DE102021002523B4 - Device and method for winding and twisting fiber material in ring spinning or ring twisting machines - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Aufspulen und Verdrillen von Fasermaterial in Ringspinn- oder Ringzwirnmaschinen mit Statoren, die mindestens ein hochtemperatursupraleitendes Material und eine Statorkühlung aufweisen sowie mit den drehbaren Spindeln koaxial zugeordneten ringförmigen magnetfelderzeugenden Rotoren, die zusammen mit einem verbundenen Läufer zum Führen und Aufwickeln des Fadens auf der jeweiligen Spindel dienen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei hochtemperatursupraleitende Statoren (1) zusammen mit ihren thermisch verbundenen Kühleinrichtungen berührungslos und parallel zueinander entlang des Verlaufes der Spindelreihe angeordnet sind sowie im Magnetfeld des durchgängigen Zwischenraumes zwischen den jeweils benachbarten Statoren (1) die koaxial zur Spindel (3) ausgerichteten magnetfelderzeugenden Rotoren (2) magnetisch schwebend eingebracht sind.Device for winding and twisting fiber material in ring spinning or ring twisting machines with stators, which have at least one high-temperature superconducting material and a stator cooling system, as well as ring-shaped magnetic field-generating rotors coaxially associated with the rotatable spindles, which together with a connected rotor for guiding and winding the thread on the respective Serve the spindle, characterized in that at least two high-temperature superconducting stators (1) together with their thermally connected cooling devices are arranged without contact and parallel to one another along the course of the row of spindles and in the magnetic field of the continuous intermediate space between the respective adjacent stators (1) which are coaxial to the spindle ( 3) aligned magnetic field generating rotors (2) are introduced magnetically floating.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein mittels dieser Vorrichtung anwendbares Verfahren, die zum Aufspulen und Verdrillen von insbesondere Garnen in Ringspinn- und Ringzwirnmaschinen dienen. Die geschaffene Lösung nutzt Anordnungen von hochtemperatursupraleitenden Magnetlagern um bei hohen Geschwindigkeiten Verbrennungen des Garnes durch das Rotieren der koaxial zu den Spindeln angeordneten permanentmagnetischen Rotoren zu verhindern.The invention relates to a device and a method that can be used by means of this device, which are used for winding and twisting yarns in particular in ring spinning and ring twisting machines. The solution created uses arrangements of high-temperature superconducting magnetic bearings to prevent the yarn from being burned at high speeds by the rotation of the permanent-magnetic rotors arranged coaxially to the spindles.
Die Ringspinntechnologie ist die älteste Art des Faserspinnens und wird noch immer eingesetzt. Aufgrund der hochwertigen Qualität des Garns und der Flexibilität ist das Ringspinnverfahren jedoch die dominierende Technik in der Garnherstellung. Weltweit ist das Ringspinnverfahren im Einsatz mit einer Reihe von Vorteilen, die kaum durch andereRing spinning technology is the oldest type of fiber spinning and is still in use. However, due to the high quality of the yarn and its flexibility, the ring spinning process is the dominant technique in yarn production. The ring spinning process is in use worldwide with a number of advantages that are hardly matched by others
Techniken ersetzt werden können. Grundlegende Vorteile sind:
- (i) Herstellung von sowohl feinfädigen als auch hochfesten Garnen;
- (ii) universelle Anwendung auf eine große Vielfalt sowie auf sehr spezielle Garne;
- (iii) Ringspinnen ist flexibel in Bezug auf Mengen, Garnqualität und Gleichmäßigkeit;
- (i) manufacture of both fine filament and high tenacity yarns;
- (ii) universal application to a wide variety as well as to very specific yarns;
- (iii) ring spinning is flexible in terms of quantities, yarn quality and uniformity;
Das Ringspinnen kann die größte Bandbreite an Garnstärken mit der höchsten Festigkeit und Qualität ausführen. Im Gegensatz dazu ist das Ringspinnen langsamer als andere moderne Spinnsysteme wie Rotor-, Friktions-, Düsen- oder Wirbelspinnen und erfordert mehr Verarbeitungsschritte. Die Fertigungsbegrenzung und Produktivität wird durch das konventionelle Ringrotorsystem bestimmt, das bei höheren Geschwindigkeiten eine mechanische Reibung in Verbindung mit einer Erwärmung des Rotors bzw. des Fadenführers verursacht. In der Folge wird das Garn verbrannt, glüht durch und reißt.Ring spinning can perform the widest range of yarn counts with the highest strength and quality. In contrast, ring spinning is slower than other modern spinning systems such as rotor, friction, jet or vortex spinning and requires more processing steps. The production limitation and productivity is determined by the conventional ring rotor system, which at higher speeds causes mechanical friction in connection with heating of the rotor or yarn guide. As a result, the yarn is burned, burns through and tears.
