnetspule oder in einer
speziell für den Zweck der Abstandsmessung vorgesehenen
zusätzlichen Spule induzieren. Analog können andere
Komponenten in der Magnetführungseinrichtung, wie beispielsweise
für andere Zwecke bereits vorhandene Spulen oder Sensoren,
für die Abstandsmessung herangezogen werden. Eine derartige
Mehrfachnutzung von Komponenten spart Einbauraum, was besonders beim
Einsatz der Magnetführungseinrich tung in Fahrzeugen, wie
etwa bei einem Abgasturbolader, von Vorteil ist.
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Der
Regler kann beispielsweise einen analogen Differenzierer beinhalten.
Er kann aber auch digital ausgeführt sein, beispielsweise
als digitaler Signalprozessor (DSP) oder programmierbares Array (Field
Programmable Gate Array, FPGA), in dem die gewünschte Kennlinie
der Regelung als Programm hinterlegt ist. Es wurde erkannt, dass
im Gegensatz zur Öldämpfung nach dem Stand der
Technik die Kennlinie der Regelung auch im laufenden Betrieb variiert
werden kann. Damit kann beispielsweise auf Störungen wie
Stöße oder Schläge reagiert werden. Derartige
Störungen sind aperiodisch und enthalten daher ein breites
Spektrum an Frequenzen; daher enthalten sie auch eine Mischung aus
Eigenfrequenzen des Rotors, die diesen zum Schwingen anregen können.
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Das
Wirkelement kann ringförmig ausgebildet sein, wobei es
vorteilhaft den Rotorumfang komplett umlaufen kann, um eine Unwucht
zu vermeiden. Es kann aber auch, beispielsweise zwecks Gewichtsersparnis,
nur um einen Teil des Rotorumfangs umlaufen. In diesem Fall kann
die Magnetspule nur dann eine Kraft auf das Wirkelement ausüben,
wenn ein Teil des Wirkelements gerade an der Magnetspule vorbei
läuft. Vorteilhaft ist die Masse des Wirkelements symmetrisch
um eine Achse verteilt, die beispielsweise die Dreh- oder (bei bleibender
Unwucht des Rotors) die Drallachse des Rotors im radialen Magnetlager
sein kann.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Feld der Magnetspule in dem Punkt der Rotation, in dem das Wirkelement
in kürzestem Abstand an der Magnetspule vorbeiläuft, auf
das Wirkelement gerichtet. Dies ist beispielsweise dann der Fall,
wenn ein ringförmiges Wirkelement den Rotorumfang komplett
umläuft und das Feld der Magnetspule auf das Wirkelement
gerichtet ist. Ist das Feld der Magnetspule auf das Wirkelement
gerichtet, hat die auf das Wirkelement ausgeübte Kraft einen
hohen radialen Anteil.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Magnetführungseinrichtung ein magnetisierbares Joch auf,
welches das Magnetfeld der Spule in dem Punkt der Rotation, in dem
das Wirkelement in kürzestem Abstand an der Magnetspule
vorbeiläuft, auf das Wirkelement richtet. Dieses Joch kann
insbesondere durch die Magnetspule hindurchtreten. Dann kann die
Magnetspule räumlich beabstandet vom Wirkelement untergebracht
werden, so dass sie größer gebaut und daher so
ausgestaltet werden kann, dass sie einen größeren
magnetischen Fluss erzeugt. Der erzielbare magnetische Fluss enthält
das Produkt aus dem maximalen Strom und der Anzahl der Windungen.
Da ein höherer Strom den erforderlichen Leitungsquerschnitt
und die Anzahl der Windungen die Leitungslänge beeinflusst, geht
eine Erhöhung jeder der beiden Größen
mit einem erhöhten Bedarf an Bauvolumen einher.
