DE102008049050A1

DE102008049050A1 - Luftlager zum Lagern eines Körpers

Info

Publication number: DE102008049050A1
Application number: DE102008049050A
Authority: DE
Inventors: Christian Willming; Hans-Jürgen Müller; Uli Holzermer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-08
Also published as: US20100080340A1; US8073098B2

Abstract

Es wird ein Luftlager beschrieben, welches einen Rotor (3) umfasst, welcher entlang seiner Umfangsrichtung eines kreisförmig gekrümmte Rotor-Radial-Lagerfläche (6) aufweist. Darüber hinaus umfasst das Lauflager einen Stator (2), welcher zumindest eine den Rotor (3) teilweise in Umfangsrichtung umschließende Stator-Radial-Lagerfläche (7) aufweist, die gemäß einem Profil folgend der Umfangsrichtung des Rotors (3) gekrümmt ist und zum Erzeugen eines Luftspalts (17) zwischen ihr und der Rotor-Radial-Lagerfläche (6) ausgebildet ist, sodass im Betrieb der Rotor (3) getragen durch einen in dem Luftspalt (17) herrschenden Luftstrom gelagert ist. Das Profil ist derart beschaffen, dass bei einer Ausgangstemperatur (T1), die von einer Betriebstemperatur (T2) abweicht, im Vergleich zu einem korrespondierend zu der Umfangsrichtung verlaufenden ersten Bereich (19) der Stator-Radial-Lagerfläche (7) in einem zweiten Bereich (18) der Stator-Radial-Lagerfläche (7) ein Luftspalt (17) geringerer Dicke gemessen in Radialrichtung (4) zwischen der Stator-Radial-Lagerfläche (7) und der Rotor-Radial-Lagerfläche (6) vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftlager und eine Verwendung eines solchen Luftlagers.
Bekannte Luftlager zeichnen sich im Gegensatz zu konventionellen Lagern durch ihre praktisch vernachlässigbare Reibung und Alterung, sowie durch ihre Hochpräzisions- und Hochgeschwindigkeitsfähigkeit aus. Ebenso ist der Verzicht auf Öl von entscheidender Bedeutung, weil dies den Einsatzbereich z. B. insbesondere in staubiger Umgebung wesentlich erweitert und zugleich die Wartung des Ölsystems entfällt. An Stelle des Öls sorgt bei einem Luftlager ein Luftfilm bzw. ein Luftstrom in einem relativ dünnen Luftspalt für kontaktfreie Lagerung. Dabei wirken eine Stator und ein Rotor zusammen, an dem ein Körper befestigt ist.
Die grundlegend positiven Eigenschaften von Luftlagern haben den Einzug der Luftlager in den medizintechnischen Bereich erleichtert. Die dortigen Anforderungen an ein Luftlager können dabei derart zusammengefasst werden, dass sie wartungsfrei, leise und über einen weiten Temperaturbereich frequenzunabhängig stabil laufen sollen. Weiters sind möglichst kleine Einbauvolumina und kostengünstige Lösungen gefordert.
Ein Luftlager, das diesen in der Medizintechnik geforderten Eigenschaften nahe kommt, wurde beispielsweise von der Firma NEWWAY air bearing mit Sitz in 50 McDonald Blvd., Aston, PA 19014 USA, unter der Bezeichnung Air Bearing Slewing Rings in den Handel gebracht und ist in 1 in einer Schnittdarstellung abgebildet. Dieser Typ eines Luftlagers realisiert ein sogenanntes formschlüssiges Luftlager 1, bei dem gemäß einer Ausbildungsform ein ringförmig ausgebildeter Stator 2, der in einem Gerät fix montiert werden kann, einen an seiner Innenseite rotierbaren einteilig und ebenfalls ringförmig ausgebildeten Rotor 3 aufweist, der von dem Stator 2 an sei ner Außenseite in Radialrichtung – durch den ersten Pfeil 4 gekennzeichnet – und zumindest teilweise in Axialrichtung – durch den zweiten Pfeil 5 gekennzeichnet – formschlüssig umhüllt ist. Korrespondierend zu einer äußeren umfangsseitigen Rotor-Oberfläche, die eine Rotor-Radial-Lagerfläche bildet, weist der Stator 2 eine umlaufende Stator-Radial-Lagerfläche 7 auf, die zum tragenden Lagern des Rotors 3 bzw. eines mit dem Rotor 3 verbunden Körpers in Radialrichtung 4 des Rotors 3 ausgebildet ist. Der Stator 2 weist weiters korrespondierend zu den Körperflächen des Rotors 3, die in Axialrichtung 5 orientiert sind und Rotor-Axial-Lagerflächen 8 bilden, umlaufende Stator-Axial-Lagerflächen 9 auf, die zum stützenden Lagern des Rotors 3 bzw. eines mit dem Rotor 3 verbundenen Körpers in der Axialrichtung 5 ausgebildet sind. Zur Erzeugung des zum Lagern nötigen Luftspalts unterscheiden sich der Radius der Rotor-Radial-Lagerfläche 6 und der Radius der Stator-Radial-Lagerfläche 7 geringfügig. Der im Betrieb gebildete Luftspalt weist entlang der Lagerflächen 7 in Umfangsrichtung eine im Wesentlichen homogene Dicke auf.
Dieser Typ des formschlüssigen Luftlagers 1 erfüllt zwar das Kriterium der platzsparenden Ausbildung. Das bekannte Luftlager 1 weist jedoch relativ enge Grenzwerte hinsichtlich der Betriebstemperaturen auf, was den Einsatz dieses Luftlagers erschwert. Dieses Problem ist dadurch begründet, dass, wegen der 360-gradigen den Rotor 3 formschlüssig umschließenden Ausgestaltung des Stators 2, das Luftlager 1 nur mit einem geringen Temperaturunterschied zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 betrieben werden darf, da andernfalls die Gefahr besteht, dass es bei einer zu starken Erwärmung des Rotors 3 und einer damit einhergehenden Ausdehnung des Rotors 3 zu einem Verklemmen des Rotors 3 und des Stators 2 kommen kann. Diese Situation ist noch durch den Einsatz verschiedener Materialien begünstigt. Der Rotor 3 wird üblicherweise aus Stahl gefertigt und die Stator-Radial-Lagerfläche ist aus einem porösen Graphit gefertigt. Da Stahl einen bei weitem höheren Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als Graphit, ist bei der Lösung gemäß dem Stand der Technik unweigerlich mit dem Verklemmen zwischen Stator und dem formschlüssig eingebetteten Rotor zu rechnen. Dem kann zwar prinzipiell durch zwei Maßnahmen entgegengewirkt werden, wobei jedoch keine dieser Maßnahmen bzw. keine ihrer Folgen gewollt bzw. erwünscht ist. So kann einerseits der Rotor 3 zwangsgekühlt werden, was jedoch kostenintensiv und kompliziert ist. Anderseits könnten auch die Luftspaltdicke zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 vergrößert werden, wodurch jedoch die Effektivität des Luftlagers sinkt, weil die Dicke der Luftspalt relativ klein – beispielsweise im Bereich von 1/1000 mm – sein muss, um ein effektives Lager zu erhalten. An dieser Stelle sei erwähnt, dass ganz allgemein gültig ein Luftlager 1 mit einem kleineren Luftspalt eine höhere Last tragen kann, als ein Luftlager 1 mit einem größeren Luftspalt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Luftlager der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die vorstehend angeführten Probleme beseitigt sind und ein verbessertes Luftlager erhalten ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Luftlager gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist das Luftlager einen Rotor auf, welcher Rotor entlang seiner Umfangsrichtung eine kreisförmig gekrümmte Rotor-Radial-Lagerfläche aufweist, und einen Stator auf, welcher Stator zumindest eine zu dem Rotor teilweise in Umfangsrichtung benachbart verlaufende, bei einer bevorzugten Ausführungsform den Rotor teilweise in Umfangsrichtung umschließende, Stator-Radial-Lagerfläche aufweist, die gemäß einem Profil folgend der Umfangsrichtung des Rotors gekrümmt ist und zum Erzeugen eines Luftspalts zwischen ihr und der Rotor-Radial-Lagerfläche ausgebildet ist, sodass im Betrieb der Rotor getragen durch einen in dem Luftspalt herrschenden Luftstrom gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil derart beschaffen ist, dass bei einer Ausgangtemperatur, die von einer Betriebstemperatur (T2) abweicht, im Vergleich zu einem korrespondierend zu der Umfangsrichtung verlaufenden ersten Bereich der Stator-Radial-Lagerfläche in einem zweiten Bereich der Stator-Radial-Lagerfläche ein Luftspalt geringerer Dicke gemessen in Radialrichtung zwischen der Stator-Radial-Lagerfläche und der Rotor-Radial-Lagerfläche vorliegt.
Durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Maßnahme ist auf vorteilhafte Weise erreicht, dass das Luftlager nicht mehr verklemmen kann. Dies ist einerseits dadurch erreicht, dass die z. B. außen liegenden Stator-Radial-Lagerfläche den Rotor nicht mehr vollständig umschließen, sondern in Form von zumindest einem Segment ausgebildet ist. Zusätzlich erlaubt das speziell geformte Profil der Stator-Radial-Lagerfläche eine Ausdehnung des Rotors, ohne dass im Betrieb des Luftlagers ein thermisch bedingter Kontakt zwischen dem Rotor und der Stator-Radial-Lagerfläche entsteht. Das Profil erlaubt dem Rotor in Folge seiner thermisch bedingten Ausdehnung auszuweichen, wobei zugleich der tragend lagernde Luftfilm erhalten bleibt, weil das Design des Profils die thermische Ausdehnung berücksichtigt. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Rotor bei einer thermisch bedingten Ausdehnung in kontrollierter Weise dem Profil der Stator-Radial-Lagerfläche annähern kann, ohne diese jedoch zu berühren, oder anders ausgedrückt, dass die Stator-Radial-Lagerfläche eine thermische Ausdehnung des Rotors in Radialrichtung verkraften kann, ohne dass im Betrieb mit einem durch thermische Effekte bedingten Kontakt zu Rechnen ist. Der Rotor wird bei abgeschaltetem Luftlager, also wenn keine Luft durch die Stator-Radial-Lagerflächen strömt, die beispielsweise aus porösem Graphit gefertigt sind, im Wesentlichen in dem zweiten Bereich aufsitzen, wo sich auch nach dem Einschalten des Luftlagers, also wenn Luft durch die Stator-Radial-Lagerflächen strömt, zunächst ein tragender Luftfilm einstellen wird. Im Verlauf des Betriebs des Luftlagers wird sich der Rotor thermisch bedingt stärker ausdehnen als die Stator-Radial-Lagerfläche und sich somit dem ersten Bereich annähern, sodass auch dort durch die Verringerung der Dicke des Luftspalts die tragende Wirkung des Lagers erhöht wird. In Abkehr von einer reinen kreisförmig profilierten Stator-Radial-Lagerfläche, die einen konstanten Radius entlang der Umfangrichtung des Rotors aufweist, ist durch das vorteilhafte Profil sichergestellt, dass der sich thermisch bedingt ausdehnende Rotor nicht an den Kanten der segmentierten Stator-Radial-Lagerfläche „aufsitzt” und die lagernde Wirkung des Luftfilms zwischen dem Rotor und der Stator-Radial-Lagerfläche verloren geht. In Analogie zu den außen liegenden Stator-Radial-Lagerflächen werden auch bei innen liegenden Stator-Radial-Lagerflächen gleiche Effekte bzw. Vorteile erzielt.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Profil derart beschaffen bzw. dimensioniert, sodass bei der Betriebstemperatur der zwischen der Stator-Radial-Lagerfläche und der Rotor-Radial-Lagerfläche gebildete Luftspalt eine im Wesentlichen homogene Dicke entlang der Umfangsrichtung des Rotors aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass das Luftlager bei der betriebsüblichen Betriebstemperatur eine Normalperformance liefert.
Die Form der Stator-Radial-Lagerfläche kann beispielsweise asymmetrisch sein, sodass in Umfangrichtung des Rotors betrachtet der erste Bereich im Bereich bei einer ersten Kante und der zweite Bereich im Bereich einer zweiten Kante der Stator-Radial-Lagerfläche lokalisiert sein kann. Weiters können auch Lösungen vorgesehen sein, bei denen der zweite Bereich links und rechts von seiner Position mit unterschiedlich großen ersten Bereichen umgeben ist. Gemäß einer bevorzugten Form der Stator-Radial-Lagerfläche ist die Stator-Radial-Lagerfläche derart beschaffen, dass der erste Bereich ein Randbereich und der zweite Bereich ein Zentralbereich der Stator-Radial-Lagerfläche bildet, wobei das Profil symmetrisch zu einer Zentrallinie des Zentralbereich ausgebildet ist. Dadurch ist die optimale Ausnutzung der durch das Luftlager realisierbaren effektiven Fläche erhalten, weil diese Form den Einsatz zentral unter dem Rotor begünstigt. Die Bezeichnungen Zentralbereich und Radialbereich der Stator-Radial-Lagerfläche sind dabei so zu verstehen, dass der Rotor bei einem abgeschalteten Luftlager im Zentralbereich die Stator-Radial-Lagerfläche berührt. Diese Berührung wird großteils entlang einer in einer Axialrichtung des Rotors verlaufenden Berührungslinie, nämlich der sogenannten Zentrallinie stattfinden. Der Randbereich der Stator-Radial-Lagerfläche ist also im Wesentlichen jener umfangsmäßig verlaufende Bereich der Stator-Radial-Lagerfläche, welcher von dem Zentralbereich bzw. der Berührungslinie weg zu dem jeweiligen rechten bzw. linken Enden der Stator-Radial-Lagerfläche verläuft. Bei der Ausgangstemperatur T1 wird somit der Luftspalt gemessen im Zentralbereich und verglichen mit dem Randbereich den größten Unterschied aufweisen.
Das Profil, welches die Form der Stator-Radial-Lagerfläche und letztendlich den Verlauf der Dicke des Luftspaltes beschreibt, kann auf vielerlei Weise realisiert sein. Eine Beschreibung dieses Profils kann beispielsweise durch eine elliptische Form gegeben sein. Es sind auch Stufen oder besser mikrostufenartige Strukturen, die von dem Zentralbereich hin zu dem Randbereich verlaufen, denkbar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass das Profil gemäß der Funktion
beschaffen ist, wobei R_T1 ein Radius des Rotors plus eine nominale Dicke des Luftspalts bei der Ausgangstemperatur ist, φ ^ ein Winkelsegment ist, das die halbe Stator-Radial-Lagerfläche gemessen von ihrem Zentrum bis hin zu ihrer Kante folgend der Umfangsrichtung des Rotors aufspannt, Δr ein Radiusunterschied des Rotors zwischen der Ausgangstemperatur und der Betriebstemperatur ist, und φ ein im Bereich zwischen 0 ≤ φ ≤ φ ^ veränderbarer Winkelparameter, der den Radiusunterschied Δr entlang des Winkelsegments φ ^ parametrisiert. Diese funktionale Beschreibung des Profils repräsentiert im Wesentlichen eine Kurve oder besser gesagt ein Spiralsegment, bei dem sich der Radius als eine Funktion des Winkels gemessen vom Zentralbereich aus hin zu dem Randbereich kontinuierlich verändert.