Bekannt ist nach der
Weiterhin bekannt ist nach der
Kurz nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) im Jahre 1986/87 wurde die Kombination eines Permanentmagneten (PM) mit den neuen Supraleitern vorgeschlagen, die eine nahezu reibungsfreie Levitation und Rotation demonstriert. Später wurde die SMB-Technik für den Einsatz in Zentrifugen bereits 2001 in der Literatur beschrieber. Es konnte gezeigt werden, dass der neue Magnetlagertyp extrem hohe Umdrehungen pro Minute (U/min) über 105 ermöglicht. Die Vorteile und der Nutzen der HTS-Magnetlager sind für viele Anwendungen, insbesondere in High-Tech-Lösungen, nützlich.Shortly after the discovery of the high-temperature superconductors (HTS) in 1986/87, the combination of a permanent magnet (PM) with the new superconductors was proposed, demonstrating almost friction-free levitation and rotation. The SMB technology for use in centrifuges was later described in the literature as early as 2001. It could be shown that the new type of magnetic bearing enables extremely high revolutions per minute (rpm) of over 10 5 . The advantages and benefits of the HTS magnetic bearings are useful for many applications, especially in high-tech solutions.
Durch den nahezu reibungsfreien Betrieb sind hohe Drehzahlen ohne Schmierung, kein Abrieb und keine Partikelbildung auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen wie Hitze, Kälte , Dampf, Vakuum und aggressiven Chemikalien möglich.Due to the almost friction-free operation, high speeds without lubrication, no abrasion and no particle formation are possible even under difficult environmental conditions such as heat, cold, steam, vacuum and aggressive chemicals.
Gleichzeitig lernte man die Rotordynamik mit selbstregulierendem Unwuchtausgleich, die Überwindung kritischer Drehzahlen im Hochgeschwindigkeitsbetrieb und die Erhöhung von Rotordrehzahlen sowie gleichzeitig die Verschiebung von supraleitenden Magnetlager (SMB) in den Lastbereich von Tonnen, wie beim Einsatz in Schwungrad-Energiespeichern, zu verstehen.At the same time, one learned to understand the rotor dynamics with self-regulating imbalance compensation, overcoming critical speeds in high-speed operation and increasing rotor speeds, as well as the shifting of superconducting magnetic bearings (SMB) into the load range of tons, such as when used in flywheel energy storage systems.
Erste Experimente und Anwendungen der SMB in der Ringspinntechnik begannen im Jahr 2010 Später untersuchte die Dresdner Gruppe von Hussain, de Haas und Schultz ausführlich die signifikanten Vorteile des Ersatzes der konventionellen Ringspinnmethode durch den Einsatz eines rotierenden SMB. Dabei folgte das SMB-Design dem koaxialen PM-Ring-zu-HTS-Ring-Design, das in einen Edelstahl-Vakuumkryostaten integriert wurde. Nachteilig ist der große Aufwand an der Supraleiter-Ring- Geometrie.First experiments and applications of the SMB in ring spinning technology started in 2010. Later, the Dresden group of Hussain, de Haas and Schultz investigated in detail the significant advantages of replacing the conventional ring spinning method with the use of a rotating SMB. The SMB design followed the coaxial PM ring-to-HTS ring design integrated into a stainless steel vacuum cryostat. A disadvantage is the great effort involved in the superconductor ring geometry.
