DE102016219596A1 - The magnetic bearing assembly - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Magnetlageranordnung (1) zur Lagerung eines Rotors (2) einer Rotationsmaschine, umfassend einer als elektromagnetisches Lager ausgebildetes Lager, insbesondere Radiallager (3), wobei das Llager (3) wenigstens einen Stator (4) und ein auf dem Rotor (2) drehfest aufgebrachtes, aus mehreren ringförmigen Elementen (6, 7) ausgebildetes ferromagnetisches Paket (5) umfasst. Wenigstens ein ringförmiges Element (6) ist aus einem ferromagnetischen Material mit kristalliner Struktur und wenigstens ein ringförmiges Element (7) ist aus einem ferromagnetischen Material mit amorpher Struktur ausgebildet. Durch die Verwendung von ferromagnetischem Material mit amorpher Struktur kann die Tragfähigkeit der Magnetlageranordnung deutlich gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden. The invention relates to a magnetic bearing arrangement (1) for mounting a rotor (2) of a rotary machine, comprising a bearing designed as an electromagnetic bearing, in particular radial bearing (3), wherein the bearing (3) at least one stator (4) and one on the rotor ( 2) rotatably mounted, comprising a plurality of annular elements (6, 7) formed ferromagnetic package (5). At least one annular member (6) is made of a ferromagnetic material having a crystalline structure, and at least one annular member (7) is formed of a ferromagnetic material having an amorphous structure. By using ferromagnetic material with amorphous structure, the bearing capacity of the magnetic bearing assembly can be significantly improved over the prior art.
Description
Die Erfindung betrifft eine Magnetlageranordnung zur Lagerung eines Rotors einer Rotationsmaschine, umfassend ein als elektromagnetisches Lager ausgebildetes Lager, insbesondere Radiallager, wobei das Lager wenigstens einen Stator und ein auf dem Stator drehfest aufgebrachtes, aus mehreren ringförmigen Elementen ausgebildetes ferromagnetisches Paket umfasst. The invention relates to a magnetic bearing arrangement for mounting a rotor of a rotary machine, comprising a designed as an electromagnetic bearing bearing, in particular radial bearings, wherein the bearing comprises at least one stator and a rotatably mounted on the stator, formed of a plurality of annular elements ferromagnetic package.
Rotoren von Rotationsmaschinen wie beispielsweise Gas- oder Dampfturbinen werden bislang überwiegend mittels hydrodynamischer Geitlager gelagert. Aufgrund der hydrodynamischen Lagerung des Rotors kommt es zu hohen Reibungsverlusten und damit zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der Rotationsmaschine. Aus diesem Grund werden bei kleineren Rotationsmaschinen zunehmend Magnetlagerungen eingesetzt. Bei den Magnetlagerungen handelt es sich meist um elektromagnetische Lager. Grundsätzlich bieten Magnetlager den großen Vorteil, dass sie im Wesentlichen eine reibungsfreie Lagerung des Rotors ermöglichen und damit zu einer wesentlichen Wirkungsgradsteigerung beitragen. Darüber hinaus kann auf die Ölversorgung der Lager verzichtet werden, wodurch ein hoher konstruktiver Aufwand entfällt. Die ölfreie Lagerung bietet darüber hinaus insbesondere für Anwendungsfälle wo eine Brandlast zu vermeiden ist, große Vorteile. Rotors of rotary machines such as gas or steam turbines are currently stored mainly by means of hydrodynamic Geitlager. Due to the hydrodynamic bearing of the rotor, it comes to high friction losses and thus to a reduction in the efficiency of the rotary machine. For this reason, magnetic bearings are increasingly used in smaller rotary machines. The magnetic bearings are usually electromagnetic bearings. Basically, magnetic bearings offer the great advantage that they essentially allow a frictionless mounting of the rotor and thus contribute to a significant increase in efficiency. In addition, can be dispensed with the oil supply of the bearing, which eliminates a high design effort. The oil-free storage also offers great benefits especially for applications where a fire load is to be avoided.
