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Die
Erfindung betrifft ein Axiallager für einen Turbolader aus einem
magnetisierbaren Material bzw. eine magnetisierbare Axiallagerscheibe.
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Allgemein
dienen Turbolader dazu den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors
zu verbessern und damit dessen Leistung zu steigern. In dem Gehäuse des
Turboladers ist hierzu eine Welle um die Längsachse mittels Radiallagern
drehbar gelagert. Dabei sind ein Turbinenrad und ein Verdichterrad
des Turboladers auf der Welle angeordnet. Das Turbinenrad wird hierbei über einen
Abgasmassenstrom angetrieben und treibt wiederum das Verdichterrad
an. Aufgrund von Fluidströmungen,
die an dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angreifen, können dabei
auch starke Axialkräfte
auftreten. Solche Axialkräfte
können
von den Radiallagern normalerweise nicht geeignet aufgenommen werden,
so dass im Allgemeinen entsprechend wenigstens ein Axiallager vorgesehen
wird.
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An
die Lagerung der Welle des Turboladers werden im Allgemeinen sehr
hohe Anforderungen gestellt. Dies rührt daher, dass die Welle eines
Turboladers sehr hohe Drehzahlen von beispielsweise größer 250.000
U/min erreichen kann. Des Weiteren ist der Turbolader hohen Temperaturen
ausgesetzt, aufgrund des heißen
Abgases, das zum Antreiben des Turbinenrads verwendet wird. Die
Lagerung der Rotorwelle eines Abgasturboladers für einen Ottomotor oder einen
Dieselmotor mit den hohen Drehzahlanforderungen, den harten Umgebungsbedingungen und
den langen Lebensdaueranforderungen stellt daher eine große technische
Herausforderung dar. Aktuelle Öllager
zum Lagern der Rotorwelle haben den Nachteil, dass sie eine hohe
Ver lustleistung im kW-Bereich aufweisen. Des Weiteren wird das Motoröl zum Schmieren
der Lager durch Abgase des Turboladers verschmutzt, was die Ölwechselintervalle
deutlich verkürzt.
Aus diesem Grund werden derzeit berührungslose Lagerungen mit Elektromagneten
entwickelt.
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Die
axiale Lagerung erfolgt daher mit einer Scheibe aus einem magnetisierbaren
Material, wobei die Scheibe auf beiden Seiten von Elektromagneten angezogen
werden kann. Auf diese Weise wird die Scheibe in ihrer axialen Position
gehalten.
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Als
problematisch gestaltet sich hierbei jedoch das große Trägheitsmoment
der Scheibe, sowie die Limitierung der maximalen Drehzahl aufgrund von
Materialbelastungen durch Fliehkräfte. Die Fliehkräfte wachsen
hierbei mit dem Quadrat des Radius der Scheibe an. Das Trägheitsmoment
der Rotorwelle des Abgasturboladers muss dabei so gering wie möglich sein,
um möglichst
schnelle Drehzahländerungen
bei Lastwechseln zu ermöglichen.
Eine gewisse Mindestdicke der Scheibe ist jedoch erforderlich, um
die magnetische Flussdichte B nicht zu hoch werden zu lassen.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte,
magnetische Axiallagerung für
einen Turbolader bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Axiallager bzw. eine Axiallagerscheibe mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß eine magnetisierbare
Axiallagerscheibe bzw. ein magnetisierbares Axiallager für einen
Turbolader bereitgestellt, wobei die Dicke des Querschnitts der
Axiallagerscheibe bzw. des Axiallagers variiert.
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Das
Axiallager des Turboladers hat den Vorteil, dass dessen Querschnittsdicke
geeignet angepasst werden kann, dadurch dass die Querschnittsdicke
nicht konstant gewählt
wird, wie dies bisher im Stand der Technik der Fall ist, sondern
geeignet variiert, um beispielsweise die an der Axiallagerscheibe angreifenden
Fliehkräfte
zu reduzieren und gleichzeitig eine ausreichende Fläche für die Magnetisierung der
Axiallagerscheibe bereitzustellen.
