DE102021107842A1

DE102021107842A1 - Kombiniertes axial/radial-magnetlager

Info

Publication number: DE102021107842A1
Application number: DE102021107842.3A
Authority: DE
Inventors: Gerald JUNGMAYR; Robert Santner
Original assignee: Linz Center of Mechatronics GmbH
Current assignee: Linz Center of Mechatronics GmbH
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2022-09-29
Also published as: WO2022207625A1; CN117120735A

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Lagerung einer Welle beschrieben. Gemäß einem Beispiel umfasst die Vorrichtung mindestens einen Permanentmagneten, der mit der Welle verbunden ist (und folglich mit dieser mit rotieren kann), und einen Stator mit einem ersten und einem zweiten Joch, beide aus weichmagnetischem Material. Das erste Joch weist eine Öffnung auf, in die die Welle eingeführt ist, sodass zwischen dem ersten Joch und einer Stirnfläche der Welle, oder eines damit verbundenen Elements, ein axialer Luftspalt gebildet wird. Gleichzeitig ist das erste Joch derart geformt, dass zwischen dem ersten Joch und einer Umfangsfläche der Welle ein erster radialer Luftspalt gebildet wird. Das zweite Joch ist derart angeordnet, dass zwischen der Umfangsfläche der Welle und dem zweiten Joch ein zweiter radialer Luftspalt gebildet wird. Die Vorrichtung umfasst weiter eine erste Aktorspule, die an dem ersten Joch angeordnet ist sowie zwei oder mehr zweite Aktorspulen, die an dem zweiten Joch angeordnet sind. Der Permanentmagnet ist relativ zu dem ersten und dem zweiten Joch so positioniert ist, dass er sowohl einen magnetischen Vormagnetisierungsfluss in dem axialen Luftspalt als auch in dem zweiten radialen Luftspalt erzeugt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Magnetlagertechnik, insbesondere ein kombiniertes Axial/Radial-Magnetlager, welches sowohl axiale als auch radiale Lagerkräfte aufnehmen kann.
HINTERGRUND
Magnetlager ermöglichen die Lagerung einer Welle ohne Materialkontakt mittels magnetischer Kräfte. Die Lagerkraft wird üblicherweise durch geregelte Elektromagneten erzeugt. Die Stabilität des elektromechanischen Systems wird durch eine geeignete Rückkopplung und elektronische Regelung gewährleistet. Oft wird in Magnetlagern auch eine Kombination von Elektromagneten und Permanentmagneten verwendet.
Magnetlager können sowohl als Axiallager als auch als Radiallager ausgeführt sein. Häufig ist es notwendig, beide Typen von Lagern in einer Maschine zu kombinieren, um Lagerkräfte sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung (in Bezug auf die Drehachse der gelagerten Welle) aufnehmen zu können. In der Regel benötigt eine Maschine (z.B. ein Elektromotor oder ein Magnetgetriebe) zwei (oder mehr) Radiallager und zumindest ein Axiallager, um die Welle in der gewünschten Position zu halten.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, bekannte Konzepte zur Lagerung einer Welle mittels Magnetlagertechnik zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben genannte Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
In dieser Beschreibung wird eine Vorrichtung zur Lagerung einer Welle beschrieben. Gemäß einem Beispiel umfasst die Vorrichtung mindestens einen Permanentmagneten, der mit der Welle verbunden ist (und folglich mit dieser mit rotieren kann), und einen Stator mit einem ersten und einem zweiten Joch, beide aus weichmagnetischem Material. Das erste Joch weist eine Öffnung auf, in die die Welle eingeführt ist, sodass zwischen dem ersten Joch und einer Stirnfläche der Welle, oder eines damit verbundenen Elements, ein axialer Luftspalt gebildet wird. Gleichzeitig ist das erste Joch derart geformt, dass zwischen dem ersten Joch und einer Umfangsfläche der Welle ein erster radialer Luftspalt gebildet wird. Das zweite Joch ist derart angeordnet, dass zwischen der Umfangsfläche der Welle und dem zweiten Joch ein zweiter radialer Luftspalt gebildet wird. Die Vorrichtung umfasst weiter eine erste Aktorspule, die an dem ersten Joch angeordnet ist sowie zwei oder mehr zweite Aktorspulen, die an dem zweiten Joch angeordnet sind. Der Permanentmagnet ist relativ zu dem ersten und dem zweiten Joch so positioniert ist, dass er sowohl einen magnetischen Vormagnetisierungsfluss (magnetic biasflux) in dem axialen Luftspalt als auch in dem zweiten radialen Luftspalt erzeugt.