Einem Einsatz von Magnetlagern bei größeren Rotationsmaschinen steht allerdings die derzeit noch begrenzte Tragfähigkeit der Magnetlager entgegen. Um die Tragfähigkeit der Magnetlager zu erhöhen, ist mit den derzeit vorhandenen Werkstoffen, eine Vergrößerung der Wirkfläche, d.h. des Durchmessers und/oder der axialen Länge der Magnetlager notwendig. Eine solche Vergrößerung der Wirkfläche ist in vielen Fällen konstruktionsbedingt nicht möglich. Zudem würde eine solche Vergrößerung der Wirkfläche die Kosten für das elektromagnetische Lager deutlich erhöhen. Eine nicht vorveröffentlichte Anmeldung der Anmelderin sieht daher vor, das ferromagnetische Paket mit einem ferromagnetischen Material mit amorpher Struktur auszubilden. Diese ferromagnetischen Materialien werden auch als metallische Gläser bezeichnet. Im Gegensatz zu dem üblicherweise verwendeten Material aus einer Fe-Si-Legierung weisen metallische Gläser keine kristalline Struktur, sondern eine amorphe Struktur auf. Aufgrund ihrer amorphen Struktur besitzen metallische Gläser eine sehr hohe Permeabilität, die deutlich über denen der Fe-Si-Bleche liegt. Die Permeabilität von metallischen Gläsern liegt bei etwa μr > 10.000 bis 500.000 und damit um den Faktor 5–10 über denen der Fe-Si-Werkstoffe. Darüber hinaus ist die elektrische Leitfähigkeit der metallischen Gläser deutlich eingeschränkt gegenüber ferromagnetischen Metallen mit kristallinen Strukturen, sodass Wirbelströme zwischen den einzelnen ringförmigen Elementen (Blechen) nur bedingt fließen können. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere der geringen Duktilität und des geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten eignen sich metallische Gläser jedoch nur bedingt für den Einsatz bei elektromagnetischen Lagern. However, the use of magnetic bearings in larger rotary machines is precluded by the currently still limited carrying capacity of the magnetic bearings. To increase the carrying capacity of the magnetic bearing, with the currently existing materials, an increase in the effective area, ie the diameter and / or the axial length of the magnetic bearing necessary. Such an enlargement of the effective area is in many cases not possible by design. In addition, such an increase in the effective area would significantly increase the cost of the electromagnetic bearing. A not previously published application of the Applicant therefore provides to form the ferromagnetic package with a ferromagnetic material having an amorphous structure. These ferromagnetic materials are also referred to as metallic glasses. In contrast to the commonly used Fe-Si alloy material, metallic glasses have no crystalline structure but an amorphous structure. Due to their amorphous structure, metallic glasses have a very high permeability, which is significantly higher than that of the Fe-Si sheets. The permeability of metallic glasses is about μ r > 10,000 to 500,000 and thus by a factor of 5-10 that of the Fe-Si materials. In addition, the electrical conductivity of the metallic glasses is significantly limited compared to ferromagnetic metals with crystalline structures, so that eddy currents between the individual annular elements (sheets) can flow only conditionally. Due to their mechanical properties, in particular the low ductility and the low thermal expansion coefficient, however, metallic glasses are only of limited suitability for use in electromagnetic bearings.
Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Anwendung von ferromagnetischem Material mit amorpher Struktur für eine Magnetlageranordnung zu ermöglichen. Starting from the above-described prior art, it is an object of the present invention to overcome the disadvantages of the prior art and to enable an application of ferromagnetic material with amorphous structure for a magnetic bearing assembly.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. The object is solved by the features of independent claim 1.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche. Further embodiments of the invention, which are used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Magnetlageranordnung zur Lagerung eines Rotors einer Rotationsmaschine, umfassend ein als elektromagnetisches Lager ausgebildetes Lager, insbesondere Radiallager, wobei das Lager wenigstens einen Stator und ein auf dem Stator drehfest aufgebrachtes, aus mehreren ringförmigen Elementen ausgebildetes, ferromagnetisches Paket umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein ringförmiges Element aus einem ferromagnetischen Material mit kristalliner Struktur und wenigstens ein ringförmiges Element aus einem ferromagnetischen Material mit amorpher Struktur besteht. The magnetic bearing arrangement according to the invention for supporting a rotor of a rotary machine, comprising a bearing designed as an electromagnetic bearing, in particular radial bearings, wherein the bearing comprises at least one stator and a ferromagnetic package formed rotatably on the stator and formed of a plurality of annular elements, characterized in that at least one annular element consists of a ferromagnetic material with a crystalline structure and at least one annular element consists of a ferromagnetic material with an amorphous structure.