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Im
Stand der Technik weist die Axiallagerscheibe dagegen bisher eine
konstante Dicke auf, wobei eine Mindestdicke der Axiallagerscheibe
erforderlich ist, um die magnetische Flussdichte B nicht zu groß werden
zu lassen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist die Dicke bzw. der Verlauf der Dicke
des Querschnitts der Axiallagerscheibe derart ausgebildet, so dass
die Axiallagerscheibe eine ausreichend große magnetische Fläche und
gleichzeitig ein möglichst geringes
Trägheitsmoment
aufweist. Durch die Reduzierung des Trägheitsmoments kann eine schnelle Drehzahländerung
bei Lastwechseln deutlich verbessert werden.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
der Erfindung weisen wenigstens eine oder beide Seiten der Axiallagerscheibe
zumindest einen konischen Abschnitt auf. Alternativ können auch
eine oder beide Seiten der Axiallagerscheibe über den gesamten Durchmesser
konisch ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Axiallagerscheibe
einerseits eine ausreichende magnetische Fläche zu Verfügung stellt und ande rerseits
durch die geringere Dicke im äußeren Bereich
die Fliehkräfte reduziert
werden können.
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Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
weisen wenigstens eine oder beide Seiten der Axiallagerscheibe einen
Abschnitt mit einem Absatz auf. Der Absatz kann dabei den Bereich der
Axiallagerscheibe bilden mit der größten Dicke, wobei der Absatz
in diesem Fall z. B. möglichst
weist innen an der Axiallagerscheibe vorgesehen ist. Von dem Absatz
aus, kann die Querschnittsdicke der Axiallagerscheibe dann nach
außen
abnehmen, beispielsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich,
um die Fliehkräfte
außen
an der Axiallagerscheibe zu reduzieren.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
weisen wenigstens eine oder beide Seiten der Axiallagerscheibe zumindest
einen abgestuften Abschnitt auf. Alternativ können eine oder beide Seiten
der Axiallagerscheibe auch über
den gesamten Durchmesser gestuft ausgebildet sein, mit beispielsweise
ein, zwei oder mehr Stufen. Die Querschnittsdicke der Stufen der
jeweiligen Seite der Axiallagerscheibe nimmt dabei z. B. von innen
nach außen
kontinuierlich oder diskontinuierlich ab. Eine solche Stufenform
hat den Vorteil, dass sie leicht herzustellen ist. Die Stufenform
kann dabei eckig oder abgerundet ausgebildet sein.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
weisen wenigstens eine oder beide Seiten der Axiallagerscheibe zumindest
einen bogenförmigen
Abschnitt auf. Alternativ können
auch eine oder beide Seiten über
den gesamten Durchmesser bogenförmig
ausgebildet sein. Der bogenförmige
Abschnitt bzw. der Bogen ist dabei vorzugsweise derart gewählt, so
dass die Axiallagerscheibe innen einen größeren Durchmesser aufweist
als außen.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
nimmt die Dicke der Axiallagerscheibe von innen nach außen auf
einer oder beiden Seiten ab. Die Dicke bzw. Querschnittsdicke der
Axiallagerscheibe kann dabei z. B. kontinuierlich oder diskontinuierlich
von innen nach außen
abnehmen. Indem die Axiallagerscheibe nach außen hin dünner gestaltet wird, können die
Fliehkräfte,
die an der Axiallagerscheibe angreifen reduziert werden.
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Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
weisen wenigstens eine oder beide Seiten der Axiallagerscheibe zumindest
einen Abschnitt mit einer ebenen oder planen Fläche auf. Alternativ kann auch
eine Seite der Axiallagerscheibe über den gesamten Durchmesser
als eine ebene oder plane Fläche
ausgebildet werden. Dies hat den Vorteil, dass nur eine Seite der
Axiallagerscheibe entsprechend angepasst werden muss, um die Dicke des
Querschnitts der Axiallagerscheibe von innen nach außen geeignet
zu reduzieren.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist die Axiallagerscheibe so ausgebildet, dass wenigstens
eine Seite oder beide Seiten der Axiallagerscheibe eine Kontur aufweisen
oder zumindest einen Konturabschnitt, wobei die Kontur bzw. der
Konturabschnitt über
den Radius r einen Verlauf von 1 / r aufweisen. Dies hat den Vorteil,
dass eine Axiallagerscheibe mit einer im Wesentlichen konstante
Flussdichte erreicht werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht durch ein Axiallager gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine
Schnittansicht durch eine Axiallager mit einer Elektromagnetanordnung
gemäß einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
Schnittansicht durch ein Axiallager gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
Schnittansicht durch ein Axiallager gemäß einer dritte Ausführungsform
der Erfindung;
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5 eine
Schnittansicht durch ein Axiallager gemäß einer vierten Ausführungsform
der Erfindung; und
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6 eine
Schnittansicht durch ein Axiallager gemäß einer fünfte Ausführungsform der Erfindung.