Durch die Positionierung des Permanentmagneten auf den Rotor kann eine axiale Kraft in beide Richtungen erzeugt werden, obwohl Rotor und Stator keine Hinterschneidung aufweisen.
Figurenliste
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den dargestellten Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen.

1 und 2 zeigen eine perspektivische Darstellung eines Beispiels eines Kombilagers sowie eine zugehörige Querschnittsdarstellung.
3 illustriert die Magnetfeldlinien für die Vorrichtung aus 2.
4 illustriert die Kraftwirkung des Spulenstroms in der axialen Aktorspule.
5 Illustriert die Kraftwirkung des Spulenstroms in den radialen Aktorspulen.
6 ist eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
7 zeigt ein weiteres Beispiel mit einer zusätzlichen Kompensationsspule.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Magnetlager gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen kann einen Rotor (z.B. eines Elektromotors) berührungsfrei lagern, indem Lagerkräfte (elektromagnetische Kräfte) sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung erzeugt werden. Zusammen mit einem weiteren, berührungslosen Lager ist es dadurch möglich, den Rotor vollständig berührungslos zu lagern. Eine derartige Kombination aus Axiallager und Radiallager wird im Folgenden auch als Kombilager (kombiniertes Axial-/Radiallager) bezeichnet. Die axiale Richtung ist durch die Lage der Drehachse des Rotors bestimmt und in dieser Beschreibung als z-Richtung definiert. Diese bildet zusammen mit der x-Richtung und y-Richtung ein kartesisches Koordinatensystem. Eine radiale Lagerkraft liegt folglich in der xy-Ebene.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kombilagers ist in 1 und 2 dargestellt, wobei 1 eine perspektivische Darstellung und 2 ein zugehöriger Querschnitt durch die xz-Ebene ist. Die in 1 und 2 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Stator und einen Rotor R mit einer Welle 10. Der Stator kann in einem Gehäuse (z.B. eines Elektromotors) angeordnet oder Teil des Gehäuses sein. Die Welle 10 kann z.B. die Motorwelle eines Elektromotors sein. Der Stator umfasst sämtliche nicht-rotierenden Teile, die der Erzeugung und Führung des magnetischen Flusses dienen. Gleichermaßen umfasst der Rotor R die rotierende Welle 10 als solche und jene damit verbundenen Teile, die der Erzeugung und Führung des magnetischen Flusses dienen und die mit der Welle 10 mitrotieren.
Die Vorrichtung, welche das Kombilager bildet, weist mindestens einen Permanentmagneten 20 auf, der in oder an der Welle 10 montiert ist und mit dieser mitrotiert. Der Permanentmagnet 20 wird daher auch als Rotormagnet bezeichnet. In dem in 2 dargestellten Beispiel ist der Permanentmagnet 20 in einer zentralen Öffnung (z.B. koaxial zur Drehachse) am Wellenende der Welle 10 angeordnet. Die Welle 10 selbst ist vorzugsweise (jedoch nicht zwangsläufig) aus nicht ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Edelstahl, aus Kunststoff oder aus einem anderen Material mit geringer magnetischer Leitfähigkeit. Die Welle 10 kann in manchen Anwendungen als Hohlwelle ausgeführt sein.
Der Rotormagnet 20 kann in axialer Richtung magnetisiert sein. In 2 ist die Magnetisierung des Rotormagneten 20 durch Pfeile symbolisiert.