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Das
Joch kann geblecht sein. Es besteht dann nicht aus einem durchgehenden
Stück magnetisierbaren Materials, sondern aus mehreren
Stücken magnetisierbaren Materials, die voneinander elektrisch
isoliert sind. Die elektrische Isolation kann beispielsweise durch
eine zwischen den Stücken angeordnete Folie oder ein dort
angeordnetes Harz bewirkt werden. Wirbelströme, die durch Änderungen des
magnetischen Flusses in dem Joch induziert werden, sowie der mit
solchen Strömen verbundene Energieverlust in Form unerwünschter
Erwärmung des Jochs werden durch die Blechung vorteilhaft
reduziert. Die Stücke können plattenförmig
sein. Sie können aber auch keilförmig und insbesondere
so angeordnet sein, dass der magnetische Fluss senkrecht durch die
Grenzen zwischen den Stücken hindurchtritt. So wird die
Strecke, auf der eine betragsmäßige Änderung
dieses Flusses im magnetisierbaren Material des Jochs einen Wirbelstrom
induzieren kann, vorteilhaft vermindert.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist
die Magnetführungseinrichtung einen Permanentmagneten auf,
der im Pfad des von der Magnetspule erzeugten Flusses durch das magnetisierbare
Joch angeordnet ist und dessen Magnetisierungsrichtung eine Komponente
in Richtung dieses Flusses aufweist. Dieser Permanentmagnet bewirkt,
dass das Joch auch ohne Stromfluss durch die Spule ständig
einen magnetischen Fluss auf das Wirkelement richtet. Läuft
der Rotor unrund (Eiern), so ändert sich periodisch der
Luftspalt zwischen dem Wirkelement und dem Joch. Dadurch wird der
vom Permanentmagneten vorgegebene magnetische Fluss durch das Joch
geändert. Diese Änderung induziert einen Strom
durch die Magnetspule. Durch Dissipation dieses Stroms, beispielsweise
in einem Widerstand, kann somit die in der Unrundheit des Laufs
steckende Bewegungsenergie vorteilhaft nach und nach aus dem Rotor
abgezogen werden.
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Der
Permanentmagnet wirkt mit der Magnetspule zusammen. Die Magnetspule
kann den durch den Permanentmagneten vorgegebenen Fluss durch das
Joch je nach Polarität des durch sie fließenden Stroms
verstärken oder auch abschwächen.
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Vorteilhaft
ist ein solcher Regler vorgesehen, der eine Änderung des
Stroms gegenüber einer Änderung des Abstands um
einen Winkel zwischen 70° und 110°, bevorzugt
von 90°, in der Phase zu verschieben vermag. Die durch
die Magnetspule auf das Wirkelement ausgeübte Rückstellkraft
ist dann um so größer, je schneller sich der Rotor
in radialer Richtung bewegt. Dieses Regelungsverhalten lässt
sich beispielsweise mit einem analogen Differenzierer realisieren.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
Regler vorgesehen, der einen mit der Rotation des Rotors synchronen
Anteil im Zeitverlauf des Abstands zu unterdrücken vermag. Dann
reagiert der Regler nur auf von Schwingungen herrührende
radiale Bewegungen des Rotors, nicht hingegen auf radiale Bewegungen,
die von einer Unwucht des Rotors oder anderer Komponenten, mit denen
er über die Welle verbunden ist, herrühren. Um
radiale Bewegungen auf Grund einer Unwucht zu kompensieren, sind
um Größenordnungen höhere radiale Stellkräfte
erforderlich als zur Dämpfung radialer Bewegungen, die
von Schwingungen herrühren. Daher kann es vorteilhaft sein,
den Rotor ungestört um seine durch die vorliegende Unwucht
bestimmte, von seiner Symmetrieachse abweichende Drallachse rotieren
zu lassen und ausschließlich die durch Schwingungen verursachten
radialen Bewegungen zu dämpfen. Bei einer Unwucht stimmt
die geometrische Symmetrieachse des Rotors nicht mit seiner Hauptträgheitsachse überein.
Der Sensor registriert eine periodische radiale Bewegung, weil während jeder
Umdrehung des Rotors verschiedene Bereiche des Rotors in verschiedenen
Abständen vor dem Sensor vorgelegt werden.
