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Die
Erfindung betrifft ein Fanglager für Synchron- und/oder Asynchronmaschinen
großer
Leistung, insbesondere im Megawattbereich, deren Rotoren eine Welle
aufweisen, die durch aktive Magnetlager oder Luftlager gelagert
sind.
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Rotoren
dynamoelektrischer Maschinen werden normalerweise durch Wälz- oder
Gleitlager gehalten und gelagert. Bei einigen schweren und/oder sehr
schnelllaufenden Antrieben, insbesondere im Megawattbereich, beispielsweise
Kompressorantriebe bei Gasverdichterstationen, werden aktive Magnetlager,
mit einem Magnetlagerrotor, als axialer Abschnitt der Welle und
einem diesen Abschnitt umfassenden Magnetlagerstator eingesetzt.
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Um
bei Ausfall dieser aktiven Magnetlager einen Kontakt des sich drehenden
Magnetlagerrotors mit dem Magentlagerstator zu verhindern, fällt der Rotor
mit seiner Welle in ein Fanglager. Dieses Fanglager nimmt zum Einen
den Stoß beim
Absturz der rotierenden Welle in das Fanglager auf und zum Anderen
soll damit ein sicheres Austrudeln der Welle in dem Fanglager gewährleistet
werden.
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Im
Gegensatz zu Gleit- oder Wälzlagern
stützen
Magnetlager die Welle des Rotors nicht durch direkten mechanischen
Kontakt oder durch ein Fluid, wie z. B. bei einer Luftlagerung sondern
halten die Welle durch aktiv geregelte Magnetkräfte in der Schwebe. Sie bieten
gegenüber
traditionellen Lagerungen die Vorteile, dass Lagersteifigkeit und
Lagerdämpfung über die
Regelung einstellbar sind. Die Verluste z. B. durch Reibung sind
dabei meist vernachlässigbar
und eine Schmierung mit einer dadurch verbundenen Wartung ist nicht
erforderlich.
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Die
Aufgabe der Fanglager ist ebenso die Welle des Rotors bei Stillstand
der Maschine zu tragen. Des Weiteren müssen die Fanglager, wie oben erwähnt, beim
Ausfall der Magnetlager, also dem Wegfall der magnetischen Kräfte den
Kontakt zwischen Magnetlagerrotor und Magnetlagerstator vermeiden
und die dabei auftretenden hohen Kräfte aufnehmen. Diese hohen
Kräfte
können
zur Zerstörung der
gesamten dynamoelektrischen Maschine führen.
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Ein
besonderer Effekt, der sich bei Ausfall eines aktiven Magnetlagers
im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine einstellen kann, ist
der Backward-Whirl-Effekt, der eine Rückwärtswirbelbewegung im Fanglager
ausbildet. Bei dieser Bewegungsform bewegt sich der Rotor, wie in 1 prinzipiell dargestellt
entgegen seiner Drehrichtung. Diese Bewegung wird durch eine Reibkraft
hervorgerufen, die an der Kontaktfläche zwischen Rotor und Fanglager entlang
der Fanglagerinnenfläche
wirkt. Diese Bewegung verursacht sehr hohe Lagerlasten, führt zu Rotorverformungen
und stellt damit einen äußerst kritischen
und demnach zu vermeidenden Maschinenzustand dar.
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Aus
der
JP 2006-105
346 A , die als nächstliegender
Stand der Technik angesehen wird, ist ein Fanglager bekannt, bei
dem im Falle eines Ausfalls eines Magnetlagers in einem Lagerring
des Magnetlagers ausfahrbare Bremsteile zum Abbremsen der Welle
in Richtung der Welle ausgefahren werden und solchermaßen ein
Abbremsen der Welle bewirken.
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Aus
der Entgegenhaltung
DE
10 2006 017 933 B4 ist eine elektrische Maschine mit einem
Magnetlager und einem Fanglager bekannt, wobei das Fanglager einen
an einem Stator der Maschine montierten Außenring aufweist, in dem ein
drehbarer Ring gleitend geführt
ist.
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Aus
der
FR 2 614 375 A1 ist
ein Hilfslager für eine
magnetische Anordnung bekannt.