Gemäß 2 ist der Rotormagnet 20 am Wellenende angeordnet. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Rotormagnet 20 auch an einer beliebigen axialen Position (z-Koordinate) der Welle 10 angeordnet sein (siehe auch 6). In dem in 2 darstellten Beispiel ist (in axialer Richtung) neben dem Rotormagnet 20 ein Flusskonzentrator 13 (auch Flussleitstück genannt) angeordnet. Der Flusskonzentrator 13 ist aus weichmagnetischem Material und dient der Führung des magnetischen Flusses, der (lokal) im Wesentlichen auf den Flusskonzentrator 13 beschränkt ist. Optional kann die zentrale Öffnung (Bohrung) am Wellenende durch eine Abdeckung 19 abgeschlossen sein, die ebenfalls aus weichmagnetischem Material bestehen kann. Die Abdeckung 19 kann ebenfalls als Flussleitstück fungieren.
Der Stator umfasst zwei weichmagnetische (Maschinen-) Elemente. Eines dieser weichmagnetischen Elemente wird im Folgenden auch als radiales Joch 12 bezeichnet (weil es den magnetischen Fluss in radialer Richtung leitet). Das radiale Joch 12 kann ein im Wesentlichen scheibenförmiges Element sein, welches sich in radialer Richtung (d.h. in oder parallel zu der xy-Ebene) ausdehnt. Die axiale Position (d.h. die z-Koordinate) des radialen Jochs 12 entspricht grob der axialen Position des Flusskonzentrators 13 oder der axialen Position eines Endes des Rotormagenten 20. In manchen Ausführungsbeispielen kann der Flusskonzentrator 13 auch weggelassen werden, was jedoch einen höheren magnetischen Streufluss zur Folge haben kann. In 2 liegt das radiale Joch 12 in Bezug auf die z-Richtung neben dem Rotormagneten 20 (in der Zeichnung etwas oberhalb des Rotormagnets). Im Allgemeinen ist ein Joch Teil einer magnetischen Flussführung (magnetischer Kreis, magnetic circuit), und somit ist das radiale Joch 12 aus weichmagnetischem Material. Zwischen dem Flusskonzentrator 13 und dem radialen Joch 12 befindet sich ein radialer Luftspalt δ_R1 (vgl. 3), d.h. die Magnetfeldlinien verlaufen im Wesentlichen in radialer Richtung durch den Luftspalt. Der Begriff Luftspalt impliziert in der Regel nicht, dass sich in dem Spalt Luft befindet, sondern lediglich, dass sich in dem Spalt unmagnetisches Material befindet.
Das andere der weichmagnetischen Elemente wird als axiales Joch 11 bezeichnet. Dieses befindet sich in dem in 2 dargestellten Beispiel (entlang der z-Richtung) neben dem Rotormagnet 20, jedoch an der dem radialen Joch 12 gegenüberliegenden Seite des Rotormagneten 20. Das axiale Joch 11 dient ebenfalls der Flussführung und kann beispielsweise eine ähnliche Form aufweisen, wie ein Topfmagnet. In dem dargestellten Beispiel hat das axiale Joch 11 eine im Wesentlichen zylindrische Form, wobei die Welle 10 mit einem Ende in diese zylindrische Form eingeführt ist, sodass zwischen der Stirnseite der Welle 10 und dem axialen Joch 11 ein kleiner axialer Luftspalt gebildet δ_A wird. In dem axialen Luftspalt δ_A verlaufen den Magnetfeldlinien im Wesentlichen in axialer Richtung zwischen dem Rotor R und dem axialen Joch 11. Zwischen dem Umfang der Welle und dem Joch 11 wird ein weiterer radialer Luftspalt δ_R2 gebildet (vgl. 3), der einen magnetischen Rückschluss ermöglicht.
Der Rotormagnet 20 erzeugt ein Magnetfeld und einen entsprechenden magnetischen Fluss B_BIAS durch das axiale Joch 11, das radiale Joch 12 und die Luftspalte δ_R1, δ_A und δx, wobei in dem dargestellten Beispiel der Luftspalt δx deutlich größer ist als die anderen Luftspalte und somit einen gewissen Streufluss zur Folge haben kann (siehe 3). Dieser vom Rotormagnet 20 erzeugte magnetische Fluss B_BIAS wird auch als magnetische Vorspannung (magnetic bias) oder Vormagnetisierungsfluss (biasflux) bezeichnet. Auf den Verlauf der Magnetfeldlinien wird später noch genauer eingegangen. Der Luftspalt δx zwischen dem axialen Joch 11 und dem radialen Joch 12 kann in manchen Ausführungsbeispielen auch durch ferromagnetische Stege überbrückt werden.