Aus dem Stand der Technik ist durch die
Aus der
Der als Magnetring ausgeführte Rotor hat jedoch ein erhebliches Eigengewicht, das beim Anfahren der Spindel ebenfalls beschleunigt werden muss. Außerdem kann der frei schwebende Magnetring nicht gekapselt werden, so dass der mit hohen Drehzahlen von ca. 20.000 bis 30.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) laufende Rotor ein Sicherheitsrisiko für den Bediener der Anlage darstellen. Schließlich stellt das Fadenführungselement am Magnetringrotor eine Unwucht dar, die mit zunehmender Drehzahl der Spindel schwingungsbedingt immer problematischer wird.However, the rotor, which is designed as a magnetic ring, has a considerable weight that must also be accelerated when the spindle is started. In addition, the freely floating magnetic ring cannot be encapsulated, so that the rotor, which runs at high speeds of approx. 20,000 to 30,000 revolutions per minute (rpm), poses a safety risk for the operator of the system. Finally, the thread guide element on the magnetic ring rotor represents an imbalance that becomes more and more problematic as the spindle speed increases due to vibration.
Mit der
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Aufspulen und Verdrillen von faserförmigen Material in Ringspinn- und Ringzwirnmaschinen, mit denen die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschinen wesentlich erhöht, eine höhere Produktivität beim Ringspinnen erzielt sowie der zeitliche und materielle Aufwand für Montage und Service der Vorrichtung gesenkt werden kann.The object of the invention is therefore to create a device and a method for winding and twisting fibrous material in ring spinning and ring twisting machines, with which the operating speed of the machines is significantly increased, higher productivity is achieved in ring spinning and the time and material expenditure for assembly and service of the device can be lowered.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die beschreibenden Merkmale der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung werden von den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 12 gekennzeichnet. Das geschaffene Verfahren beschreiben die Merkmale des Patentanspruchs 13. Eine effiziente Ausgestaltung des Verfahrens wird durch Patentanspruch 14 beansprucht.This object is achieved by the descriptive features of the device according to
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein supraleitendes Magnetlager (SMB) vorgeschlagen, das einen permanentmagnetischen (PM) Ring als Rotor umfasst, der über einem Supraleiter als Stator mit Kühlung berührungslos aber stabil schwebt. Dabei ist der jeweilige Rotor zur zugeordneten Spindel koaxial angeordnet und der aufzuwickelnde Faden wird in dem Spalt zwischen Rotor und Stator zum Umlauf gebracht. Eine effiziente und variabel anpassbare Ausbildung der Vorrichtung wird dadurch erzielt, indem mindestens zwei hochtemperatursupraleitende Statoren zusammen mit ihren thermisch verbundenen Kühleinrichtungen berührungslos und parallel zueinander entlang des Verlaufes der Spindelreihe angeordnet sind sowie im Magnetfeld des durchgängigen Zwischenraumes zwischen den jeweils benachbarten Statoren die koaxial zur Spindel ausgerichteten magnetfelderzeugenden Rotoren magnetisch schwebend eingebracht sind. Eine zusätzliche Erhöhung der Stabilisierung der Position im Magnetlager wird erreicht, wenn die magnetfelderzeugenden Rotoren mit ferromagnetischen Magnetflusssammlern versehen sind, die zur Erhöhung der Feldstärke und Führung des Magnetfeldes zum Hochtemperatur-Supraleiter hin dienen. Eine kostenmäßige Senkung für den materiellen Aufwand wird vorteilhaft erreicht, wenn die hochtemperatursupraleitenden Statoren aus jeweils mindestens zwei HTS-Bulk-Elementen bestehen, die entlang der Längenausdehnung der Statoren abschnittsweise getrennt voneinander ausgebildet und den jeweiligen magnetfelderzeugenden Rotoren zugeordnet sind.With the solution according to the invention, a superconducting magnetic bearing (SMB) is proposed, which comprises a permanent magnet (PM) ring as a rotor, which levitates without contact but stably over a superconductor as a stator with cooling. The respective rotor is arranged coaxially to the associated spindle and the thread to be wound up is made to circulate in the gap between the rotor and the stator. An efficient and variably adaptable design of the device is achieved by arranging at least two high-temperature superconducting stators together with their thermally connected cooling devices without contact and parallel to one another along the course of the row of spindles and in the magnetic field of the continuous space between the respective adjacent stators that are aligned coaxially to the spindle Magnetic field generating rotors are introduced magnetically floating. An additional increase in the stabilization of the position in the magnetic bearing is achieved if the rotors that generate the magnetic field are provided with ferromagnetic magnetic flux collectors, which serve to increase the field strength and guide the magnetic field towards the high-temperature superconductor. A cost reduction for the material expenditure is advantageously achieved if the high-temperature superconducting stators each consist of at least two HTS bulk elements, which are formed separately from one another in sections along the length of the stators and are assigned to the respective rotors that generate the magnetic field.
