DE102021129684A1

DE102021129684A1 - Magnetische Entlastung von hydrodynamischen Lagern

Info

Publication number: DE102021129684A1
Application number: DE102021129684.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Rommelmann; Ulrich Dämgen; Peter Boldt
Original assignee: Boge Kompressoren Otto Boge GmbH and Co KG
Current assignee: Boge Kompressoren Otto Boge GmbH and Co KG
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2023-05-17

Abstract

In schnell-laufenden elektrisch angetriebenen 1-Wellen-Maschinen werden oft hydrodynamische Lager verwendet. Um die radiale Belastung der Lager zu verringern, werden die Magnetkräfte des elektrischen Antriebes genutzt, zum Beispiel durch gezielte Exzentrizität von Rotor und Stator des Antriebes, welche die übliche symmetrische Geometrie behalten. Diese Magnetkraftentlastung kann in bestimmten, für den Lager-Verschleiß kritischen Betriebszuständen gezielt vergrößert werden.

Description

In schnell-laufenden elektrisch unmittelbar (Elektromotor-Rotor ist Teil der Welle) angetriebenen 1-Wellen-Maschinen werden oft hydrodynamische Lager verwendet. In manchen Betriebssituationen geraten diese Lager in den Mischreibungsbereich, das ist durch Verschleiß lebensdauermindernd.
Zur Vermeidung von Mischreibung die Lagerkraft zu verringern, ist an sich nicht neu. Der Gedanke, eine magnetische radial auf eine Welle wirkende Kraft gezielt zu nutzen, um hydrodynamische Lager von der Gewichtskraft weitgehend zu entlasten, findet sich z.B. in JPH10213128, wo durch einen Permanentmagneten die Lagerkraft verringert wird. Man kann hier auch von einem weitgehenden Ausgleich der Lagerbelastung sprechen.
Es ist auch nicht neu, die Magnetkräfte des elektrischen Antriebes dazu zu nutzen, um die Lastkräfte auszugleichen, z.B. in DE000003523344A1 , dies in diesem Beispiel allerdings in der Form einer aktiven Magnetlagerung, wo die Magnetkraft geregelt wird, um die Rotorlage in die Sollposition zu bringen. Auch die Verknüpfung von einem hydrodynamisch arbeitenden Folienlager und einem aktiven Magnetlager ist bekannt, z.B. in US000008531071 B2 und US000006770993B1 . Dabei fällt allerdings ein erheblicher Aufwand für die Magnetlager-Regelung an.
Anwendungsbereiche solcher elektrisch angetriebenen 1-Wellen-Maschinen sind vielfältig, wie in den genannten Patentschriften angedeutet, beispielsweise Zentrifugen, Schwungrad-Energiespeicher, Geräte zur Gasverdichtung oder rotierende Spiegel.
Üblicherweise werden in elektrischen Antrieben für rotierende Wellen die Bauteile „Stator des elektrischen Antriebes“, das sind die nicht bewegten Teile des elektrischen Antriebes wie Magnete, Magnetspulen und deren Befestigung, sowie „Rotor des elektrischen Antriebes“ - das sind die mit der Welle rotierenden Bauteile wie Magnete usw. - symmetrisch zur Drehachse der Welle aufgebaut, insbesondere meist rotationssymmetrisch.
In rotierenden elektrischen Motoren ist die Wirkung von ungewollter Exzentrizität von Rotor und Stator bekannt - höherer Magnetfluss herrscht dort, wo der Luftspalt zwischen Rotor und Stator klein ist, in der Summe der Magnetkräfte gibt es eine Radialkraft auf den Rotor zu der Engstelle hin.
Nun wurde dieser Gedanken weiter entwickelt, eine hydrodynamische Lagerung durch Magnetkräfte des elektrischen Antriebes zu entlasten. Diese Entlastung empfiehlt sich besonders bei schnelldrehenden Wellen von über 10000 U/min, wo die sonst im Maschinenbau üblichen Wälzlager Lebensdauerprobleme haben und bei 1-Wellen-Anordnungen, mit allen Leistung übertragenden Bauteilen wie z.B. Pumpenlaufrädern auf dieser Welle (ohne Verbindung über z.B. Zahnräder mit anderen Wellen), wo insbesondere Gewichts- und Massenkräfte sowie Schwingungsprobleme zu kurzer Bauweise mit kleinen Lagern drängen.