Für die Erzeugung einer Axialkraft weist der Stator des Magnetlagers mindestens eine zur Drehachse (z-Achse) der Welle 10 koaxiale Spule 21 auf, die im Weiteren auch als „axiale Aktorspule“ bezeichnet wird (siehe 1-4). Die axiale Aktorspule 21 kann im Inneren des topfförmigen axialen Jochs 11 angeordnet sein, ähnlich wie bei einem Topfmagnet (Elektromagnet). Allgemeiner ausgedrückt, die axiale Aktorspule 21 ist von einem weichmagnetischen Element, welches als Führung (Joch) für den magnetischen Fluss dient und welches einen axialen Luftspalt δ_A zur Stirnseite der Welle 10 sowie einen radialen Luftspalt δ_R2 zum Umfang der Welle 10 hin bildet (siehe 3). Der im axialen Luftspalt δ_A wirksame magnetische Fluss (Summenfluss) entsteht durch Überlagerung des von dem Rotormagnet 20 verursachten Vormagnetisierungsflusses B_BIAS und des magnetischen Flusses B₂₁ zufolge der axialen Aktorspule 21. Je nach Stromrichtung in der Spule 21 wird der vom Rotormagneten 20 erzeugte Vormagnetisierungsfluss B_BIAS im axialen Luftspalt δ_A entweder verstärkt oder abgeschwächt. Gemäß den hier erläuterten Ausführungsbeispielen ist es sogar möglich, dass die axiale Kraft zwischen Joch 11 (Teil des Stators) und Rotor R ihre Richtung ändert, d.h. von anziehend (in neg. z-Richtung) auf abstoßend (in pos. z-Richtung) und vice versa.
Die Vorrichtung umfasst weiter eine Sensoreinrichtung 30 (siehe 1-3) mit einem oder mehreren Sensoren für die Messung der axialen und der radialen Position des Rotors (Positionssensor(en)) sowie eine zugehörige Steuerelektronik, welche abhängig von der gemessenen Position des Rotors die Ströme durch die axiale Aktorspule 21 und die radialen Aktorspulen 22a-d einstellt. Das Gesamtsystem (Stator und Rotor sowie Steuerelektronik des Magnetlagers) kann somit den Rotor an einer gewünschten axialen Position halten. Auf die Sensoreinrichtung und die Steuerelektronik wird später noch genauer eingegangen. Sensoreinrichtungen zur Messung der axialen und radialen Position des Rotors sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert.
Wie erwähnt wird durch den Rotormagnet 20 der axiale Luftspalt δ_A mit einem magnetischen Fluss B_BIAS vorgespannt (biased), weshalb dieser magnetische Fluss auch als Vormagnetisierungsfluss bezeichnet wird. Wenn kein Strom durch die axialen Aktorspule 21 fließt, wirkt üblicherweise eine Axialkraft in die negative z-Richtung auf den Rotor R (axiale Vorspannkraft). Diese Kraft zufolge des Vormagnetisierungsflusses B_BIAS kann beispielsweise durch Bestromen der Aktorspule 21 kompensiert werden, wodurch die Aktorspule den mit B₂₁ bezeichneten magnetischen Fluss erzeugt (siehe 3 und 4). Der Fluss B₂₁ kann den Vormagnetisierungsflusses B_BIAS teilweise kompensieren, vollständig kompensieren oder auch überkompensieren. In der in 4, Diagramm (a) gezeigten Situation überlagern sich der Vormagnetisierungsfluss B_BIAS und der magnetische Fluss B₂₁ konstruktiv (Spulenstrom positiv, Fluss B₂₁ in z-Richtung), wohingegen sich in der in 4, Diagramm (b) gezeigten Situation überlagern der Vormagnetisierungsfluss B_BIAS und der magnetische Fluss B₂₁ destruktiv überlagern (Spulenstrom negativ, Fluss B₂₁ gegen die z-Richtung).