Da bei einem Luftlager die effektiv wirksame Fläche des Luftlagers durch die Projektion der Stator-Radial-Lagerfläche auf eine Ebene normal zur Schwerkraft gegeben ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest eine Stator-Radial-Lagerfläche in Umfangsrichtung derart positioniert ist, dass ihr zweiter Bereich, insbesondere bevorzugt ihr Zentralbereich, mit der Projektion des Schwerpunktes des Rotors auf die Stator-Radial-Lagerfläche zusammenfällt. Dadurch ist der Vorteil erhalten, dass die größte effektiv wirksame Lagerfläche zur Verfügung steht. Es sei jedoch an dieser Stelle erwähnt, dass dieser Effekt nicht nur durch ein einziges derart positioniertes Segment einer Stator-Radial-Lagerfläche, das sozusagen zentrisch unterhalb des Rotors positioniert ist, erreicht werden kann. Vielmehr ist auch eine Aneinanderreihung von einzelnen Segmenten der Stator-Radial-Lagerfläche unterhalb des Rotors möglich, um auf äquivalente Weise eine möglichst große effektive Fläche zu erhalten.
Wie eingangs erörtert, spielt die thermische Ausdehnung des Rotors eine entscheidende Rolle, sodass beim Design des Stators nicht nur auf die Stator-Radial-Lagerflächen einzugehen ist, sondern auch auf jene Bereiche Rücksicht zu nehmen ist, die frei von Stator-Radial-Lagerflächen sind, um auch in diesen Bereichen eine Berührung zwischen dem Stator und dem Rotor bei einer thermischen Ausdehnung des Rotors zuverlässig zu verhindern. Demgemäß ist in einem bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Stator entlang der Umfangsrichtung an seiner dem Rotor zugewandten Seite an Stellen, die frei von der zumindest einen Stator-Radial-Lagerfläche sind, eine Radialausdehnung aufweist, die größer ist als jene Radialausdehnung, die im Betrieb durch den luftgelagerten Rotor bei der Betriebstemperatur beansprucht wird. Dadurch ist sicher gestellt, dass sich der luftgelagert getragene Rotor nicht nur im Bereich der Stator-Radial-Lagerflächen thermisch ausdehnen kann, sondern auch in anderen Bereichen, die beispielsweise diametral zu den Stator-Radial-Lagerflächen lokalisiert sein können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Stator zumindest zwei Stator-Axial-Lagerflächen auf, die zum axial-stützenden Lagern des Rotors in Axialrichtung des Rotors ausgebildet sind. Diese zumindest zwei Stator-Axial-Lagerflächen erlauben, soweit sie an den richtigen Umfangspositionen angebracht sind, eine Kompensation von Kippmomenten, die auf den Rotor wirken.
Im Zusammenhang mit den zuvor erwähnten zumindest zwei Stator-Axial-Lagerflächen hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn diese korrespondierend zu der Position der zumindest einen Stator-Radial-Lagerfläche an dem Stator ausgebildet bzw. positioniert sind, weil dadurch an diesen Positionen nicht nur eine tragende Wirkung des Luftlagers, sondern auch eine axial stützende Wirkung des Luftlagers erzielt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Vorsehen von zumindest zwei weiteren Stator-Axial-Lagerflächen im Wesentlichen axial gegenüberliegend zu der Position der zumindest einen Stator-Radial-Lagerfläche an dem Stator, wodurch erreicht ist, dass einem auf den Rotor wirkenden Kippmoment auch an diesen Positionen wirkungsvoll entgegengewirkt werden kann.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator ein Gehäuse aufweist bzw. gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als ein Gehäuse realisiert ist, das den Rotor umfangsseitig mit einer Stator-Innenringwand umschließt, und dass die zumindest eine Stator-Radial-Lagerfläche an der Stator-Innenringwand befestigt ist. Dabei kann die Befestigung beispielsweise durch Ankleben der Stator-Radial-Lagerfläche an die Stator-Innenringwand oder durch andere bekannte Maßnahmen erfolgen, wie beispielsweise ein Einsetzen eines Trägers, der die Stator-Radial-Lagerfläche trägt. Durch die Verwendung eines eigenen Trägers, an dem die Stator-Radial-Lagerfläche befestigt ist, lässt sich die Stator-Radial-Lagerfläche auf einfache Weise vormontieren, sodass letztendlich lediglich der Träger mit der Stator-Innenringwand an dafür vorgesehenen und entsprechend ausgebildeten Stellen verbunden werden muss. Die Ausbildung des Stators als ein Gehäuse ermöglicht insbesondere den kompakten Einsatz des Luftlagers, dessen effiziente Handhabung und letztendlich auch seine platzsparende Ausgestaltung.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Gehäuses ist vorgesehen, dass das Gehäuse den Rotor an zwei unterschiedlichen Axialpositionen des Rotors zumindest teilweise in seiner Radialrichtung mit Stator-Innenseitenwänden umschließt und dass von den zumindest zwei Stator-Axial-Lagerflächen jeweils die eine Stator-Axial-Lagerfläche axial gegenüber der anderen Stator-Axial-Lagerfläche befestigt ist. Dadurch ist erreicht, dass in dem Gehäuse auf möglichst effiziente Weise alle statorbezogenen Lagerflächen untergebracht sind, so dass das Luftlager sowohl tragende als auch stützende Funktionen bei einem gleichzeitig möglichst kompakten Design ausüben kann.
Gemäß einer weiteren Ausbildungsform kann der Stator durch eine Anzahl von Segmenten realisiert sein, an denen die zumindest eine Stator-Radial-Lagerfläche befestigt ist und/oder die Stator-Axial-Lagerflächen befestigt sind. Diese Ausbildungsform ist dann von Vorteil, wenn im Design eines Gerätes gefordert ist, dass die Positionierung solcher Segmente möglichst flexibel und variabel erfolgen soll, ohne jedoch ein Gehäuse oder ähnliche Maßnahmen zu fordern. Aus Stabilitätsgründen hat es sich jedoch hat es sich auch bei dieser Ausbildungsform als vorteilhaft erwiesen, wenn die einzelnen Segmente ihrerseits durch einen beispielsweise stabilisierenden Ring oder ein käfigartiges Gebilde gehalten bzw. getragen werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Rotor einen Flansch auf, der zum Befestigen einer Drum eines Computer-Tomographie-Systems ausgebildet ist. Dadurch ist der Vorteil erhalten, dass der bestimmungs- und designmäßige Einsatz des Luftlagers bei einem solchen System möglichst einfach vonstatten gehen kann.
Nach einem bevorzugten Detail der Ausführung der Erfindung sind die Lagerflächen aus einem porösen Graphit hergestellt, was gegenüber ebenfalls erfindungsgemäß einsetzbaren düsenartigen Ausbildungsformen den Vorteil der Erzeugung eines homogeneren Luftfilms hat. Im Vergleich zu der Verwendung einer düsenartigen Ausbildung zeichnet sich die Verwendung eines porösen Materials, wie beispielsweise Graphit, Sinterkohle oder auch Sintermetallen, wie beispielsweise Sinterbronze, dadurch aus, dass durch Einblasen der Luft zur Aktivierung des Luftlagers eine wesentlich feinporigere, fast flächenhaft luftabgebende Lagerfläche realisiert werden kann.
Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Luftlager angeführten Aspekte und Vorteile erstrecken sich in analoger Weise auch auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Luftlagers in einem Computer-Tomographie-System, bei dem mit Hilfe des Luftlagers eine Drum in einem Drum-Carrier gelagert ist.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen.
Es zeigen:
1 auf schematische Weise einen Querschnitt durch ein formschlüssiges Luftlager gemäß dem Stand der Technik,
2a, 2b und 2c auf analoge Weise wie die 1 einen Schrägriss eines erfindungsgemäßen Luftlagers umfassend einen segmentierten Stator und einen Rotor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in drei verschiedenen Perspektiven,
2d, 2e und 2f in analoger Perspektive wie die 2a, 2b und 2c den von dem Rotor losgelösten segmentierten Stator des erfindungsgemäßen Luftlagers,
2g, 2h und 2i in analoger Perspektive wie die 2a, 2b und 2c Lagerflächen des Stators des erfindungsgemäßen Luftlagers,
2j, 2k und 2l in analoger Perspektive wie die 2a, 2b und 2c ein Zusammenwirken der Lagerflächen des Stators mit dem Rotor des erfindungsgemäßen Luftlagers,
3a, 3b und 3c auf analoge Weise wie die 2a, 2b und 2c das erfindungsgemäße Luftlager gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in drei verschiedene Perspektiven,
3d, 3e und 3f in analoger Perspektive wie die 3a, 3b und 3c den von dem Rotor losgelösten Stator des erfindungsgemäßen Luftlagers mit einem Versteifungs- und Befestigungsring,
3g, 3h und 3i in analoger Perspektive wie die 3a, 3b und 3c Lagerflächen des Stators des erfindungsgemäßen Luftlagers,
3j, 3k und 3l in analoger Perspektive wie die 3a, 3b und 3c ein Zusammenwirken der La gerflächen des Stators mit dem Rotor des erfindungsgemäßen Luftlagers,
4a auf schematische Weise eine Frontalansicht des Luftlagers gemäß 2a, 2b und 2c mit einer Schnittlinie A-A,
4b eine schematische Schnittdarstellung des Luftlagers gemäß der 4a entlang der Schnittlinie A-A mit einem markierten ersten Detail und einem zweiten Detail,
5 eine Schnittdarstellung des in der 4b markierten ersten Details,
6 eine Schnittdarstellung des in der 4b markierten zweiten Details,
7a und 7b eine schematische Visualisierung des Problems der thermischen Expansion eines Rotors bei einem nicht erfindungsgemäßen Luftlager mit segmentierter Stator-Radial-Lagerfläche,
8a und 8b auf analoge Weise wie die 7a und 7b den Effekts der erfindungsgemäßen Maßnahmen bei einem erfindungsgemäßen Luftlager,
9 eine Visualisierung von zur Beschreibung eines Profils der Stator-Radial-Lagerfläche des erfindungsgemäßen Luftlagers verwendeten Parametern,
10a einen Schrägriss eines gehäuseförmig ausgebildeten Stators eines erfindungsgemäßen Luftlagers in einer ersten Per spektive gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
10b eine von dem Stator gemäß 10a losgelöst dargestellte Anordnung von Lagerflächen des Stators gemäß der ersten Perspektive,
11a einen Schrägriss einer Kombination des Stators gemäß 10a mit einem Rotor in einer zweiten Perspektive,
11b die gemäß 10b dargestellten Lagerflächen in der zweiten Perspektive,
12a den Stator gemäß 10a in einer dritten Perspektive,
12b die gemäß 10a dargestellten Lagerflächen in der dritten Perspektive,
13a ein Zusammenwirken der Lagerflächen des Stators des Luftlagers gemäß 10a mit dem Rotor des Luftlagers in einer ersten Perspektive,
13b das Zusammenwirken gemäß 13a in einer zweiten Perspektive,
13c das Zusammenwirken gemäß 13a in einer dritten Perspektive,
14 auf schematische Weise auf das Luftlager wirkenden Kräfte und
15 auf schematische Weise das Prinzip eines weiters Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Luftlagers.
In der Sequenz der 2a bis 2c ist ein Schrägriss eines erfindungsgemäßen Luftlagers 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Luftlager 1 weist einen Stator 2 auf, der im vorliegenden Fall durch vier Segmente realisiert ist. Die vier Segmente des Stators 2 bzw. ihre Lage sind in der Sequenz der 2d bis 2f dargestellt. Die vier Segmente des Stators 2 sind durch zwei Stützlager 10, die in einer späteren Einbauposition bzw. -lage des Luftlagers 1 in der oberen Hälfte des Luftlagers 1 vorgesehen sind, und durch zwei kombinierte Trag- und Stützlager 11, die in der unteren Hälfte des Luftlagers 1 vorgesehen sind, gebildet. Die Trag- und Stützlager 11 sowie die Stützlager 10 sind konstruktiv formschlüssig ausgebildet, sodass den Rotor 3 jeweils an der Stelle, an der sie positioniert sind, zumindest an drei Seiten umschlossen ist. Deutlich zu sehen ist eine Rotor-Radial-Lagerfläche 6, die mit dem formschlüssigen und kombinierten Trag- und Stützlagern 11 tragend zusammenwirkt. Ebenso zu sehen ist eine von zwei Rotor-Axial-Lagerflächen 8, welche mit korrespondierenden Stator-Axial-Lagerflächen 9 zusammenwirken. Die Lage der Stator-Radial-Lagerflächen 7 sowie die Lage der Stator-Axial-Lagerflächen 9 ist losgelöst von den vier Segmenten des Stators 2 in der Sequenz der 2g bis 2i dargestellt. Ein Zusammenwirken der Stator-Radial-Lagerflächen 7 und der Stator-Axial-Lagerflächen 9 mit dem Rotor 3 ist in der Sequenz der 2j bis 2l visualisiert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Luftlagers 1 ist in der Sequenz der 3a bis 3c dargestellt, wobei im vorliegenden Fall die beiden Stützlager 10 sowie die beiden kombinierten Trag- und Stützlager 11 durch einen Versteifungs- und Befestigungsring 12 miteinander verbunden sind. Dadurch ist eine wesentliche Erhöhung der Steifigkeit des Luftlagers 1 und eine kompakte und einfache Befestigungsmöglichkeit für das Luftlager 1 geschaffen. Im Unterschied zu den 2d bis 2f sind in der Sequenz der 3d bis 3f die mit dem Versteifungsring- und Befesti gungsring verbundenen vier Segmente des Stators 2 zu sehen. Auch im vorliegenden Fall ist Lage der Stator-Radial-Lagerflächen 7 sowie die Lage der Stator-Axial-Lagerflächen 9 losgelöst von den vier Segmenten des Stators 2 in der Sequenz der 3g bis 3i dargestellt. In Analogie zu den 2j bis 2l ist auch für dieses Ausführungsbeispiel ein Zusammenwirken der Stator-Radial-Lagerflächen 7 und der Stator-Axial-Lagerflächen 9 mit dem Rotor 3 ist in der Sequenz der 3j bis 3l visualisiert.