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In
nachfolgenden Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen
Bezugszeichen versehen – sofern
nichts anderes angegeben ist. Des Weiteren ist die Anordnung des
Axiallagers bzw. der Axiallagerscheibe auf einer Rotorwelle eines
Turboladers in den nachfolgenden Figuren rein schematisch, nicht
maßstäblich und
stark vereinfacht gezeigt.
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In 1 ist
eine Schnittansicht durch ein Axiallager 10 gemäß dem Stand
der Technik gezeigt. Das Axiallager 10 ist dabei in Form
einer Scheibe ausgebildet, welche auf einer Rotorwelle 12 eines Turboladers
vorsehbar ist und über
entsprechende Magnete (nicht dargestellt) auf der Welle 12 in
axialer Richtung positionierbar ist. Die Axiallagerscheibe 10 weist
dabei eine konstante Dicke bzw. Breite b auf. Solche Anordnungen
mit einfachen Axiallagerscheiben 10 können nur versuchen, die Axiallagerscheibe 10 möglichst
klein zu halten und trotzdem eine ausreichend magnetische Fläche zur
Verfügung
zu stellen, um die notwendigen Kräfte zu erreichen.
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2 zeigt
nun eine Schnittansicht durch ein Axiallager 10 bzw. eine
Axiallagerscheibe 10 für
einen Turbolader mit einer Elektromagnetanordnung 14 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Die Darstellung in 2 ist dabei
stark vereinfacht und rein schematisch, um das erfindungsgemäße Prinzip
zu erläutern.
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In 2 ist
dabei eine Rotorwelle 12 des Turboladers dargestellt, auf
welcher eine Axiallagerscheibe 10, gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung angeordnet ist. Dabei ist auf jeder Seite des Axiallagers 10 beispielsweise
eine Elektromagneteinrichtung 16 vorgesehen, die zusammen
eine Elektromagnetanordnung 14 bilden, über welche das Axiallager 10 bzw.
die Axiallagerscheibe in einer jeweiligen vorbestimmten Position
gehalten werden kann. Solche Elektromagneteinrichtungen 16 und ihre
Anordnungen sind allgemein bekannt. Die Erfindung ist nicht auf
diese spezielle Anordnung beschränkt.
Es kann beispielsweise auch nur auf einer Seite eine Elektromagneteinrichtung 16 vorgesehen sein
oder wahlweise auf einer oder beiden Seiten des Axiallagers 10 zwei
und mehr Elektromagneteinrichtungen 16, je nach Funktion
und Einsatzzweck. Statt einer Elektromagneteinrichtung 16 oder
zusätzlich
zu dieser kann beispielsweise auch eine Permanentmagneteinrichtung
usw. vorgesehen werden. Grundsätzlich
kann gemäß der Erfindung
jede Art von Magnetlageranordnung mit einer oder mehreren Magneteinrichtungen
vorgesehen werden, wobei die Magnetlageranordnung geeignet ist,
die Axiallagerscheibe 10 in einer vorbestimmten Position
zu halten. Dies gilt für
alle Ausführungsformen
der Erfindung.
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Die
Axiallagerscheibe 10 gemäß Erfindung weist eine nach
außen
hin kontinuierlich oder diskontinuierlich kleiner werdende Stärke bzw.
Scheibendicke auf. Die Axiallagerscheibe 10 kann dabei
auf beiden Seite 18, 20 oder nur einer Seite mit
einer nach außen
hin kontinuierlich oder diskontinuierlich kleiner werdende Scheibendicke
ausgebildet sein. Die andere Seite der Axiallagerscheibe 10 kann
dagegen als ebene bzw. plane Fläche
ausgebildet sein, wie die Axiallagerscheibe in 1.
Des Weiteren können beide
Seiten 18, 20 der Axiallagerscheibe 10 dieselbe
Außenkontur
aufweisen, wie in 2 gezeigt ist, oder eine unterschiedliche
Außenkontur,
je nach Funktion und Einsatzzweck der Axiallagerscheibe. Diese Ausführungen
gelten für
alle Ausführungsformen
der Erfindung.