Für eine einfache und zeitreduzierende Montage ist es von Vorteil, wenn die hochtemperatursupraleitenden Statoren aus schichtförmig zusammengefügtem Material bestehen und in ihrer Längenausdehnung band- oder kabelförmig ausgebildet sind. Effektiv wird ein einfacher und materialsparender Aufbau der Vorrichtung erreicht, indem die hochtemperatursupraleitenden Statoren aus einer thermisch isolierten Rohr-in-RohrKonfiguration gebildet werden, bei der das innere, mit dem HTS-Stator verbundene „kalte“ Rohr eine Temperatur aufweist, die unterhalb der supraleitenden kritischen Temperatur liegt und das äußere Rohr die umgebende Raumtemperatur annimmt. Günstig erweist sich die Ausbildung der Vorrichtung für die Anwendung hoher Arbeitsgeschwindigkeiten, wenn das äußere Rohr aus einem Material gebildet wird, das eine zur Erzeugung von Wirbelströmen geeignete hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und dadurch eine zusätzliche magnetische Stabilisierung während des Drehspinn- und Verdrillungsbetriebes bewirkt. Eine stabile magnetische Lagerung der Rotoren bei einem gleichzeitig geringen Kostenaufwand wird vorteilhaft dadurch erreicht, indem die Statoren aus jeweils einem YBaCuO - Kristall der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3Ox (Y123) oder einem Einkristall der REBaCuO - Gruppe der Zusammensetzung RE1Ba2Cu3Ox (RE-Seltene Erden) sowie der Supraleiter der Wismut-Familie BiSrCaCuO gebildet werden.For simple and time-saving assembly, it is advantageous if the high-temperature superconducting stators consist of material joined together in layers and are designed in the form of strips or cables in terms of their length. Effectively, a simple and material-saving construction of the device is achieved by forming the high-temperature superconducting stators from a thermally insulated tube-in-tube configuration, in which the inner "cold" tube connected to the HTS stator has a temperature below that of the superconducting critical temperature and the outer tube assumes the ambient room temperature. The design of the device for the application of high operating speeds proves to be favorable if the outer tube is formed from a material which has a high electrical conductivity suitable for generating eddy currents and thereby causes additional magnetic stabilization during rotary spinning and twisting operations. A stable magnetic bearing of the rotors at a simultaneously low cost is advantageously achieved by the stators each consisting of a YBaCuO crystal of the composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O x (Y123) or a single crystal of the REBaCuO group of the composition RE 1 Ba 2 Cu 3 O x (RE rare earths) and the superconductor of the bismuth family BiSrCaCuO are formed.