In der 4a ist das erfindungsgemäße Luftlager 1, welches in der 2 dargestellt ist, in Frontalansicht dargestellt, wobei eine Schnittlinie A-A eingezeichnet ist. Die 4b zeigt das gemäß der Schnittlinie A-A durchgeschnittene Luftlager 1, wobei zwei Details 13 und 14, nämlich ein Schnitt durch eines der Stützlager 10 und ein Schnitt durch eines der Trag- und Stützlager 11 markiert sind.
Die 5 zeigt stark vergrößert das in der 4b markierte erste Detail 13 des Trag- und Stützlagers 11. Dargestellt wird einen Schnitt durch das Trag- und Stützlager 11 und die dazu korrespondierenden Teil des Rotors 3. In diesem ersten Detail 13 ist das formschlüssige – nämlich U-förmige – Umschließen der Rotor-Lagerflächen 8 und 6 durch das Trag- und Stützlager 11 veranschaulicht. Zu sehen sind auch die zu den Rotor-Axial-Lagerflächen 8 korrespondierend vorgesehenen zwei Stator-Axial-Lagerflächen 9 und die zu der Rotor-Radial-Lagerfläche 6 korrespondierende Stator-Radial-Lagerfläche 7. Wegen des gewählten Maßstabs ist in der vorliegenden Darstellung der zwischen den jeweiligen Paaren der Lagerflächen 6, 7, 8 und 9 vorhandene Luftspalt nicht sichtbar. Das Design des kombinierten Trage- und Stützlagers 11 und des Rotors 3 ist derart, dass zwischen dem Rotor 3 und dem benachbart zu dem Rotor 3 gelegenen Bereichen des Trag- und Stützlagers 11, die keine lagernde Funktion haben, Abstandsbereiche 15 vorgesehen sind, wodurch eine Berührung zwischen dem Trag- und Stützlager 11 und dem Rotor 3 in diesen Bereichen nicht möglich ist.
In der 6 ist das zweite Detail 14 dargestellt, welches einen vergrößerten Schnitt durch das Stützlager 10 und den dazu korrespondierenden Teil des Rotors 3 zeigt. Gemäß der Funktion des Stützlagers 10 weist das Stützlager zwei Stator-Axial-Lagerflächen 9 auf, die korrespondierend zu den Rotor-Axial-Lagerflächen 8 positioniert sind. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Stator 2 im Bereich der Stützlager 10 derart dimensioniert, dass Ausdehnungsfugen 16 vorgesehen sind. Diese Ausdehnungsfugen 16 ermöglichen, dass sich der Rotor 3 von einer Ausgangstemperatur T1 bis hin zu einer Betriebstemperatur T2 ausdehnen kann, ohne dass in Radialrichtung 4 ein mechanischer Kontakt zwischen dem Rotor 3 und dem Stützlager 10 zustande kommt. Im vorliegenden Fall sind also die Stützlager 10 frei von Stator-Radial-Lagerflächen 7, sodass der Stator 2 entlang der Umfangsrichtung, also genau im Bereich der Stützlager 10, an seinen dem Rotor 3 zugewandten Seiten an Stellen, die frei von Stator-Radial-Lagerflächen 7 sind, eine Radialausdehnung aufweist, die größer ist, als jene Radialausdehnung, die im Betrieb durch den luftgelagerten Rotor 3 bei der Betriebstemperatur T2 beansprucht wird. Im Fall des in der 3 dargestellten Versteifungs- und Befestigungsrings 12 wird diese designmäßige Sicherheitsmaßnahme vorteilhafter Weise auch auf diesen Ring 12 angewendet.
Im Folgenden ist die erfindungsgemäße Gestaltung eines Profils der Stator-Radial-Lagerfläche 7 anhand einer in der 7a und 7b dargestellten unvorteilhaften Ausbildungsform bzw. einer in der 8a und 8b erfindungsgemäßen Ausbildungsform erörtert.
Um die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme deutlich zu veranschaulichen, ist zunächst in 7a der Rotor 3 bzw. präziser gesagt ein der Stator-Radial-Lagerfläche 7 gegenüberliegendes Teil des Rotors 3 im kalten Zustand, also bei einer Ausgangstemperatur T1 dargestellt. Ebenso ist die Stator-Radial-Lagerfläche 7, welche den Rotor 3 nur teilweise in Umfangsrichtung umschließt, dargestellt. Dabei folgt die Sta tor-Radial-Lagerfläche 7 gemäß einem definierten Profil der Umfangsrichtung des Rotors 3 in gekrümmter Form, sodass sich ein Luftspalt 17 zwischen der Stator-Radial-Lagerfläche 7 und der Rotor-Radial-Lagerfläche 6 ausbilden kann. Im Betrieb wird dann der Rotor 3 durch einen in dem Luftspalt herrschenden Luftstrom bzw. Luftfilm getragen. Idealerweise weist der Luftspalt 17 über die gesamte Umfangserstreckung der Stator-Radial-Lagerfläche 7 eine konstante Dicke DL auf, so wie dies in der 7a dargestellt ist. Ein Rotorradius RROT(T1) des Rotors 3 ist in der 7a bei der Ausgangstemperatur T1 eingezeichnet. Ebenso ist ein Statorradius RSTAT des Stators 2 ist in der 7a dargestellt. In der 7a ist weiters ein Zentralbereich 18 und zwei benachbarte, nämlich jeweils links und rechts von dem Zentralbereich 18 angeordnete Randbereiche 19 der Stator-Radial-Lagerfläche 7 dargestellt. Im vorliegenden Fall ist der Statorradius RSTA so gewählt, dass er sich von dem Rotorradius RROT(T1) lediglich um die nominale Dicke DL des Luftspalts 17 unterscheidet, wobei unter nominaler Dicke DL des Luftspalts 17 jene Luftspaltausdehnung in Radialrichtung 4 gemeint ist, bei der das Luftlager 1 eine nominale Traglast aufweist.
Eine derart gewählte Dimensionierung der Stator-Radial-Lagerfläche 7 des Luftlagers 1 führt jedoch bei einer Erwärmung des Rotors 3 zu einem Zusammenbruch der tragenden Wirkung des Luftlagers 1, so wie dies in der 7b veranschaulicht ist. Durch die Erwärmung des Rotors 3 auf die Betriebstemperatur T2 verändert sich der Radius des Rotors, was in der 7b durch einen Rotorradius RROT(T2) bei Betriebstemperatur T2 symbolisiert ist. Die Ausdehnung des Rotors 3 führt dazu, dass ausgehend von dem Zentralbereich 18 der Luftspalt in den Randbereichen 19 kontinuierlich seine Luftspaltdicke verringert, bis der Rotor 3 letztendlich an den Rändern der Stator-Radial-Lagerfläche 7 aufsetzt. Gleichzeitig ist mit einem Ansteigen der Luftspaltdicke im Zentralbereich 18 zu rechnen, sodass die tragende Wirkung des Luftspalts in diesem Zentralbereich 18 abnimmt, und somit das Aufsetzen an den Rändern der Stator-Radial-Lagerfläche 7 begünstigt bzw. be schleunigt wird. Diese unvorteilhafte Ausbildung des Luftlagers 1 wird also den Anforderungen, die mit Temperaturschwankungen einhergehen, nicht gerecht.