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Das
Dämpfungssystem ist dann auch nicht ständig aktiv,
sondern nur, wenn der Rotor zu Schwingungen angeregt wird, beispielsweise
dann, wenn beim Hochfahren der Drehzahl eine Eigenfrequenz des Rotors
durchlaufen wird. Diese Flexibilität bietet die Öldämpfung
gemäß Stand der Technik nicht. Für die Öldämpfung
sind alle radialen Bewegungen des Rotors gleich. Die Öldämpfung
wirkt sich daher besonders nachteilig aus, wenn der Rotor auf Grund
einer Unwucht ständig radiale Bewegungen ausführt,
diese jedoch so geringfügig sind, dass kein Anstoßen
an den Stator zu befürchten ist. Der Ölfilm dissipiert
dann ständig Energie, obwohl dies für die Funktion
des Magnetlagers gar nicht erforderlich ist, und verschleißt
auf Grund der ständigen Beanspruchung mit Scherkräften
sehr schnell. Das erfindungsgemäß vorgesehene
Dämpfungssystem dagegen lässt das Magnetlager
so lange ungestört laufen, bis der Regler auf Grund einer
drohenden Kollision zwischen Rotor und Stator den Bedarf für
ein Eingreifen sieht.
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Es
können mehrere Wirkelemente entlang des Umfangs des Rotors
angeordnet sein. Dann kann ein und dieselbe am Stator ortsfeste
Magnetspule an verschiedenen Punkten der Rotordrehung einer radialen
Bewegung des Rotors entgegen wirken. Es können mehrere
Magnetspulen entlang des Umfangs des Stators angeordnet sein. Dann
kann auf ein und dasselbe am Rotor feste Wirkelement an mehreren
Punkten der Rotordrehung eine radiale Rückstellkraft ausgeübt
werden. Zu diesem Zweck können entlang des Umfangs des
Stators auch mehrere Sensoren angeordnet sein. Auch kann ein um den
Rotorumfang umlaufendes Wirkelement an mehreren Stellen seines Umfangs
mit einer Kraft beaufschlagt werden. Solche Anordnungen erweitern
den Bereich, in dem sich die Richtung der durch die Magnetspulen
auf das Wirkelement oder die Wirkelemente und damit auf den Rotor
ausgeübten resultierenden Kraft wählen lässt,
insbesondere dann, wenn eine Magnetspule immer nur eine attraktive
Kraft auf ein Wirkelement auszuüben vermag.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen
sich mindestens zwei Magnetspulen und/oder Sensoren entlang des
Umfangs des Stators gegenüber. Hat das Wirkelement keine oder
nur eine geringe remanente Magnetisierung, so kann es durch eine
Magnetspule nur mit einer attraktiven, also radial nach außen
gerichteten Kraft beaufschlagt werden. Ist zur Dämpfung
einer gegebenen radialen Rotorbewegung dagegen eine von einer Magnetspule
aus gesehen radial nach innen gerichtete Rückstellkraft
nötig, so kann diese Kraft nicht durch Umpolen des Stroms
durch die Magnetspule bewirkt werden. Hingegen kann diese resultierende
Kraft auf den Rotor erzielt werden, indem die gegenüber
liegende Magnetspule mit Strom beaufschlagt wird und ein Wirkelement
anzieht. Zwei entlang des Umfangs des Stators gegenüber
liegende Magnetspulen ermöglichen es somit, radiale Rotorbewegungen
entlang einer Achse, die durch die Verbindungslinie zwischen diesen
beiden Spulen bestimmt ist, vollständig auszuregeln.
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Sofern
sich entlang des Umfangs des Stators zwei magnetisierbare Joche
gegenüber liegen, die jeweils durch einen Permanentmagneten
ständig mit einem magnetischen Fluss beaufschlagt werden, kann
es zur Erzielung einer maximalen Rückstellkraft vorteilhaft
sein, durch entsprechende Koordination der Ströme durch
die Magnetspulen in dem einen Joch den durch den Permanentmagneten
vorgegebenen Fluss zu verstärken und gleichzeitig in dem anderen
Joch den durch den Permanentmagneten vorgegebenen Fluss zu schwächen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zwei
Paare von Magnetspulen und/oder Sensoren vorgesehen, die sich jeweils entlang
des Umfangs des Stators gegenüber liegen. Sofern die beiden
Verbindungslinien zwischen den Magnetspulen je eines Paars zueinander
nicht kollinear sind, ermöglicht diese Anordnung von Magnetspulen
das Ausregeln radialer Rotorbewegungen entlang zweier linear unabhängiger
Achsen. Vorteilhaft schließen diese Verbindungslinien einen
Winkel zwischen 70° und 110°, bevorzugt von 90°,
ein. Bei einem Winkel von 90° hat ein Regeleingriff entlang der
einen Verbindungslinie keine Komponente entlang der anderen Verbindungslinie,
so dass sich die Regelungen entlang der durch diese Verbindungslinien
bestimmten Achsen nicht ge genseitig beeinflussen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind entlang
der Achse der Welle mehrere Dämpfungssysteme angeordnet.