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Aus
der Veröffentlichung
Mohawk Innovative Technology, Inc.: ”100 mm Diameter Self-Contained Solid/Powder
Lubricated Auxiliary Bearing operated at 30,000 rpm”; In: MiTi
Developments, Vol. 9, April 2000, ist ein Hilfslager für eine sich
schnell drehende Welle bekannt.
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Ausgehend
davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes
Fanglager zu schaffen, bei dem das Eintreten des Backward-Whirl-Effekts
minimiert wird und außerdem
die mechanischen Belastungen auf das Fanglager vergleichsweise gering
sind, so dass das Fanglager auch mehrere Rotorstürze ohne größere Schäden übersteht.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Fanglager gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung und/oder
Anordnung der Reibelemente am Tragring, wird ein definiertes und
damit kalkulierbares Auslaufen der Welle mit ihrem Rotor im Fangla ger
durch eine Mischung einer springenden und einer pendelnden Bewegung
erreicht. Dabei wird nunmehr das sogenannte ”Aufklettern” bzw. Umlaufen
der Welle im Fanglager vermieden, da es erfindungsgemäß keine ringförmige Wand
des Fanglagers mehr gibt.
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Vorteilhafterweise
ist ein Tragring, der die Reibelemente aufweist, durch eine vorgebbare
Einfederungseinrichtung entsprechend ihres Anstellwinkels und/oder
zusätzlichen
Drehfreiheitsrad in einem Außenring
positioniert. Deshalb verteilen sich in einem Störfall die hohen Stoßkräfte nicht
allein auf einen Punkt der Innenseite des Tragrings, sondern werden
zumindest zum Teil auch von der Einfederungseinrichtung des Tragrings
in den Außenring
geleitet.
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Die
Einfederungseinrichtung ist vorteilhafterweise als eine gallertartige
Masse oder durch mechanische Dämpfungselemente
zwischen Tragring und Außenring
ausgebildet.
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Um
nach einigen Ausfällen
der Magnetlager nicht das gesamte Fanglager auswechseln zu müssen, und/oder
die Parameter der Reibung innerhalb des Tragrings zu beeinflussen,
sind die Reibelemente im Tragring austauschbar angeordnet. Vorteilhafterweise
können
dabei die Reibelemente axial beispielsweise über Schwalbenschwanzverbindungen formschlüssig in
den Tragring eingesetzt werden.
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Die
Reibelemente sind aus diesem Grund entweder aus dem gleichen Werkstoff
wie der Tragring oder aber auch aus härterem oder weicherem Werkstoff
ausgeführt.
Des Weiteren können
auch Beschichtungen der Reibelemente beispielsweise aus Bronze die
Reibkoeffizienten dieser Reibelemente zusätzlich beeinflussen.
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Die
axiale Ausdehnung der Reibelemente innerhalb ihres Tragrings entspricht
zumindest 50% der Ausdehnung des Tragrings. Damit werden zumindest
die erforderlichen Kräfte
und Reibkoeffizienten bereit gestellt, so dass auch bei härteren Reib elementen
eine geringere axiale Ausdehnung als die 50% eingestellt werden
kann.
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Vorteilhafterweise
sind dabei in Umfangsrichtung betrachtet, zumindest zwei Reibelemente
in äquidistanten
Abständen
im Fanglager angeordnet. Bei zwei Reibelementen sind diese insbesondere
auf gleicher Höhe
angeordnet. Die Anzahl der Reibelemente ist jedoch ebenso mit drei,
vier, fünf
oder sechs Reibelementen vorstellbar, je nachdem wie z. B. der Durchmesser
der Welle oder die Drehzahl ist.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe gelingt auch durch eine Magnetlagervorrichtung
einer dynamoelektrischen Maschine mit zumindest zwei Fanglagern,
wobei diese Fanglager in unmittelbarer Nähe der Magnetlager angeordnet
sind.
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Eine
Magnetlagervorrichtung einer dynamoelektrischen Maschine weist zumindest
zwei Fanglager auf, wobei vorteilhafterweise die Fanglager in unmittelbarer
Nähe, also
lediglich im Abstand von einigen Zentimetern von ihren Magnetlagern
angeordnet sind.