Dagegen ist bei einer Stator-Radial-Lagerfläche 7, die in Umfangsrichtung – so wie dies in der 8a dargestellt ist – symmetrisch gestaltet ist, nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich entlang der Umfangsrichtung des Rotors 3 das Profil der Stator-Radial-Lagerfläche 7 derart verändert, dass im Betrieb des Luftlagers 1 bei einer Ausgangstemperatur T1 die von der Betriebstemperatur T2 abweicht, im Vergleich zu dem korrespondierend zu der Umfangsrichtung verlaufenden Randbereich 19 der Stator-Radial-Lagerfläche 7 in dem Zentralbereich 18 der Stator-Radial-Lagerfläche 7 ein Luftspalt geringerer Dicke gemessen in Radialrichtung 4 zwischen der Stator-Radial-Lagerfläche 7 und der Rotor-Radial-Lagerfläche 6 vorliegt. Die Form dieses entlang der Umfangsrichtung verlaufenden Profils lässt sich auf vorteilhafte Weise durch die folgende Funktion (Gleichung 1) beschreiben, welche im Wesentlichen ein Segment einer Spirale beschreibt, welche ihren Radius ausgehend von dem Zentralbereich 18, oder noch präziser von einer Zentrallinie 20 hin zu den Rändern der Stator-Radial-Lagerfläche 7 kontinuierlich vergrößert:
Dabei ist der Parameter R_T1 der Radius RROT(T1) des Rotors 3 plus eine nominale Dicke DL des Luftspalts 17 bei der Ausgangstemperatur (T1). Der Parameter R_T1 beschreibt somit die Dicke des Luftspaltes 17, die zwischen der Rotor-Radial-Lagerfläche 6 und dem Zentralbereich 18 der Stator-Radial-Lagerfläche 7 bei der Ausgangstemperatur T1 vorliegt, sobald das Luftlager gestartet ist und sich der tragende Liftfilm entwickelt hat. Der Parameter φ ^ ist ein Winkelsegment, das die halbe Stator-Radial-Lagerfläche 17 gemessen vom ihrer Zentrallinie 20 bis hin zu ihrer Kante folgend der Umfangsrichtung des Rotors 3 aufspannt. Der Parameter Δr beschreibt den ausdehnungsbedingten Radiusunterschied des Rotors 3 bei einer Erhöhung der Temperatur des Rotors 3 von der Ausgangstemperatur T1 hin zu der Betriebstemperatur T2. Der Parameter φ ist ein im Bereich zwischen 0° ≤ φ ≤ φ ^ veränderbarer Winkelparameter, der den Radiusunterschied Δr bzw. den Radiuszuwachs entlang des Winkelsegments φ parametrisiert. Der Wert des Radiusunterschiedes Δr ist durch die Differenz zwischen dem Radius des „warmen” Rotors 3, also des Rotorradius RROT(T2), und dem Radius des „kalten” Rotors 3, also des Rotorradius RROT(T2), gegeben. Die im Zusammenhang mit der das Profil beschreibenden Funktion verwendeten Parameter sind in der 9 visualisiert.
Mit Hilfe einer solchen Ausgestaltung des Profils ist erreicht, dass die Luftspaltdicke des Luftspalts 17 bei der Ausgangstemperatur T1 ausgehend von der Zentrallinie 20 hin zu den Rändern der Stator-Radial-Lagerfläche 7 kontinuierlich zunimmt. Dabei ist die Zunahme der Luftspaltdicke derart bemessen, dass es dem Rotor 3 erlaubt ist, bei steigender Temperatur seinen bei der Ausgangstemperatur T1 vorligenden „kalten” Rotorradius RROT(T1) bis hin seinem bei der Betriebstemperatur T2 vorliegenden „warmen” Rotorradius RROT(T2) zu vergrößern, ohne dass die Rotor-Radial-Lagerfläche 6 mit der Stator-Radial-Lagerfläche 7 in Berührung kommt. Das Profil ist weiters derart beschaffen, dass bei der Betriebstemperatur T2 der zwischen der Stator-Radial-Lagerfläche 7 und der Rotor-Radial-Lagerfläche 6 gebildete Luftspalt 17 eine im Wesentlichen homogene Dicke entlang der Umfangsrichtung des Rotors 3 aufweist. Die Situation bei Erreichen der Betriebstemperatur T2 ist hinsichtlich ihrer geometrischen Verhältnisse auf schematische Weise in wesentlichen Zügen in der 8b dargestellt.
Durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist folglich der Vorteil erhalten, dass ein platzsparendes formschlüssiges Luftlager 1 genützt werden kann und gleichzeitig eine temperaturunempfindliche Lösung bei optimaler Luftspaltdicke erhalten ist. Dies wiederum erweitert den Einsatzbe reich des formschlüssigen Luftlagers 1 erheblich, weil üblicherweise bei Computer-Tomographie-Systemen eine signifikante Wärmequelle mit dem Rotor 3 des Luftlagers 1 gekoppelt ist. Bei einem solchen CT-System sind nämlich die Röntgenröhre und der Detektor an einer sogenannten Drum befestigt, wobei die Drum durch den Rotor 3 gelagert wird. Die Röntgenröhre und ihre Spannungsversorgung bilden die wesentliche Ursache für die signifikanten Temperaturunterschiede zwischen der Ausgangstemperatur T1 und der Betriebstemperatur T2, denen der Rotor 3 des Luftlagers 1 ausgesetzt ist.
In 10a ist in einer ersten Perspektive der Stator 2 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welcher der Stator 2 ein ringförmiges Gehäuse realisiert. Das Gehäuse weist eine hintere Gehäusehälfte 21 und eine vordere Gehäusehälfte 22 auf. An der Innenseite des Gehäuses ist auch die Nut zu sehen, in welcher die Rotor-Radial-Lagerflächen 6 bzw. Rotor-Axial-Lagerflächen 8 des Rotors 3 aufgenommen werden können, wenn der Rotor 3 in die beiden Gehäusehälften 21 und 22 eingesetzt ist, sowie dies in der 11a dargestellt ist. Der in der 10a dargestellte Stator 3 weist an seiner Innenseite eine axial verlaufende Stator-Innenringwand 23 auf, die den Rotor 3 umfangsseitig umschließt. In der 10b ist die Stator-Radial-Lagerfläche 7 losgelöst von dem Gehäuse dargestellt, wobei im vorliegenden Fall eine zentral gelegene Stator-Radial-Lagerfläche 7 dargestellt ist, die an der Unterseite der Stator-Innenringwand 23 befestigt ist. Die Stator-Radial-Lagerfläche 7 weist das Profil gemäß 8a auf. Die Stator-Radial-Lagerfläche 7 wirkt im Betrieb tragend auf den Rotor 3. Wenn das Luftlager 1 abgeschaltet ist, liegt der Rotor 3 auf der Stator-Radial-Lagerfläche 7 bzw. in deren Zentralbereich 18 auf. Der in der 10a dargestellte Stator 2 weist weiters Stator-Innenseitenwände 24 auf, welche den Rotor 3 an zwei unterschiedlichen Axialpositionen des Rotors 3 zumindest teilweise in seiner Radialrichtung 4 umschließen. Jede dieser Stator-Innenseitenwände 24, welche einander gegenüberliegen, trägt zumindest eine Stator-Axial-Lagerfläche 9, wobei jeweils ein Paar bildende Stator-Axial-Lagerflächen 9 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dies ist losgelöst von dem Gehäuse in 10b dargestellt, wobei insbesondere im oberen Bereich des Gehäuses gelagerte oder befestigte Stator-Axial-Lagerflächen 9 deutlich sichtbar sind. Von den einander gegenüberliegenden Stator-Axial-Lagerflächen 9, die korrespondierend zu der Position der Stator-Radial-Lagerfläche 7 ausgebildet bzw. positioniert sind, ist im unteren Bereich des Stators 2 nur die in Betrachtungsrichtung oben liegenden Stator-Axial-Lagerfläche 9 zu sehen.