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In
der ersten Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in 1 gezeigt
ist, weist die Axiallagerscheibe 10 beispielsweise eine
auf beiden Seiten 18, 20 eine konische Form auf,
mit einer nach außen hin
kleiner werdenden Stärke
bzw. Scheibendicke. Die Scheibendicke bei der Ausführungsform
in 1 nimmt dabei nach außen kontinuierlich ab. Des
Weiteren ist die konische Form auf beiden Seiten 18, 20 der
Axiallagerscheibe 10 gleich, sie kann aber auch unterschiedlich
gewählt
werden, je nach Funktion und Einsatzzweck. Die konisch geformte
Axiallagerscheibe 10 mit ihrer nach außen abnehmenden Scheibendicke
hat den Vorteil, dass sie eine Bauweise ermöglicht, die bei gleicher Maximalkraft
deutlich kompakter baut und ein wesentlich geringeres Trägheitsmoment
aufweist als die Axiallagerscheibe 10 gemäß dem Stand
der Technik, wie in 1 gezeigt ist.
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Der
Flussdichteverlauf über
das magnetische Material der Axiallagerscheibe 10 wird
homogener und der Ausnutzungsgrad des magnetischen Materials steigt.
Innen steht bei der erfindungsgemäßen Axiallagerscheibe 10 dabei
mehr magnetisches Ma terial zur Verfügung, wo der Umfang kleiner
und dadurch die Flussdichte bei einer Axiallagerscheibe 10 gemäß dem Stand
der Technik ansteigen würde.
Zusätzlich
wird das Trägheitsmoment
minimiert, da die rotierende Masse weiter entfernt von der Achse,
bei gleichen magnetisch relevanten Eigenschaften, deutlich reduziert
wird. Auch die Belastung durch Fliehkräfte wird reduziert, da die
hohen Fliehkräfte
außen nun
auf deutlich weniger Masse wirken.
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In 3 ist
weiter eine Schnittansicht durch ein Axiallager bzw. eine Axiallagerscheibe 10 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Die Axiallagerscheibe 10 ist dabei
ebenfalls auf der Rotorwelle 12 eines Turboladers angeordnet.
Die Magnetlageranordnung zum Positionieren des Axiallagers 10 in
einer vorbestimmten Position wurde dabei aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Das
Axiallager bzw. die Axiallagerscheibe 10 gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung weist dabei beispielsweise auf beiden Seiten 18, 20 eine
abgestufte Außenkontur
auf, wobei die Stufen dabei in ihrer Stärke bzw. Dicke nach außen abnehmen.
Im vorliegenden Fall sind jeweils zwei Stufen auf jeder Seite 18, 20 der
Axiallagerscheibe 10 vorgesehen. Es könne aber auch mehr als zwei
Stufen auf zumindest einer oder beiden Seiten der Axiallagerscheibe 10 vorgesehen
werden. Die Stufen können
dabei eckig, wie in 3 gezeigt ist, ausgebildet sein
oder abgerundet.
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Weiter
zeigt 4 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axiallagerscheibe 10. Die
Axiallagerscheibe 10 ist dabei ebenfalls auf einer Rotorwelle 12 angeordnet,
wie in der Schnittansicht in 4 gezeigt
ist, wobei die Magnetlageranordnung nicht dargestellt ist.
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Die
Axiallagerscheibe 10 gemäß der dritten Ausführungsform
der Erfindung weist dabei auf einer Seite 20, innen einen
Absatz 22 auf. Im Anschluss an den Absatz 22 verläuft die
Axiallagerscheibe 10 auf dieser Seite 20 beispielsweise
konisch nach außen. Auf
der anderen Seite 18 weist die Axiallagerscheibe 10 ebenfalls
einen Absatz 22 auf. Die Axiallagerscheibe 10 verläuft im Anschluss
an den Absatz 22 beispielsweise senkrecht nach oben bzw.
bildet eine ebene bzw. plane Fläche.
Die Axiallagerscheibe 10 kann, wie zuvor beschrieben, auf
beiden Seiten 18, 20 die gleiche Kontur aufweisen,
wie z. B. in den 2 und 4 gezeigt
ist, oder eine unterschiedliche Kontur aufweisen, wie in 4 gezeigt
ist, je nach Funktion und Einsatzzweck.
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In 5 ist
des Weiteren eine Schnittansicht durch eine Axiallagerscheibe 10 gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Die Axiallagerscheibe 10 ist dabei
auf einer Rotorwelle 12 eines Turboladers angeordnet, wobei
auf die Darstellung der Magnetlageranordnung verzichtet wurde.
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Die
Axiallagerscheibe 12 weist dabei auf einer Seite 20 eine
bogenförmige
Kontur auf, wobei der Bogen 24 so gewölbt ist, dass die Scheibendicke
der Axiallagerscheibe 10 nach außen abnimmt bzw. kleiner wird.
Auf der anderen Seite 18 der Axiallagerscheibe 10 ist
diese als ebene bzw. plane Fläche ausgebildet.