Bei vollständiger Kompensation (B_BIAS+B₂₁=0) ist die axiale (Netto-) Kraft null und der Rotor befindet sich in seiner axialen Soll-Position. Um den Energieverbrauch zu verringern, kann es jedoch nützlich sein, die axiale Vorspannkraft durch ein weiteres Lager (nicht dargestellt) zu kompensieren. Bei diesem weiteren Lager kann es sich zum Beispiel um ein passives Magnetlager handeln. Es ist jedoch ebenfalls möglich, ein zweites Kombilager oder ein anderes Lager einzusetzen, das eine etwa gleich große, jedoch in entgegengesetzter Richtung (d.h. in z-Richtung) auf den Rotor wirkende axiale Vorspannkraft erzeugt. In diesem Fall genügt ein relativ kleiner Strom durch die axiale Aktorspule 21, um den Rotor in seiner kräftefreien (Soll-) Position zu halten.
Wie erwähnt wird die axiale Position des Rotors dabei laufend von der Sensoreinrichtung 30 erfasst. Die Steuerelektronik ist dazu ausgebildet, den Strom durch die axialen Aktorspule 21 derart einzustellen, dass der Rotor immer in seine kräftefreie Position zurückgeholt oder in dieser gehalten wird (Positionsregelung). In dieser Situation schwankt der Strom während des Betriebs der Vorrichtung (des Magnetlagers) somit um null Ampere. Wird die axiale Vorspannkraft nicht oder nicht vollständig wie oben erwähnt durch ein weiteres Lager kompensiert, dann schwankt der Strom der axialen Aktorspule 21 im Betrieb um einen bestimmten Nennstrom.
Zur Verringerung von Wirbelstromverlusten können in manchen Ausführungsbeispielen die weichmagnetischen, den Magnetfluss leitenden Elemente (radiales und axiales Joch 11, 12) auch aus einem laminierten Blechstapel oder beispielsweise aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff (soft magnetic composite) gefertigt werden.
Für die Erzeugung von radialen Lagerkräften sind auf dem radialen Joch 12 mindestens zwei, insbesondere aber drei oder vier weitere Aktorspulen 22 vorgesehen, die hier als radiale Aktorspulen bezeichnet werden. In dem in 1 und 2 dargestellten Beispiel sind vier Aktorspulen 22a-d magnetisch mit dem radialen Joch 12 gekoppelt. Mit geeigneter Bestromung der radialen Aktorspulen 22a-d kann eine Kraft in beliebiger, radialer Richtung (in der xy-Ebene, siehe auch Schnittdarstellung in 5) erzeugt werden. Der Rotormagnet 20 erzeugt in dem radialen Luftspalt δ_R1 wie erwähnt den Vormagnetiserungsfluss B_BIAS, der von dem Magentfluss B₂₂, der von den Spulen 22a-d erzeugt wird, (je nach Stromrichtung konstruktiv oder destruktiv) überlagert wird.
Das in 3 gezeigte Beispiel zeigt denselben Querschnitt wie 2, wobei in 3 die magnetisch relevanten Luftspalte δ_R1, δ_R2, δ_A und δx, sowie die Magnetfeldlinien B_BIAS des vom Rotormagnet 20 erzeugten Vormagnetisierungsflusses und des von der Spule 21, erzeugten Magnetflusses dargestellt sind. Der Flussverlauf im radialen Joch 12, insbesondere der in 3 nicht enthaltene Magnetfluss der Aktorspulen 22a-d ist in 5 schematisch dargestellt. Der vom Rotormagnet 20 erzeugte Vormagnetisierungsfluss ist in 3-5 mit B_BIAS bezeichnet. Die diesbezüglichen Magnetfeldlinien verlaufen vom Permanentmagnet 20, durch den radialen Luftspalt δ_R1, das radiale Joch 12, den Luftspalt δx (ggf. Streufluss), das axiale Joch 11 und den axialen Luftspalt δ_A zurück zum Permanentmagnet 20. In 5 wird (wie üblich) das Symbol ⊙ für aus der Zeichenebene herauskommende Feldlinien und das ⊗ für in die Zeichenebene hinein verlaufende Feldlinien verwendet. Analoges gilt für die Stromrichtung durch die Spulen (siehe z.B. 4).