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Durch
Anordnung der Reibelemente der beiden Fanglager beispielsweise an
den gleichen Positionen im Fanglager, in Umfangsrichtung betrachtet, kann
im Störfall über die
Vermeidung bzw. Reduzierung des Backward-Whirl-Effekts die Rotoreigenfrequenz
positiv beeinflusst werden. D. h. die Amplituden werden gedämpft, so
dass in erster Linie die Gefahr der Berührung von Magnetlagerrotor
und Magnetlagerstator gebannt ist. Bei vergleichsweise großen Amplituden
ist auch die potentielle Gefahr vorhanden, dass sich Rotor und Stator
der dynamoelektrischen Maschine berühren. Dieser Fall würde eine komplette
Zerstörung
des gesamten Antriebssystems verursachen.
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Grundsätzlich ist
der Luftspalt des Magnetlagers wesentlich kleiner als der Luftspalt
der dynamoelektrischen Maschine.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmalen
der Unteransprüche
sind in prinzipiellen Darstellungen den Zeichnungen zu entnehmen.
Darin zeigen:
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1 Stand
der Technik,
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2 Fanglager,
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3 Fanglager
mit Außenring,
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4, 5 Ausgestaltung
von Reibelementen,
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6 bis 8 Ausgestaltungen
der zum Rotor gewandten Reibelemente,
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9 prinzipielle
Darstellung einer dynamoelektrischen Maschine,
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10, 11 polygonale
Innenseite,
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12 bis 14 abgewickelte
Innenseite.
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2 zeigt
in prinzipieller Darstellung ein Fanglager 1, an dessen
Innenseite 2 drei Reibelemente 6 angeordnet sind.
Die Reibelemente 6 sind im Ausführungsbeispiel aus gleichem
Werkstoff wie ein Tragring 9. D. h. der Werkstoff des Fanglagers 1 an
seiner Innenseite 2 entspricht dem Werkstoff der Reibelemente 6.
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Erfindungsgemäß wird im
Störfall,
d. h. bei Versagen einer Luft- oder Magnetlagerung der Backward-Whirl-Effekt
verhindert oder zumindest in seinen Auswirkungen reduziert. Dies
gelingt durch eine insbesondere äquidistante
Anordnung der Reibelemente 6 auf der Innenseite 2 des
Fanglagers 1 mittels drei oder vier Reibelementen. Das
sogenannte Hochklettern des Rotors 3 bzw. seiner Welle 17 innerhalb
des Fanglagers 1 wird somit vermieden. Der Innendurchmesser
des Fanglagers 1 weist in diesem Bereich einen größeren Durchmesser
als die Welle 17 auf. Das Fanglager 1 soll durch
seine Dimensionierung auf jeden Fall vermeiden, dass im Störfall der Magnetlagerrotor
den Luftspalt zum Magnetlagerstator oder gar der Rotor 3 den
Luftspalt einer dynamoelektrischen Maschine 12 überbrückt und
somit den Stator 14 berührt
und damit beschädigt.
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Ein
Magnetlager 16 weist grundsätzlich einen Magentlagerstator
auf, der die Welle 17 umfasst. Die Welle 17, insbesondere
der dem Magnetlagerstator gegenüberliegende
axiale Abschnitt der Welle 17, bildet den Magnetlagerrotor.
Der Magnetlagerluftspalt ist dabei wesentlich geringer als der Luftspalt der
dynamoelektrischen Maschine 12.
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Die
axiale Ausdehnung, also die Breite des Fanglagers 1, entspricht
ungefähr
20% bis 50% der axialen Ausdehnung des Magnetlagers 16.
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Die
Dimensionierung einer Welle 17, d. h. im Wesentlichen der
Durchmesser, der sich u. a. in einer Lagervorrichtung befindet und
somit die Kopplung herstellt, beeinflusst selbstverständlich dann
auch die Biegeeigenfrequenzen des Systems Welle-Rotor insbesondere auch im Störfall.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das Fanglager 1 neben einem Tragring 9,
der die Reibelemente 6 aufweist, ein den Tragring 9 umgebenden Außenring 8 auf.
Der Tragring 9 ist in dem Außenring 8 über ein
elastisches Element 7 verbunden. Dieses elastische Element 7 kann
beispielsweise ein federnder Zwischenring sein, der sich zwischen
Außenring und
Tragring 9 befindet. Das elastische Element 7 soll
dabei im Wesentlichen die ersten Stöße im Störfall, d. h. das Abfallen der
Welle innerhalb der Magnetlagervorrichtung aufnehmen. Durch die
am Tragring 9 angeordneten zur Welle 17 gewandten
Reibelemente 6 wird nun anschließend der Backward-Whirl-Effekt
vermieden, da sich die Welle 17 in den Reibelementen 6 ausläuft.