Mit der vorliegenden Erfindung werden technische und wirtschaftliche Verbesserungen der Maschinen durch die Verwendung von neuen linearen, wie supraleitende HTS Bulk-Stator-Anordnungen erzielt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt einen nahezu reibungslosen Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Rotoren. Erreicht wird dies durch die stark vereinfachte Stator-Aufhängung und der möglichen simultanen Kühlung aller beteiligten Statoren.With the present invention, technical and economic improvements in the machines are achieved through the use of new linear, such as superconducting HTS bulk stator assemblies. The device according to the invention allows almost smooth high-speed operation of the rotors. This is achieved through the greatly simplified stator suspension and the possibility of simultaneous cooling of all stators involved.
Die geschaffene Lösung ebnet den Weg für eine modulare Bauweise und kollektiver Kühlung mittels flüssigem Stickstoff LN2. Zudem werden die HTS Material- und Maschine-Kosten signifikant reduziert.The solution created paves the way for a modular design and collective cooling using liquid nitrogen LN2. In addition, the HTS material and machine costs are significantly reduced.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den Wiedergaben der Zeichnung zeigen dazu erläuternd
-
1 : die schematische Vergleichsdarstellung der bisherigen zur neuen Magnetlagerung der Rotoren, -
2 : die perspektivische Darstellung der Magnetlagerung mit drei Statoren, -
3 : die Querschnittsdarstellung der Magnetlagerung mit drei Statoren, -
4 : die perspektivische Darstellung der Magnetlagerung mit zwei Statoren, -
5 : die Querschnittsdarstellung der Magnetlagerung mit zwei Statoren, -
6 : der schematische Innenaufbau des Stators, -
7 : die prinzipielle Darstellung der zusätzlichen Stabilisierung des Rotors und -
8 : die Umfassungsbandage des Rotors zwecks Ausgleich der dynamischen Kräfte.
-
1 : the schematic comparison of the previous to the new magnetic bearing of the rotors, -
2 : the perspective view of the magnetic bearing with three stators, -
3 : the cross-section of the magnetic bearing with three stators, -
4 : the perspective view of the magnetic bearing with two stators, -
5 : the cross-section of the magnetic bearing with two stators, -
6 : the schematic internal structure of the stator, -
7 : the basic representation of the additional stabilization of the rotor and -
8th : the enclosing bandage of the rotor in order to balance the dynamic forces.
Mit der
Die in
Durch die freie Aufhängung der Rotor-Kombination oberhalb des HTS-Stators 1 und dessen Rotation mit nahezu Spindeldrehzahl kann die Reibungswärme des Rotors 2 auch bei weiterer Erhöhung der Rotorgeschwindigkeit deutlich eliminiert werden. Dabei wird im dynamischen Prozess nur eine geringe Reibungskraft zwischen Faden und Läufer erzeugt. Durch die generierte Drehung des Rotors 2 wird die Faden-Läufer-Reibungswechselwirkung erheblich reduziert, wodurch ein großer Teil der Wärmequelle ausgeschaltet wird. Der Rotor 2 und der Stator 1 sind dabei so gestaltet, dass zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 1 axial beabstandet und koaxial zur Spindel 3 jeweils ein kreisrunder Luftspalt gebildet wird. Der Faden wird durch den rotierenden Läufer geführt und kann auf den rotierenden Spulenkörper gewickelt werden. Im Gegensatz zu bisherigen Lagerlösungen, bei denen benachbarte Spindeln 3 bei Raumtemperaturbedingungen in der Durchführung eines Kryostaten laufen, sind bei der neuen Lösung die Spindeln 3 nicht getrennt und haben einen offenen Raum entlang der Spindelreihe. Durch diese Konstruktion wird eine gemeinsame LN2-Kühlung einer Reihe von entsprechenden Statoren 1 mit einem großen Freiraum möglich. Weiterhin können auf diese Weise Spindeln 3 und Spulen viel einfacher gewartet oder ausgetauscht werden.Due to the free suspension of the rotor combination above the