Der von der axialen Aktorspule 21 erzeugte magnetische Fluss ist in 4 mit B₂₁ bezeichnet. Die diesbezüglichen Magnetfeldlinien verlaufen durch die Spule hindurch (entlang der z-Richtung), über die Luftspalte δ_A und δ_R2, und das Joch 12. Der von den radialen Aktorspulen 22a-d erzeugte magnetische Fluss B₂₂ ist wie erwähnt in 5 dargestellt. Dieser verläuft jedoch im Wesentlichen durch das radiale Joch 12 und den Luftspalt δ_R1, in dem sich die Magnetflüsse B_BIAS und B₂₂ überlagern (Summenfluss B₂₂+B_BIAS). In ähnlicher Weise überlagern sich die Magnetflüsse B_BIAS und B₂₁ im Luftspalt δ_A (Summenfluss B₂₁+B_BIAS). Man sieht in 3, dass der Rotormagnet 20 sowohl im radialen Luftspalt δ_R1 als auch im axialen Luftspalt δ_A einen Vormagnetisierungsfluss B_BIAS erzeugt.
In dem in 3 und 4 (Diagramm a) dargestellten Fall verstärkt die axiale Aktorspule 21 den Fluss B_BIAS des Rotormagneten 20, wodurch die nach unten (entgegen der z-Richtung) ziehende Kraft auf den Rotor erhöht wird. Durch Änderung der Stromrichtung in der Spule 21 wirkt der von der Spule 21 erzeugte Fluss B₂₁ dem Fluss B_BIAS des Rotormagneten 20 entgegen, wodurch die nach unten ziehende Kraft verringert wird (siehe 4, Diagramm (b) mit jeweils entgegengesetzter Stromrichtung). Mit der dargestellten Vorrichtung ist es - bei entsprechender Auslegung - sogar möglich, eine Kraft zu erzeugen, die den Rotor nach oben (d.h. in z-Richtung) bewegt. Die Begriffe „oben“ und „unten“ beziehen sich lediglich auf die Abbildung, nicht auf die reale Vorrichtung.
In dem in 1 bis 3 dargestellten Beispiel sind vier radiale Aktorspulen 22a-d vorgesehen (im Allgemeinen können auch zwei oder drei Spulen ausreichend sein). In 5 wirkt durch Bestromung der Spulen 22a und 22c eine Kraft nach links (in negative x-Richtung) auf den Rotor. Man erkennt, dass sich im linken Bereich des (ringförmigen) Luftspaltes δ_R1 der resultierende Magnetfluss im Vergleich zur Vorspannung erhöht und im rechten Bereich des Luftspaltes δ_R1 der resultierende Magnetfluss im Vergleich zur Vorspannung verringert. Wird die Stromrichtung in den Spulen 22a und 22c umgedreht, wird entsprechend eine Kraft in positive x-Richtung erzeugt. Die beiden anderen radialen Aktorspulen 22b und 22d bleiben in diesem (theoretischen) Fall stromlos, da sie nur für die Erzeugung von Kräften in y-Richtung benötigt werden.
Befindet sich der Rotor an seiner Sollposition, also in der Darstellung aus 2 bei x=0 und y=0, dann heben sich die radialen Kräfte aufgrund der magnetischen Vorspannung auf. Dies bedeutet, dass die radialen Aktorspulen 22a-d im Mittel mit einem Strom von null Ampere Strom betrieben werden können, der Energieverbrauch ist also relativ klein.