In der 11a ist das zusammengebaute Luftlager 1 in einer zweiten Perspektive dargestellt, wobei der Rotor 3 in das den Stator 2 realisierende Gehäuse eingebaut dargestellt ist. In Analogie zu der 10b ist in der 11b die radiale Lagerfläche 7 bzw. axialen die Lagerflächen 9 des Stators 2 losgelöst von dem zusammengebauten Luftlager 1 dargestellt.
In der 12a ist schließlich das den Stator 2 realisierende Gehäuse des Luftlagers 1 in einer dritten Perspektive dargestellt, so dass die unten liegende Stator-Radial-Lagerfläche 7 in dem Gehäuse deutlich zu sehen sind. Gemäß dieser perspektivischen Darstellung sind letztendlich auch in der 12b die im unteren Bereich zueinander parallel an der Unterseite des Luftlagers 1 angeordneten Stator-Axial-Lagerflächen 9 sichtbar.
In den 13a, 13b und 13c ist der Rotor 3 und das Zusammenspiel der Stator-Radial-Lagerfläche 7 sowie der Stator-Axial-Lagerflächen 9 mit dem Rotor 3 dargestellt. Das Zusammenspiel ist in drei verschiedenen Perspektiven dargestellt, um die Position der Lagerfläche 7 und 9 des Stators 2 in Bezug auf den Rotor 3 zu visualisieren.
Im Unterschied zu dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bzw. der Weiterentwicklung gemäß der 3 besteht bei dem in den 10a bis 13c visualisierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Vorteil, dass nicht separate Stator-Lagerelemente vorgesehen sind, sondern nur die Stator-Radial-Lagerfläche 7 ein Segment bildet. Dadurch ist sichergestellt, dass das gesamte Luftlager 1 so steif wie möglich ausgeführt werden kann, wodurch eine Verformung des Gehäuses so gering wie möglich gehalten werden kann und daher zuverlässig vermieden ist, dass bedingt durch auf den Rotor 3 wirkende Kräfte die verschiedenen an dem Gehäuse angebrachten Lagerflächen 7 und 9 mit dem Rotor 3 in Berührung kommen. Die Tatsache, dass nun ein den Rotor 3 voll umschließendes formschlüssiges Gehäuse zum Einsatz kommt, spielt hinsichtlich der Differenz zwischen der Ausgangstemperatur T1 und der Betriebstemperatur T2 keine Rolle mehr, da der Innendurchmesser des Gehäuses losgelöst von dem speziellen Design bzw. Profil der Stator-Radial-Lagerfläche 7 entsprechend groß gewählt werden kann. Die thermische Unempfindlichkeit und die ausreichende Tragkraft des Luftlagers 1 ist insbesondere durch die gezielte Segmentierung bzw. Positionierung der einzigen Stator-Radial-Lagerfläche 7 oder einer Mehrzahl solcher Stator-Radial-Lagerflächen 7 begünstigt. So kann beispielsweise wie vorsehend erörtert eine einzige Stator-Radial-Lagerfläche 7 im unteren Bereich des Gehäuses vorgesehen sein. Weiters können mehrere solcher Stator-Radial-Lagerflächen 7 im Abstand zueinander oder ohne Abstand zueinander im unteren Bereich oder entlang der gesamten unteren Hälfte des ringförmigen Gehäuses vorgesehen sein. Bedingt durch das spezielle Profil jeder dieser Stator-Radial-Lagerflächen 7 und durch die Möglichkeit des nach oben hin Ausweichens des thermisch bedingt expandierenden Rotors 3 kann der Rotor 3 nicht mit dem Stator 2 bzw. der einzigen Stator-Radial-Lagerfläche 7 oder den Stator-Radial-Lagerflächen 7 in Berührung kommen oder verklemmen. Hinsichtlich der maximalen Traglast des Luftlagers 1 hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn mehrere, beispielsweise zwei oder mehr solcher besonders geformter Stator-Radial-Lagerflächen 7 direkt aneinander anschließend oder nur durch einen relativ kleinen Abstand getrennt voneinander, nebeneinander im unteren Bereich des ringförmigen Gehäuses angeordnet sind, weil somit die effektive Fläche des Luftlagers 1 möglichst hoch gehalten werden kann und somit die geforderte Tragkraft des Luftlagers 1 relativ leicht zu erreichen ist. In einer besonderen Ausbildungsform kann vorgesehen sein, dass eine relativ hohe Zahl beispielsweise 10, 20 oder sogar mehr solcher segmentierter Stator-Radial-Lagerflächen 7 nebeneinander angeordnet sind. In jedem Fall ist durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleistet, dass bei der zu erwartenden Temperaturdifferenz zwischen der Ausgangstemperatur T1 und der Betriebstemperatur T2 und der damit einhergehenden Ausdehnung des Rotors 3 eine Berührung zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 im Betrieb zuverlässig vermieden ist.
Eine von vielen möglichen bestimmungsgemäßen Anwendungen des erfindungsgemäßen Luftlagers 1 ist bei CT-Systemen gegeben. Beim Einsatz in einem solchen CT-System wird das Luftlager 1 zum Lagern von einer an dem Rotor 3 befestigten Drum 25 verwendet, so wie dies schematisch in 14 dargestellt ist. Das Gegenstück zum Rotor 3, nämlich der Stator 2, ist an einem Drum-Carrier befestigt, der aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in 14 abgebildet ist.
In der 14 sind die Kräfteverhältnisse dargestellt, welche von dem Luftlager 1 bei einer erfindungsgemäßen Verwendung verarbeitet werden müssen. Auf den Rotor 3 wirkt nun einerseits die Gewichtskraft FG. Diese Gewichtskraft FG muss durch die Stator-Radial-Lagerfläche 7 auf den Rotor 3 übertragen werden. Da die Gewichtskraft FG im Schwerpunkt der Drum 25 angreift, wirkt auch ein Moment auf das Luftlager 1. Daher müssen die Stator-Axial-Lagerflächen 9 eine erste Kraft F_ao aufbringen, welche auf die oberen Stator-Axial-Lagerflächen 9 wirkt, und die unteren Stator-Axial-Lagerflächen 9 eine zweiten Kraft F_au aufbringen, um ein Kippen der Drum 25 zu verhindern. Um das Absinken des Rotors 3 zu verhindern müssen die Stator-Radial-Lagerfläche 7 eine dritte Kraft Fr aufbringen, die der Gewichtskraft FG entgegen wirkt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Stator 2 innerhalb des außen um ihn herum drehbar gelagerten Rotors 3 angeordnet ist. Das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels ist schematisch in 17 dargestellt. Auch in diesem Fall kommen die erfindungsgemäßen Maßnahmen zum Einsatz und erzielen die im Zusammenhang mit den bereits erörterten Ausführungsbeispielen erzielten Vorteile und Effekte, wobei im vorliegenden Fall die erfindungsgemäße Ausbildung des Profils der Stator-Radial-Lagerfläche 7 einer Abkühlung des Rotors 3 von einer Ausgangstemperatur T1 hin zu einer Betriebstemperatur T2 ausreichend Raum zum Schrumpfen des Rotors 3 bietet. Der Stator 2 kann in so einem Fall beispielsweise als ein nach außen hin offenes innen liegendes Gehäuse für den Rotor 3 ausgebildet sein. Ebenso sind auch isolierte Lagerelemente möglich, so wie dies im Zusammenhang mit den vorangehenden Ausbildungsformen erörterter wurde. Auch bei dieser Ausbildungsform sind die vorangehend erörterten Designdetails mit den entsprechenden die veränderte Geometrie berücksichtigenden Anpassungen anwendbar.