Durch die Verwendung von ringförmigen Elementen aus ferromagnetischen Material mit kristalliner Struktur und ringförmigen Elementen mit ferromagnetischen Material mit amorpher Struktur (metallische Gläser), können die Vorteile beider Materialien genutzt und miteinander kombiniert werden. Somit lässt sich ein aus mehreren ringförmigen Elementen ausgebildetes ferromagnetisches Paket ausbilden, welches eine hohe Permeabilität bei guten mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer hinreichenden Duktilität, aufweist. By using annular elements of ferromagnetic material with crystalline structure and annular elements with ferromagnetic material with amorphous structure (metallic glasses), the advantages of both materials can be exploited and combined. Thus, it is possible to form a ferromagnetic package formed from a plurality of annular elements, which has a high permeability with good mechanical properties, in particular a sufficient ductility.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine der auf das ferromagnetische Paket einwirkenden Beanspruchungen im Wesentlichen von den ringförmigen Elementen mit kristalliner Struktur aufgenommen werden. Unter Beanspruchungen sind hier allgemein Betriebs- und Sonderlasten zu verstehen, welche üblicherweise am elektromagnetischen Lager auftreten. Dies können beispielsweise Fliehkräfte, Magnetkräfte, Montagekräfte, Querkontraktion, thermische Dehnung und Differenzdehnungen, Schrumpfspannungen, Wirbelströme, Einwirkungen magnetischen Flusses, Erwärmungen oder nur in Sonderfällen z. B. Überdrehzahl, Anstreifen, Unwuchtkräfte, Temperaturüberschreitungen, Temperaturdifferenzen oder Anrisse sein. Beanspruchungen sind in dieser Aufstellung also Kräfte (Momente), Spannungen, Dehnungen, elektrische Effekte oder bestimmte Lastfälle. Diese Beanspruchungen, die normalerweise zu einem spröden Versagen der metallischen Gläser führen würden, und so einem Einsatz von metallischen Gläsern bei einer Magnetlageranordnung entgegenstehen würden, werden erfindungsgemäß von den ringförmigen Elementen aus dem ferromagnetischen Material mit kristalliner Struktur aufgenommen. Hierdurch wird ein sprödes Versagen wirkungsvoll verhindert und der Einsatz von ferromagnetischem Material mit amorpher Struktur bei elektromagnetischen Lagern ermöglicht. Die ringförmigen Elemente aus den unterschiedlichen ferromagnetischen Materialien sind dabei entsprechend der auftretenden Belastungen auszulegen und entsprechend bei der konstruktiven Ausgestaltung des ferromagnetischen Paketes zu berücksichtigen und konstruktiv anzuordnen. An embodiment of the invention provides that at least one of the stresses acting on the ferromagnetic packet are substantially absorbed by the annular elements having a crystalline structure. Under load here are general operating and special loads to understand, which usually occur at the electromagnetic bearing. These can include, for example, centrifugal forces, magnetic forces, assembly forces, transverse contraction, thermal expansion and differential expansion, shrinkage stresses, eddy currents, effects of magnetic flux, Warming or only in special cases z. As overspeed, rubbing, unbalance forces, temperature excesses, temperature differences or cracks. In this list, stresses are forces (moments), stresses, strains, electrical effects or certain load cases. These stresses, which would normally lead to a brittle failure of the metallic glasses, and thus would oppose the use of metallic glasses in a magnetic bearing assembly, are inventively taken up by the annular elements of the ferromagnetic material having a crystalline structure. As a result, a brittle failure is effectively prevented and allows the use of ferromagnetic material with amorphous structure in electromagnetic bearings. The annular elements of the different ferromagnetic materials are interpreted according to the loads occurring and to be considered according to the structural design of the ferromagnetic package and to arrange constructive.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mechanische Verbindung zwischen dem Rotor und dem ferromagnetischen Paket ausschließlich über die ringförmigen Elemente mit dem ferromagnetischen Material mit kristalliner Struktur hergestellt ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass es beim Aufziehen des ferromagnetischen Paketes auf den Rotor oder bei einer Wärmedehnung des Rotors im Betrieb nicht zu einem spröden Versagen der ringförmigen Elemente mit amorpher Struktur kommt. Die Wärmedehnung und die mechanischen Belastungen werden über die ringförmigen Elemente mit ferromagnetischem Material mit kristalliner Struktur aufgenommen. An embodiment of the invention provides that the mechanical connection between the rotor and the ferromagnetic package is made exclusively via the annular elements with the ferromagnetic material having a crystalline structure. This ensures that there is no brittle failure of the annular elements with amorphous structure when mounting the ferromagnetic package on the rotor or during a thermal expansion of the rotor during operation. The thermal expansion and the mechanical loads are absorbed by the annular elements with ferromagnetic material having a crystalline structure.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das ferromagnetische Paket so ausgebildet ist, dass von außen auf das ferromagnetische Paket einwirkende mechanische Kräfte von den ringförmigen Elementen mit dem ferromagnetischen Material mit kristalliner Struktur aufgenommen werden. Von außen auf das ferromagnetische Paket einwirkende mechanische Kräfte treten insbesondere bei einem Anstreifen des ferromagnetischen Paketes am Stator auf. Das Anstreifen kann zu einem Versagen des ferromagnetischen Pakets führen, welches durch die genannte Maßnahme wirkungsvoll verhindert wird. An embodiment of the invention provides that the ferromagnetic package is formed so that externally applied to the ferromagnetic package mechanical forces are absorbed by the annular elements with the ferromagnetic material having a crystalline structure. External forces acting on the ferromagnetic package mechanical forces occur in particular when a stripping of the ferromagnetic packet on the stator. The streaking can lead to a failure of the ferromagnetic package, which is effectively prevented by said measure.