Mit einer solchen Anordnung kann der benötigte Einbauraum auf
mehrere Orte entlang der Achse der Welle verteilt werden, so dass
jedes einzelne Dämpfungssystem mehr Bauraum beanspruchen
darf und somit stärker ausgestaltet sein kann. Auch ist
eine solche Anordnung besonders geeignet, um Präzessions-
und Nutationsbewegungen sowie insbesondere Schwingungen der Welle
in Form von Biegemoden, die zu einer Zerstörung der Welle
führen können, entgegen zu wirken. In dieser Ausgestaltung
mit mehreren Dämpfungssystemen können Teile des
einen Dämpfungssystems zugleich auch Teile des anderen
Dämpfungssystems sein. So kann etwa ein und derselbe Regler
beide Dämpfungssysteme zugleich ansteuern.
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Vorteilhaft
ist die Welle axial elektromagnetisch gelagert. Dann lässt
sie sich in der Magnetführungseinrichtung komplett berührungslos
lagern, so dass die durch die Dämpfungseinrichtung ausgeübte radiale
Rückstellkraft nicht mit einer Reibungskraft in Wechselwirkung
tritt. Eine Reibungskraft verkompliziert den Zusammenhang zwischen
der vom Sensor festgestellten radialen Rotorbewegung und der vom Dämpfungssystem
auszuübenden radialen Rückstellkraft.
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Zudem
kann das axial elektromagnetische Lager zur Dämpfung von
Schwingungen in axialer Richtung verwendet werden, ohne dass es
hierfür weiterer Einbauten bedarf.
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Diese
Vorteile kommen insbesondere zum Tragen, wenn die Magnetführungseinrichtung
ein Abgasturbolader, eine Turbomolekularpumpe oder ein Chopper ist.
In diesen Geräten werden Umdrehungszahlen von 200.000 min–1 und mehr erreicht. Ein Abgasturbolader
ist durch die Nähe zum Motor und durch die Bewegung des
Fahrzeugs besonders vielen Stoßbelastungen ausgesetzt,
die aperiodisch sind und daher eine Mischung aus Eigenfrequenzen des
Rotors enthalten, die den Rotor zur Schwingung anregen kann. Ein
Chopper ist in der Regel ein dünnes Blatt, das im Interesse
einer hohen Umfangsgeschwindigkeit einen großen Durchmesser
bis über 1 m aufweist. Ein solcher mechanischer Aufbau
lässt sich besonders leicht zum Schwingen anregen.
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Spezieller Beschreibungsteil
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Nachfolgend
wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher
erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch
beschränkt wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen jeweils funktionsgleiche
Baugruppen. Es ist gezeigt:
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1:
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Magnetführungseinrichtung mit dem Rotor selbst als Isolationselement.
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2:
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Magnetführungseinrichtung mit gesondertem Isolationselement.
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3:
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Magnetführungseinrichtung mit gegenüber liegenden
Paaren von Magnetspulen und Sensoren.
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4: Zum Einsatz in einem Abgasturbolader
vorgesehenes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Magnetführungseinrichtung in verschiedenen Schnittansichten
(Teilbilder a und b).
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Magnetführungseinrichtung in Schnittzeichnung. Der Rotor 20 dreht
sich um eine in der Zeichenebene von links nach rechts verlaufende Achse.