Mit
Die Darstellung der
Eine Querschnittsdarstellung der aus zwei Statoren 1 gebildeten Magnetlagerung kann der
Der konstruktive Innenaufbau des Stators 1 wird aus der bildlichen Wiedergabe der
Die prinzipielle Darstellung einer zusätzlichen Stabilisierung der Lageposition des Rotors 2 ist aus
Mit zunehmender Geschwindigkeit des Rotors 2 erreicht die Widerstandskraft ein Maximum und nimmt mit 1/(v)1/2 ab. Die Auftriebskraft, die den Rotor 2 stabilisiert, nimmt dagegen bei niedriger Geschwindigkeit mit v2 zu und überholt die Widerstandskraft mit zunehmender Geschwindigkeit. Das Verhältnis von Auftriebs- zu Widerstandskräften ist von großer praktischer Bedeutung und ergibt sich zu fL/fD= v/vi, wobei v und vi die Geschwindigkeiten des magnetischen Dipols über dem leitenden Blech und das entsprechende positive und negative Bild sind, das sich mit der Geschwindigkeit vi nach unten ausbreitet.With increasing speed of the
Mit der Grafik der
Ein weiterer kritischer Punkt der Ringrotordynamik sind die Fliehkräfte. In der vorliegenden Erfindung stehen Rotationsgeschwindigkeiten des permanentmagnetischen Rotors 2 mit dem Fadenführer bis zu 50 000 U/min im Fokus. Ein Rotor 2 der Größe 60 mm × 40 mm × 10 mm, der als Verdrillungs- und Rotationselement dient, leidet unter den enormen Fliehkräften, die den Arbeitsring zerstören können. In einem ersten Ansatz sollte man die maximale Zugkraft bzw. Kraftdichte durch den Tangentialvektor am Innenradius ri betrachten.
Beim Drehen des ringförmigen Rotors 2 entstehen unterschiedliche Fliehkräfte, die den Rotor 2 zerstören können. Die höchsten mechanischen Kräfte treten am Innenradius eines rotierenden Ringes auf. Der Wert der Zugfestigkeit von gesintertem NdFeB liegt bei etwa 80 - 90 MPa (12 000 psi). Bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 50 000 U/min um die Spindeln erleidet ein PM Ring aus NdFeB mit der Größe 60 × 40 × 10 jedoch eine maximale tangentiale Kraftdichte von ~185 MPa, mehr als ein Faktor zwei der intrinsischen Materialzugfestigkeit. Dementsprechend müssen die dynamischen Kräfte durch eine entsprechende Umfassungsbandage 18 in Umfangsrichtung des Rotors 2 ausgeglichen werden.When the ring-shaped
Der Bandage-Ring 18 sollte aus Werkstoffen mit hoher Zugfestigkeit bestehen, entweder metallisch wie nichtmagnetischer Edelstahl, hochfesten Al- oder Mg-Legierungen, oder ein nichtmetallischer Ring aus Glas- oder Kohlefaserverbindungen. Im besten und optimalen Fall sorgt die Sicherheitsringverstärkung für einen Vordruck auf den Rotor 2 schon bei Drehzahl Null und verhindert dann jegliche Risse oder Defekte des NdFeB Magnetringes unter den nominalen Betriebsdrehzahlen. Als praktische Lösung wurde eine Sicherheitsringdicke von 3 mm Al-Legierung AL7075 gewählt und mit dem Rotor 2 durch thermisches Aufschrumpfen fest verbunden.The
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Statorstator
- 22
- Rotorrotor
- 33
- Spindelspindle
- 44
- HTS-SupraleiterHTS superconductor
- 55
- SpuleKitchen sink
- 66
- Garnyarn
- 77
- Läuferrunner
- 88th
- Inneres Rohrinner tube
- 99
- Äußeres Rohrouter tube
- 1010
- abstandshaltende Baugruppespacer assembly
- 1111
- punktförmige Auflagepunctiform support
- 1212
- punktförmige Auflagepunctiform support
- 1313
- Bandagebandage
- 1414
- Arbeitsgas N2Working gas N2
- 1515
- Kühlleitungencooling lines
- 1616
- Zuführungssystemfeeding system
- 1717
- Elektrischer WirbelstromElectrical eddy current
- 1818
- Bandagebandage
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