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verbindung zwischen den einzelnen ringförmigen Elementen stoffschlüssig, formschlüssig oder reibschlüssig erfolgt. Die stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels kleben oder durch eingießen erfolgen. Eine formschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch sickenförmige Absätze in den ringförmigen Elementen oder durch eingelassene Formelemente erfolgen. An embodiment of the invention provides that the connection between the individual annular elements takes place cohesively, positively or frictionally. The cohesive connection can be done for example by gluing or pouring. A positive connection can be made for example by bead-shaped paragraphs in the annular elements or by recessed form elements.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die einzelnen ringförmigen Elemente unmittelbar, ohne eine zusätzliche Isolierschicht, aneinander anliegen. Durch die deutlich eingeschränkte elektrische Leitfähigkeit des ferromagnetischen Materials mit amorpher Struktur, kann auf eine zusätzliche Isolierung zwischen den einzelnen ringförmigen Elementen verzichtet werden. Hierdurch reduziert sich der Fertigungsaufwand erheblich und die Kosten werden deutlich reduziert. Die Wirbelströme zwischen den einzelnen ringförmigen Elementen sind trotz der fehlender Isolierung sehr gering. An embodiment of the invention provides that the individual annular elements directly, without an additional insulating layer, abut each other. Due to the significantly limited electrical conductivity of the ferromagnetic material with amorphous structure, can be dispensed with an additional insulation between the individual annular elements. As a result, the production costs are significantly reduced and the costs are significantly reduced. The eddy currents between the individual annular elements are very small despite the lack of insulation.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt: Further advantages and embodiments of the invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. It shows:
Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind in den Figuren mit den selben Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. The same or functionally identical components are provided in the figures with the same reference numerals. The illustrations in the figures are schematic and not to scale.
Die Magnetlageranordnung
Metallische Gläser haben eine geringe Duktilität und neigen daher zum spröden Versagen. Aus diesem Grund ist neben dem ringförmigen Element
Durch die Kombination von ringförmigen Elementen
Die gezeigten Ausführungsbeispiele haben nur einige mögliche Anordnungen von ringförmigen Elementen aus ferromagnetischem Material mit kristalliner Struktur und amorpher Struktur zu einem ferromagnetischen Paket
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch eine Kombination von ringförmigen Elementen aus ferromagnetischem Material mit kristalliner Struktur und amorpher Struktur sich die Vorteile insbesondere die hohe Permeabilität von ferromagnetischem Material mit amorpher Struktur erstmals für den Einsatz bei Magnetlageranordnungen mit elektromagnetischen Lagern nutzen lässt, ohne die Gefahr eines spröden Versagens des ferromagnetischen Materials mit amorpher Struktur. Hierdurch können die elektromagnetischen Lager bei gleicher Traglast deutlich kleiner ausfallen oder es können bei gleicher Baugröße deutlich höhere Traglasten erzielt werden. Dadurch ist der Einsatz von Magnetlageranordnungen mit elektromagnetischen Lagern erstmals auch für große und schwere Rotoren wie sie beispielsweise bei Gas- und Dampfturbinen vorhanden sind, ermöglichen. In summary, the combination of annular elements made of ferromagnetic material with crystalline structure and amorphous structure, the advantages in particular the high permeability of ferromagnetic material with amorphous structure can be used for the first time for use in magnetic bearing assemblies with electromagnetic bearings, without the risk of brittle failure of the ferromagnetic material with amorphous structure. As a result, the electromagnetic bearings can be significantly smaller at the same load or it can be achieved with the same size significantly higher loads. Thus, the use of magnetic bearing assemblies with electromagnetic bearings for the first time for large and heavy rotors as they are available, for example, in gas and steam turbines, allow.
Die einwirkenden Beanspruchungen beinhalten sowohl Betriebs- als auch Sonderlasten. Betriebslasten können beispielsweise Fliehkräfte, Magnetkräfte, Montagekräfte, Querkontraktionen, thermische Dehnung und Differenzdehnungen, Stromspannungen, Wirbelströme, Einwirkungen magnetischen Flusses oder Erwärmungen im allgemeinen sein. Zu den Sonderlasten zählen beispielsweise Überdrehzahlen, Anstreifen des Rotors am Stator, Unwuchtkräfte, Temperaturüberschreitungen, Temperaturdifferenzen sowie Anrisse. Die Betriebssonderlasten sind somit Kräfte (Momente), Spannungen, elektrische Effekte oder bestimmte Lastfälle. Diese Aufstellung ist nicht abschließend zu verstehen, sondern beschreibt nur einige von möglichen auftretenden einwirkenden Beanspruchungen auf das ferromagnetische Paket
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, 80333 MUENCHEN, DE |
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R003 | Refusal decision now final |