Zusammenfassend sei an dieser Stelle erwähnt, dass das Vorsehen der Maßnahmen der Erfindung eine Reihe von Vorteilen mit sich bringt. So ist durch den sichergestellten berührungslosen Lauf des Luftlagers 1 ein tatsächlich wartungsfreies Luftlager 1 erhalten. Weiters wird eine im Wesentlichen drehzahlunabhängige Geräuschminderung erreicht. Durch die Reibungsfreiheit bzw. relative Reibungsarmut des Luftlagers 1 ergibt sich ein Einsparungspotential im Bereich des Motors, weil schlicht weg ein niedrigeres Motordrehmoment benötigt wird. Es ist ein stabilerer linearer Frequenzgang der Dämpfungseigenschaften des Luftpolsters erhalten. Der Gesamtaufbau und Betrieb des Luftlagers 1 kann kostengünstiger realisiert werden, wobei sich ein Einsparungspotential im Bereich der Struktur sowie im Bereich des Energiebedarfs ergeben. Durch die formschlüssige Struktur des Luftlagers ist die geforderte Stabilität wie auch ein platzsparendes Design erhalten. Letztendlich ist sichergestellt, dass die Temperaturbedingte Ausdehnung des Rotors 3 zuverlässig kompensiert wird und daher keinen negativen Einfluss auf die Performance des Luftlagers 1 hat.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Luftlager lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Luftlager (1) zum Lagern eines Körpers, wobei das Luftlager (1) einen Rotor (3) aufweist, welcher Rotor (3) entlang seiner Umfangsrichtung eine kreisförmig gekrümmte Rotor-Radial-Lagerfläche (6) aufweist, und einen Stator (2) aufweist, welcher Stator (2) zumindest eine zu dem Rotor (3) teilweise in Umfangsrichtung benachbart verlaufende Stator-Radial-Lagerfläche (7) aufweist, die gemäß einem Profil folgend der Umfangsrichtung des Rotors (3) gekrümmt ist und zum Erzeugen eines Luftspalts (17) zwischen ihr und der Rotor-Radial-Lagerfläche (6) ausgebildet ist, sodass im Betrieb der Rotor (3) getragen durch einen in dem Luftspalt (17) herrschenden Luftstrom gelagert ist, und dass das Profil derart beschaffen ist, dass bei einer Ausgangtemperatur (T1), die von einer Betriebstemperatur (T2) abweicht, im Vergleich zu einem korrespondierend zu der Umfangsrichtung verlaufenden ersten Bereich (19) der Stator-Radial-Lagerfläche (7) in einem zweiten Bereich (18) der Stator-Radial-Lagerfläche (7) ein Luftspalt (17) geringerer Dicke gemessen in Radialrichtung (4) zwischen der Stator-Radial-Lagerfläche (7) und der Rotor-Radial-Lagerfläche (6) vorliegt.
Ein Luftlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil derart beschaffen ist, dass bei der Betriebstemperatur (T2) der zwischen der Stator-Radial-Lagerfläche (7) und der Rotor-Radial-Lagerfläche (6) gebildete Luftspalt 17 eine im Wesentlichen homogene Dicke entlang der Umfangsrichtung des Rotors (3) aufweist.
Ein Luftlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stator-Radial-Lagerfläche (7) derart beschaffen ist, dass der erste Bereich ein Randbereich (19) und der zweite Bereich ein Zentralbereich (18) der Stator-Radial-Lagerfläche (7) bildet, und wobei das Profil symmetrisch zu einer Zentrallinie (20) des Zentralbereichs (18) ausgebildet ist.
Ein Luftlager (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil gemäß der Funktion
beschaffen ist, wobei R_T1 der Radius (RROT(T1)) des Rotors (3) plus eine nominale Dicke des Luftspalts (17) bei der Ausgangstemperatur (T1) ist, φ ^ ein Winkelsegment ist, das die halbe Stator-Radial-Lagerfläche (7) gemessen vom ihrer Zentrallinie (20) bis hin zu ihrer Kante folgend der Umfangsrichtung des Rotors (3) aufspannt, Δr ein Radiusunterschied des Rotors (3) zwischen der Ausgangstemperatur (T1) und der Betriebstemperatur (T2) ist, und φ ein im Bereich zwischen 0° ≤ φ ≤ φ ^ veränderbarer Winkelparameter ist, der den Radiusunterschied Δr entlang des Winkelsegments φ ^ parametrisiert.
Ein Luftlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stator-Radial-Lagerfläche (7) in Umfangsrichtung derart positioniert ist, dass ihr zweiter Bereich (18) mit der Projektion des Schwerpunkts des Rotors (3) auf diesen zweiten Bereich (18) zusammenfällt.
Ein Luftlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) entlang der Umfangsrichtung an seiner dem Rotor (3) zugewandten Seite an Stellen, die frei von der zumindest einen Stator-Radial-Lagerfläche (7) sind, eine Radialausdehnung aufweist, die größer ist als jene Radialausdehnung, die im Betrieb durch den luftgelagerten Rotor (3) bei der Betriebstemperatur (T2) beansprucht wird.
Ein Luftlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) zumindest zwei Stator-Axial-Lagerflächen (9) aufweist, die zum stützenden Lagern des Rotors (3) in Axialrichtung (5) des Rotors (3) ausgebildet sind.
Ein Luftlager (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Stator-Axial-Lagerflächen (9) korrespondierend zu der Position der zumindest einen Stator-Radial-Lagerfläche (7) an dem Stator (2) ausgebildet bzw. positioniert sind.
Ein Luftlager (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei weitere Stator-Axial-Lagerflächen (9) im Wesentlichen axial gegenüberliegend zu der Position der zumindest einen Stator-Radial-Lagerfläche (7) an dem Stator (2) ausgebildet bzw. positioniert sind.
Ein Luftlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) ein Gehäuse aufweist, das den Rotor (2) umfangsseitig mit einer Stator-Innenringwand (23) umschließt, und dass die zumindest eine Stator-Radial-Lagerfläche (7) an der Stator-Innenringwand (23) befestigt ist.
Ein Luftlager (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse den Rotor (3) an zwei unterschiedlichen Axialpositionen des Rotors (3) zumindest teilweise in seiner Radialrichtung (4) mit je einer Stator-Innenseitenwand (24) umschließt und dass von den zumindest zwei Stator-Axial-Lagerflächen (9) jeweils die eine Stator-Axial-Lagerfläche (9) axial gegenüber der anderen Stator-Axial-Lagerfläche (9) an der jeweiligen Stator-Innenseitenwand (24) befestigt ist.
Ein Luftlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) durch eine Anzahl von Segmenten realisiert ist, an denen die zumindest eine Stator-Radial-Lagerfläche (7) und/oder die Stator-Axial-Lagerflächen (9) befestigt sind.
Ein Luftlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) einen Flansch aufweist, der zum Befestigen einer Drum (25) eines Computer-Tomographie-Systems ausgebildet ist.
Ein Luftlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerflächen (7, 9) des Stators (2) aus porösem Graphit hergestellt sind.
Verwendung eines Luftlagers (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Computer-Tomographie-System, wobei mit Hilfe des Luftlagers (1) eine Drum (25) in einem Drum-Carrier gelagert ist.
Computer-Tomographie-System mit einem Luftlager nach einem der Ansprüche 1 bis 14.