Er dreht sich teilweise innerhalb des Stators 10. Der Stator 10 ist
geblecht, um Wirbelstromverluste zu vermeiden. Seine einzelnen Bleche
(Stücke) bestehen aus hochpermeablem Dynamoblech. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit wurden nur die auf dem Stator angeordneten
permanentmagnetische Bereiche 11a, 11b, 12a und 12b sowie
die auf dem Rotor angeordneten permanentmagnetischen Bereiche 21a, 21b, 22a und 22b mit
Bezugszeichen versehen. Die Gesamtheit aller permanentmagnetischen Bereiche
auf Rotor und Stator bildet das radiale Magnetlager für
den Rotor im Stator.
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Alle
permanentmagnetischen Bereiche sind umlaufende permanentmagnetische
Ringe aus Bor-Eisen-Neodym, die axiale magnetische Flüsse erzeugen
(in 1 durch waagerechte Pfeile skizziert). Auf dem
Rotor und auf dem Stator sind benachbarte permanentmagnetische Bereiche
jeweils entgegengesetzt magnetisiert. In der radialen Ruhelage des
Magnetlagers weisen die Magnetisierungen je eines permanentmagnetischen
Bereichs auf dem Stator und des ihm auf dem Rotor gegenüber
liegenden Bereichs in die gleiche Richtung.
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Das
Dämpfungssystem umfasst eine statorseitige Spule 13 und
ein Wirkelement 23 in Form eines um den kompletten Umfang
des Rotors umlaufenden Rings aus einem magnetisierbaren Material, wie
beispielsweise Eisen. Der Rotor 20, der selbst aus austenitischem,
nicht magnetischem Stahl besteht, fungiert als Isolationselement
zwischen den permanentmagnetischen Bereichen 21a, 21b, 22a und 22b einerseits
und dem Wirkelement 23 andererseits.
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Der
Sensor und der Regler sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
in 1 nicht eingezeichnet.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Magnetführungseinrichtung in Schnittzeichnung. Der Rotor 20 dreht
sich um die am unteren Rand von 2 in der
Zeichenebene verlaufende, gestrichelt eingezeichnete Achse. Er dreht
sich teilweise innerhalb des Stators 10. Der Stator enthält
zwei umlaufende permanentmagnetische Ringe 11a und 11b,
der Rotor enthält einen umlaufenden permanentmagnetischen
Ring 21. Die Ringe 11a, 11b und 21 sind
jeweils axial in gleicher Richtung magnetisiert. In der Ruhelage
der radialen magnetischen Lagerung des Rotors 20 gegen
den Stator 10 liegt der Ring 21 zwischen den Ringen 11a und 11b.
Die gemeinsame Magnetisierungsrichtung ist durch den fettgedruckten
waagerechten Pfeil in 2 skizziert.
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Das
Dämpfungssystem umfasst eine statorseitige Spule 13 und
ein Wirkelement 23 in Form eines um den kompletten Umfang
des Rotors umlaufenden Rings aus einem magnetisierbaren Material, wie
beispielsweise Eisen. Das Wirkelement 23 ist vom permanentmagnetischen
Ring 21 durch einen ebenfalls umlaufenden Iso lationsring 24 aus
einem nicht magnetisierbaren Material, wie Keramik oder Kunststoff,
beabstandet.
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Der
Sensor und der Regler sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
in 2 nicht eingezeichnet.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Magnetführungseinrichtung in Schnittzeichnung. Anders als
in den 1 und 2 verläuft der Schnitt
hier senkrecht zur Drehachse des Rotors 20. Diese Drehachse
steht senkrecht auf der Zeichenebene. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
ist vom Rotor 20 nur das Wirkelement 23 eingezeichnet.
Entlang des Umfangs des Stators 10 sind mehrere Magnetspulen 13 angeordnet
sowie mehrere Sensoren 14, die jeweils den kürzesten
Abstand zum Wirkelement 23 erfassen. Weitere Komponenten
des Stators 10 sowie der Regler sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.
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Es
sind je zwei Paare gegenüber liegender Magnetspulen 13 und
zwei Paare gegenüber liegender Sensoren 14 vorgesehen.