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Vorteilhafterweise
ist der Tragring 9, der die Reibelemente 6 aufweist,
durch eine vorgebbare Einfederungseinrichtung entsprechend ihres
Anstellwinkels und/oder zusätzlichen
Drehfreiheitsrad in einem Außenring 8 positioniert.
Dies gelingt über
eine gallertartige Masse oder mechanische Dämpfungselemente zwischen Tragring 9 und
Außenring 8.
Im Gegensatz zu herkömmlichen
Lagern verteilen sich im Störfall
nunmehr die hohen Stoßkräfte beim
Abfallen der Welle nicht nur auf einen Punkt der Innenseite 2 des
Fanglagers 1, insbesondere eines einzelnen Reibelements 6,
sondern die Kräfte
werden zusätzlich durch
die Einfederungseinrichtung aufgenommen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wurde deshalb neben einer symmetrischen
Drei-Reibelement-Anordnung auch eine unsymmetrische Vier- oder Fünf-Reibelement-Anordnung
vorgeschlagen. Dabei ist das zusätzliche
Reibelement 6 oder die zusätzlichen Reibelemente 6 an
der unteren Seite der Innenseite 2 des Fanglagers 1 angeordnet,
um diese Stoßkräfte besser
aufnehmen und verteilen zu können.
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Um
die Anordnungen der Reibelemente 6 auf der Innenseite 2 des
Fanglagers näher
zu beschreiben, wird eine Ziffernblattdarstellung einer Uhr gewählt, wobei
in einer Seitenansicht des Fanglagers 1 ”zwölf Uhr” die obere
Position, also die dem Erdboden abgewandte Position sein soll.
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Bei
zwei Reibelemente 6 ist insbesondere eine zehn-vier oder
elf-fünf
Kombination bei Drehung 5 der Welle 17 in im Uhrzeigersinn
vorteilhaft.
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Bei
drei Reibelementen 6 ist bei gleichem Drehsinn der Welle 17 eine
fünf-sieben-elf
oder eine vier-sieben-zehn oder eine fünf-acht-elf Position vorteilhaft.
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Bei
vier Reibelementen 6 ist bei gleichem Drehsinn der Welle 17 eine
vier-sechs-acht-elf oder fünf-sechs-sieben-zehn
oder vier-fünf-sieben-zehn Position
vorteilhaft.
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Bei
fünf Reibelementen 6 ist
bei gleichem Drehsinn der Welle 17 wie oben eine vier-fünf-sechs-sieben-elf
oder vier-fünf-sechs-sieben-zehn
oder drei-fünf-sieben-neun-elf
Position vorteilhaft.
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Bei
anderem Drehsinn sind die Positionen der Reibelemente 6 dementsprechend
achsensymmetrisch bzgl. einer Achse ”zwölf-sechs Uhr” anzuordnen.
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Letztlich
wird erfindungsgemäß der Backward-Whirl-Effekt
dadurch vermindert oder verhindert, dass im Störfall die Welle 17 im
Fanglager 1 eine pendelnd springende Bewegung vollführt, so dass
die oben genannten Positionen lediglich Anhaltspunkte für eine Positionierung
bieten.
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4 zeigt
eine schwalbenschwanzähnliche Verbindung
eines Reibelements 6 in einem Tragring 9. Damit
sind die Reibelemente 6 nahezu beliebig austauschbar und
können
gegebenenfalls an die Randparameter wie Wellenlänge, Gewicht etc. angepasst
werden. Dabei können
die Reibelemente 6 den gleichen Werkstoff wie der Tragring 9 aufweisen, ebenso
können
härtere
oder weichere Werkstoffe für die
Reibelemente 6 eingesetzt werden.
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Des
Weiteren können
die Reibelemente 6 auch verschiedene Beschichtungen aufweisen,
um diesen äußeren Belastungen
im Störfall
gerecht zu werden.