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Weiter
ist in 6 eine fünfte
Ausführungsform
einer Axiallagerscheibe 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Die
Axiallagerscheibe 10 ist dabei auf einer Rotorwelle 12 des
Turboladers angeordnet und wird über
eine entsprechende Magnetlageranordnung (nicht dargestellt) in einer
vorbestimmten Position gehalten.
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Eine
Seite 20 der Axiallagerscheibe 10 ist dabei abgestuft
ausgebildet. Dabei weist die innen liegende Stufe 26 eine
größere Dicke
bzw. Stärke
als die äußere Stufe 28 auf.
Des Weiteren ist die andere Seite 18 der Axiallagerscheibe 10 über ihren
gesamten Durchmesser beispielsweise gewölbt ausgebildet. Die Wölbung ist
dabei konvex bzw. der Bogen 24 ist nach innen gewölbt. Dabei ändert sich
die Querschnittsdicke der Axiallagerscheibe 10 von innen nach
außen
diskontinuierlich bzw. die Querschnittsdicke nimmt von innen nach
außen
diskontinuierlich ab.
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Neben
den zuvor in den 2 bis 6 gezeigten
Beispielen für
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Axiallagerscheibe 10 ist
eine weitere Optimierung der Form des Axiallagers bzw. der Axiallagerscheibe 10 möglich. Die
Fläche,
durch die der Fluss in radialer Richtung verläuft, berechnet sich aus der
Gleichung: Aradial(r)
= 2·π·r·s(r) Gleichung (1.)
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Dabei
werden folgende Bezeichnungen verwendet:
- Aradial(r):
- Verlauf der Fläche Aradial der Axiallagerscheibe über den
Radius r
- r:
- Radius der Axiallagerscheibe
- s(r):
- Verlauf der Scheibenstärke s über den Radius
r
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Für eine idealerweise
konstante Flussdichte im Material der Axiallagerscheibe 10 wird
die Funktion s(r) so gewählt,
dass die Fläche
Aradial der Axiallagerscheibe 10 unabhängig von
dem Radius r der Axiallagerscheibe 10 wird bzw. der Querschnitt
der Axiallagerscheibe konstant ist:
Dies ergibt eine 1/r-Funktion
der Scheibenstärke.
D. h. die Axiallagerscheibe weist in radialer Richtung eine Kontur
mit der Funktion 1/r auf.
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Die
Axiallagerscheibe 10 gemäß der Erfindung, wie sie zuvor
beispielhaft anhand der 2 bis 6 beschrieben
wurde, kann des weiteren so ausgebildet sein, dass sie auf einer
oder beiden Seiten 18, 20 eine Fläche in der
Größe von Aradial(r) ≅ 2·π aufweist.
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Durch
eine Axiallagerscheibe welche außen eine kleinere Scheibendicke
aufweist als innen bzw. z. B. konisch ausgebildet ist, oder eine
Scheibendicke aufweist, die der Funktion 1/r folgt, kann die Materialausnutzung
deutlich erhöht
werden. Bei gleichen magnetischen Eigenschaften werden das Trägheitsmoment,
sowie die Fliehkraftbelastung des Axiallagerscheibenmaterials deutlich
reduziert. Ein weiterer Vorteil, ist, dass das Axiallager und die
Magnetlageranordnung kompakter gebaut werden können.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar. Die vorgenannten Ausführungsformen sind miteinander
kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmal davon. So kann die jeweilige
Seite einer Axiallagerscheibe in den Figuren mit einer anderen Seite
einer Axiallagerscheibe einer anderen Figur beispielsweise kombiniert
werden, oder beide Seiten einer Axiallagerscheibe jeweils identisch
ausgebildet werden. Die vorgenannten Ausführungsformen sind lediglich
beispielhaft und die Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
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Grundsätzlich kann
die jeweilige Seite der Axiallagerscheibe eine beliebige Kontur
aufweisen, sofern die Scheibendicke des Querschnitts der Axiallagerscheibe
außen
kleiner als die Scheibendicke innen ist. Der Querschnitt bzw. die
Scheibendicke der Axiallagerscheibe kann dabei nach außen beispielsweise
kontinuierlich oder diskontinuierlich abnehmen.
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Des
Weiteren ist die Axiallagerscheibe aus einem magnetisierbaren Material
hergestellt oder weist dieses zumindest auf. Als magnetisierbares Material
kann dabei beispielsweise ein magnetisierbares Metall bzw. eine
magnetisierbare Metalllegierung verwendet werden, um zwei Beispiele
zu nennen.