Das dargestellte magnetisch leitende Element (radiales Joch 12) ist in den hier beschriebenen Beispielen von vier Spulen 22a-d bewickelt. Die dargestellten Nuten (siehe z.B. 5, Nut 40) können zu einem Wechselfluss-Anteil in der Bandage des Rotors führen. Um die Wirbelstromverluste in einer elektrisch leitfähigen Rotor Bandage zu verringern, können diese Nuten auch über dünne Stege (Sättigungsstege) verbunden sein
Um den Rotor radial zu zentrieren wird neben der axialen Position (z-Koordinate) auch die radiale Position des Rotors (x- und y-Koordinaten) von der oben erwähnten Sensoreinrichtung 30 laufend gemessen. Die aktuelle Position des Rotors wird von der Steuerelektronik aus den Sensorsignalen ermittelt. Die Steuerelektronik enthält weiter eine Positionsregelung, welche die gemessene Position (x, y, z) des Rotors mit der Soll-Position, z.B. (0, 0, 0) vergleicht und die Ströme durch die Aktorspulen 21 und 22a-d so einstellt, dass die resultierenden magnetischen Kräfte im Luftspalt δ_A und δ_R1 einer eventuell vorhandenen Abweichung von der Soll-Position entgegengewirkt wird. Zu diesem Zweck kann die Steuerelektronik eine geeignete Leistungs-Ausgangsstufe (z.B. aus (MOS-) Transistoren) aufweisen. Geeignete Steuerelektronik ist an sich bekannt und wird daher hier nicht weiter erläutert.
In den bisher beschriebenen Beispielen ist ein Wellenende der Welle 10 in das ähnlich wie ein Topfmagnet gestaltete axiale Joch 11 eingeführt. Das ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. In dem in 6 dargestellten Beispiel verläuft die Welle 10 durch das radiale Joch 11 hindurch. Der Rotormagnet 20 kann in diesem Beispiel außen am Umfang der Welle 10 angeordnet sein. Gleiches gilt für die (optionalen) Flussleitstücke 13 und 19. Der Verlauf der magnetischen Feldlinien und des magnetischen Flusses (Vorspannfluss B_BIAS, sowie die magnetischen Flüsse der Spulen B₂₁ und B₂₂) unterscheiden sich nicht wesentlich von dem vorherigen Beispiel, und es wird auf die obigen Erläuterungen insbesondere zu 4 und 5 verwiesen. Der axiale Luftspalt δ_A liegt in diesem Beispiel nicht zwischen dem axialen Joch 11 und der Stirnseite der Welle 10, sondern zwischen dem axialen Joch 11 und einer Stirnfläche eines Wellenabsatzes, einer Wellenschulter oder eines mit der Welle 10 verbundenen Teils wie z.B. das Flussleitstück 19 oder der Rotormagnet 20.
In den bisher beschriebenen Beispielen ist der Rotormagnet 20 in axialer Richtung magnetisiert. Insbesondere in dem Beispiel aus 6 könnte der Rotormagnet 20 auch als in radialer Richtung magnetisierter Ring ausgebildet sein. In diesem Fall würde der Rotormagnet 20 an der Stelle des Flussleitstücks 13 angeordnet sein, welches in diesem Fall nicht mehr benötigt würde. Der Permanentmagnet muss auch nicht notwendigerweise eine zylindrische Form oder eine Ringform haben. Es genügt, wenn die Flussleitstücke 13 und 19 an die Form der Joche 11 und 12 bzw. die Form der Luftspalte angepasst sind. Die Welle 10 muss auch nicht notwendigerweise rotieren, sie muss für das Funktionieren des Kombilagers nicht einmal rotierbar sein (auch wenn hier - wie bei Elektromotoren üblich - von einem Rotor die Rede ist). In dem in 6 dargestellten Beispiel können auch die Positionen von Joch 11 und Joch 12 vertauscht sein (das axiale Joch 11 ist nicht notwendigerweise am Wellenende).
7 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel als perspektivische Schnittdarstellung. Das Beispiel aus 7 ist im Wesentlichen gleich wie das Beispiel aus 1-3 abgesehen von der zusätzlichen Kompensationsspule 23, welche (in z- Richtung betrachtet) neben dem radialen Joch 12 angeordnet ist. Um den Einfluss des magnetischen Streuflusses der axialen Aktorspule 21 auf den Vormagnetisierungsfluss B_BIAS im radialen Luftspalt δ_R1 zu minimieren, kann die zusätzliche Kompensationsspule 23 nahe dem radialen Joch 12 vorgesehen werden. Die Kompensationsspule 23 kann koaxial zur Welle 10 angeordnet sein. Diese wird so bestromt, dass im Luftspalt δ_R1 der magnetische Streufluss der axialen Aktorspule 21 durch den magnetischen Fluss der Kompensationsspule 23 nahezu aufgehoben wird. Einfach kann man das mittels einer Serienschaltung von Aktorspule 21 und Kompensationsspule 23 erreichen. Dies verringert die Kopplung des axialen auf den radialen Regelkreis, welche die axiale bzw. radiale Lage des Rotors R bzw. der Welle 10 regeln. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der 1-3 verwiesen.