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Ebenso
kann pro Fanglageranordnung auch eine Kombination einiger prinzipiell
unterschiedlicher Reibelemente 6 eingesetzt werden, wie
in 4 und 5 dargestellt.
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Eine
Fanglageranordnung kann ebenso, wie in 6 bis 8 dargestellt,
unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen der im Tragring 9 integrierten
Reibelemente 6 aufweisen.
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9 zeigt
in einer prinzipiellen Darstellung eine Antriebsanordnung, die eine
dynamoelektrische Maschine 12 aufweist, die als Synchronmaschine oder
als Asynchronmaschine ausgeführt
sein kann und die einen Kompressor einer Gasverdichterstation antreibt.
Prinzipiell dargestellt sind dabei an den Stirnseiten der dynamoelektrischen
Maschine 12 zwei Magnetlager 16 und in unmittelbarer
Nahe dieser Magnetlager 16 zwei Fanglager 1. Des
Weiteren befindet sich auf der Welle 17 eine Bremsvorrichtung 18,
die den größten Teil
der Rotationsenergie im Störfall
aufnimmt. Ohne diese Bremse 18 wäre die thermische Belastung
der Fanglager 1 zu hoch, so dass diese dann einen Absturz
des Rotors 3 mit größter Wahrscheinlichkeit
nicht unbeschadet überstehen würden.
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Bei
Ausfall zumindest eines Magnetlagers 16 fällt nunmehr
der gelagerte Abschnitt bzw. die ganze Welle 17 in die
Fanglager 1. Der normalerweise sich einstellende Backward-Whirl-Effekt,
der auf jeden Fall verhindert werden soll, wird nunmehr durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Fanglager 1 durch die Reibelemente 6 vermieden
und die Rotationsenergie wird vorteilhafterweise hauptsächlich von der äußeren Bremsvorrichtung 18 aufgenommen.
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Damit
kann eine derartige Anordnung mehrfach im Schadensfall eingesetzt
werden, ohne jeweils das komplette Fanglager 1 auszubauen.
Es müssen
lediglich gegebenenfalls einzelne Reibelemente 6 bzw. der
Tragring 9 bei integrierten also einstückig mit dem Tragring 9 verbundenen
Reibelementen 6 ausgewechselt werden.
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Die
Innenseite 2 des Fanglagers 1 ist gemäß den 2, 3 rund
ausgeführt,
bildet also eine Mantelfläche
eines Zylinders.
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Die
Erfindung umfasst in Abwandlung dieser Ausführungen auch die Anordnung
von Reibelementen 6 in polygonal ausgeführten Innenseiten 2,
wie in 10, 11 prinzipiell
dargestellt. Die Innenseiten 2 können ebenso rundlich, d. h.
beispielsweise oval ausgebildet sein und Reibelemente 6 aufweisen.
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12, 13, 14 zeigen
mehrere Möglichkeiten
des axialen Verlaufs der Reibelemente 6 über die
axiale Ausdehnung des Fanglagers 1.
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In 12 des
aufgrund der vereinfachten Darstellung aufgeschnittenen Fanglagers 1 ist
ein axial durchgehendes Reibelement 6 dargestellt. In 13 sind
einzelne Reibelemente 6 gezeigt, die nur einen vorgegebenen
axialen Abschnitt einnehmen. In 14 ist
ein Reibelement 6 gezeigt, das auf der Innenseite 2 des
Fanglagers 1 letztendlich schräg verläuft. In der weiter oben eingeführten Ziffernblattdarstellung
würde das
bedeuten, dass sich die Position eines Reibelements 6 beispielsweise über den
axialen Verlauf betrachtet kontinuierlich von der sieben Position
auf die acht Position verändert.
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Ebenso
ist denkbar, dass die Reibelemente 6 in ihrem axialen Verlauf
unterschiedliche Höhen,
also radiale Ausdehnungen in Richtung Welle 17 aufweisen,
beispielsweise wäre
dann die Höhe
der Reibelemente 6 auf der zum Magnetlager 16 gewandten
Seite größer als
die Höhe
der Reibelemente 6 an der dem Magnetlager 16 abgewandten
Seite.
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Diese
beschriebenen Ausführungsformen und
deren Kombinationen sind sowohl für einzelne Reibelemente 6 als
auch für
mit dem Tragring 9 einstückig verbundene Reibelemente 6 denkbar.