Die Verbindungslinien zwischen den Magnetspulen 13 jeweils
eines Paars stehen senkrecht aufeinander. Ebenso stehen die Verbindungslinien
zwischen den Sensoren 14 jeweils eines Paars senkrecht
aufeinander. Aus Platzgründen sind die Sensoren 14 jeweils
entlang des Umfangs des Stators um 45° versetzt gegenüber
den Magnetspulen 13 angeordnet. Die gemessenen Abstände
des Wirkelements 23 von den Sensoren 14 müssen
daher über eine Koordinatentransformation in die entsprechenden
Abstände des Wirkelements 23 von den Magnetspulen 13 umgerechnet
werden.
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4a zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Magnetführungseinrichtung in Schnittzeichnung. Dieses Ausführungsbeispiel
ist zum Einsatz in einem Abgasturbolader vorgesehen. Ein auf einer
Welle 3 befestigter Rotor 20 dreht sich mit der
Welle gegen den Stator 10. Die gewählte Ansicht
ist spiegelsymmetrisch um die Mittelachse der Welle 3.
Zu beiden Seiten der Welle 3 sind jeweils identische radiale
Magnetlager und Dämpfungssysteme vorhanden. Wegen der Vielzahl der
Bezugszeichen wurden daher einige Bezugszeichen nur links der Welle 3 und
einige Bezugszeichen nur rechts der Welle 3 eingezeichnet,
obwohl die zu diesen Bezugszeichen gehörigen Komponenten
zu beiden Seiten der Welle 3 vorhanden sind.
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Das
radiale Magnetlager umfasst rotorseitig die Permanentmagnete 21a, 21b, 22a und 22b sowie statorseitig
die Permanentmagnete 11a, 11b, 11c und 12a, 12b, 12c.
Das erfindungsgemäße Dämpfungssystem
umfasst rotorseitig Wirkelemente 23a, 23b sowie
statorseitig das magnetisierbare Joch 15 und die Magnetspule 13.
Zwischen dem Wirkelement 23a und dem Permanentmagneten 21a ist
das Isolationselement 24a angeordnet. Zwischen dem Wirkelement 23b und
dem Permanentmagneten 21b ist das Isolationselement 24b angeordnet.
Die Permanentmagnete 21a, 21b, 22a, 22b,
die Wirkelemente 23a, 23b sowie die Isolationselemente 24a und 24b sind
jeweils als umlaufende Ringe ausgebildet. Die Isolationselemente 24a und 24b sind
zugleich vorgespannte Bandagen, die radial nach innen gerichtete Druckkräfte
auf die Permanentmagnete 21a, 22a bzw. 21b, 22b ausüben.
Dadurch wird verhindert, dass die Permanentmagnete im Betrieb auf
Grund der Zentrifugalkraft zerbersten und davonfliegen. Die aufeinander
abgestimmten Magnetisierungsrichtungen der rotorseitigen und statorseitigen
Permanentmagnete sind durch Pfeile kenntlich gemacht.
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Zusätzlich
ist statorseitig ein magnetisierbares Überbrückungsstück 16 vorgesehen,
welches in der radialen Ruhelage des Magnetlagers den magnetischen
Fluss vom Wirkelement 23a in das Wirkelement 23b leitet.
Dieses Überbrückungsstück 16 ist durch
ein weiteres statorseitiges Isolationselement 17 aus einem
nicht magnetisierbaren Material magnetisch gegen den statorseitigen
Permanentmagneten 11b isoliert.
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4b ist
eine Schnittzeichnung durch das in 4a dargestellte
Ausführungsbeispiel in einer anderen Schnittansicht. Der
Schnitt ist entlang der Linie A-A in 4a durchgeführt.
In dieser Ansicht ist erkennbar, dass das Wirkelement 23a,
das Isolationselement 24a sowie die Permanentmagnete 21a und 22a als
umlaufende Ringe ausgebildet sind. Statorseitig sind dagegen zwei
Paare aus jeweils gegenüber liegenden Magnetjochen 15 mit
Magnetspulen 13 angeordnet. Entlang des Umfangs des Stators
ist zwischen zwei Magnetjochen 15 jeweils ein Sensor 14 angeordnet.
Die Verbindungslinien zwischen den Magnetspulen 13 jeweils
eines Paars stehen senkrecht aufeinander. Ebenso stehen die Verbindungslinien
zwischen den Sensoren 14 jeweils eines Paars senkrecht
aufeinander.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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