Claims

Eine Vorrichtung zur Lagerung einer Welle (10); die Vorrichtung weist folgendes auf: mindestens einen Permanentmagneten (20), der mit der Welle (10) verbunden ist; einen Stator mit einem ersten Joch (11) und einem zweiten Joch (12) beide aus weichmagnetischem Material, wobei das erste Joch (11) eine Öffnung aufweist, in die die Welle (10) eingeführt ist, sodass zwischen dem ersten Joch (11) und einer Stirnfläche der Welle (10) oder eines damit verbundenen Elements ein axialer Luftspalt (δ_A) gebildet wird, wobei das erste Joch (11) derart geformt ist, dass zwischen dem ersten Joch (11) und einer Umfangsfläche der Welle (10) ein radialer Luftspalt (δ_R2) gebildet wird; und wobei das zweite Joch (12) derart angeordnet ist, dass zwischen der Umfangsfläche der Welle (10) und dem zweiten Joch (12) ein weiterer radialer Luftspalt (δ_R1) gebildet wird; eine erste Aktorspule (21), die an dem ersten Joch (11) angeordnet ist; und zwei oder mehr zweite Aktorspulen (22a-d), die an dem zweiten Joch (12) angeordnet sind, wobei der Permanentmagnet (20) relativ zu dem ersten Joch (11) und dem zweiten Joch (12) so positioniert ist, dass er sowohl einen magnetischen Vormagnetisierungsfluss in dem axialen Luftspalt (δ_A) als auch in dem weiteren radialen Luftspalt (δ_R1) erzeugt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Joch (11) und das zweite Joch (12) in axialer Richtung einen Abstand (δx) aufweisen,
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Joch (11) und das zweite Joch (12) beispielsweise über Stege miteinander verbunden sind.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Ende der Welle (10) in das erste Joch (11) eingeführt ist und der axiale Luftspalt (δ_A) zwischen einer Stirnfläche am Ende der Welle (10) oder eines mit der Welle verbundenen Elements und dem ersten Joch (11) gebildet wird.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Welle (10) durch das erste Joch (11) hindurch verläuft und der axiale Luftspalt (δ_A) zwischen einer Stirnfläche eines Wellenabsatzes, oder eines mit der Welle verbundenen Elements, und dem ersten Joch (11) gebildet wird.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 und 5, wobei das mit der Welle verbundene Element ein Permanentmagnet (20) ist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 und 5, wobei das mit der Welle verbundene Element ein Flussleitstück (19) ist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Permanentmagnet (20) in einer zentralen Öffnung der Welle angeordnet und in axialer Richtung magnetisiert ist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Permanentmagnet (20) um den Umfang der Welle herum verläuft.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Permanentmagnet (20) in axialer Richtung zwischen dem ersten Joch (11) und dem zweiten Joch (12) angeordnet ist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei erste Aktorspule (21) dazu ausgebildet ist, bei Bestromung der Spule einen magnetischen Fluss (B₂₁) im axialen Luftspalt (δ_A) zu erzeugen, welcher sich im axialen Luftspalt (δ_A) mit dem Vormagnetisierungsfluss (B_BIAS) überlagert.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zweiten Aktorspulen (22a-d) dazu ausgebildet sind, bei Bestromung der Spulen einen magnetischen Fluss (B₂₂) im weiteren radialen Luftspalt (δ_R1) zu erzeugen, weleher sich im weiteren radialen Luftspalt (δ_R1) mit dem Vormagnetisierungsfluss (B_BIAS) überlagert.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine oder mehrere Kompensationsspulen (23) nahe am zweiten Joch (12) angeordnet sind, die dazu ausgebildet sind, bei geeigneter Bestromung den magnetischen Streufluss der ersten Aktorspule (21) im radialen Luftspalt (δ_R1) zu verringern.