Üblich sind bei einem Elektroantrieb möglichst radial und axial ausgeglichene Magnetkräfte, so dass nur Drehmoment und keine Axial- oder Radialkraft auf den Rotor ausgeübt wird. Aber bei geplanter exzentrischer Lage des Rotors im Stator des elektrischen Antriebs, wobei Rotor und Stator die übliche symmetrische Form haben, gibt es an der Eng-Stelle im Luftspalt zwischen Rotor und Stator eine stärkere Anziehungskraft. In der Summe der Magnetkräfte ergibt sich (außer dem Drehmoment) eine Radialkraft auf den Rotor zu der Engstelle hin. Wenn, wie bei hoher, übersynchroner (> 3000 U/min) Drehzahl heute üblich, der Antrieb über einen Frequenzumrichter erfolgt, kann die Stärke dieser Radialkraft auf den um Millimeterbruchteile exzentrisch zum Stator angeordneten Rotor dadurch beeinflusst werden, dass die effektive Spannung auf die Stator-Magnetspulen in bestimmten Betriebsbereichen höher als für die Drehmomenterzeugung nötig gehalten wird. Die Stator-Spulen magnetisieren den Stator stärker und die magnetische Radialkraft wird größer. Dies kann bevorzugt erfolgen, wenn Mischreibung droht, z.B. wenn die Belastung der Lager besonders hoch ist.
Auch denkbar ist ein Einsatz der entlastenden Radial-Magnetkraft bei geringer Drehzahl, bei Start oder Auslauf. Dadurch, dass bei verstärkter Magnetkraft im Stator mehr Strom durch die Antriebsmagnetspulen fließt, sind die Spulen dort mehr von Erwärmung betroffen. Das spricht dafür, diese Radialkraft zwecks Vermeidung von Übertemperatur bevorzugt nur in Betriebszuständen zu erzeugen, wo die Spulen nicht unter voller Stromstärke stehen, insbesondere nur in Teil- (Drehmoment-) last.
Die Entlastung kann bei verschiedensten Arten von hydrodynamischen Lagern erfolgen, z.B. klassischen ölgeschmierten Buchsenlagern, Kippsegmentlagern, sogenannten „herringbone-bearings“ (ähnlich Spiralrillenlagern), Luftlagern oder Wasserlagern, ggf. auch mit Folien oder lokaler Druck-Fluidzufuhr darin.
In einer weiteren Ausführung des Gedankens der magnetischen Entlastung eines hydrodynamischen Lagers ist eine ungleiche Bestromung der geometrisch und elektrisch symmetrischen Stator-Spulen durch den Frequenzumrichter zwecks Erzeugung von Radialkraft möglich, indem z.B. bei horizontaler Welle der oberen radialen Antriebsspule mehr Strom zugeführt wird, um die Gewichtskraft auszugleichen, ggf. auch ohne eine Exzentrizität des Rotors zum Stator.
Die Anordnung der hydrodynamischen Lager kann beliebig sein. Bei der meist verbreiteten Anordnung mit dem Elektroantrieb in der Mitte einer horizontalen Welle, den hydrodynamischen Radial-Lagern links und rechts davon, eines davon auch axial führend, und überhängendem Wellenende, auf dem z.B. ein Pumpenlaufrad angeordnet ist, kann eine radiale Magnetkraft aus dem Antrieb beide hydrodynamischen Lager von Gewichtskraft entlasten, oder im Fall einer Radialkraft auf das Pumpenlaufrad das über die Hebelwirkung stärker hiervon belastete hydrodynamische Lager. Ein nicht mittig zwischen den Lagern befindlicher Angriff der Entlastungs-Radialkraft ist dann hilfreich.
Falls das Auftreten der störenden Radialkraft an z.B. dem Pumpenlaufrad am Wellenende mit messbaren Druck- oder Drehmomentänderungen verknüpft ist, kann die Steuerung der Radialkraft solche Messwerte zu einer Magnetkraft-Entlastung im Takt der störenden Kraftbelastung nutzen. In einer Erweiterung dieses Gedankens kann die Magnetkraft-Entlastung der hydrodynamischen Lager auch axial wirken.
Die magnetische Entlastung soll einen erheblichen Anteil der Lagerkraft kompensieren, aber anders als in aktiven Magnetlagern nicht zu 100 %; auch eine Sensorik oder ein Regelkreis ist überflüssig. Für die Stabilität von hydrodynamischen Lagern (Stichwort „oil-whip“ bei zu geringer Belastung von Turbinenlagern) ist eine Restbelastung von etwa 20 % (+/- 10%) hilfreich.
In schnell-laufenden elektrisch angetriebenen 1-Wellen-Maschinen werden oft hydrodynamische Lager verwendet. Um die radiale Belastung der Lager zu verringern, werden erfindungsgemäß die Magnetkräfte des elektrischen Antriebes genutzt, zum Beispiel durch gezielte Exzentrizität von Rotor und Stator des Antriebes, welche die übliche symmetrische Geometrie behalten. Diese Magnetkraftentlastung kann in bestimmten, für den Lager-Verschleiß kritischen Betriebszuständen gezielt vergrößert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 000003523344 A1 [0003]
US 000008531071 B2 [0003]
US 000006770993 B1 [0003]

Claims

Verfahren, bei dem eine elektrisch unmittelbar angetriebene Welle in einer Maschine in hydrodynamischen Lagern geführt wird und bei dem die Belastung mindestens eines hydrodynamischen Lagers dadurch verringert wird, dass die Magnetkräfte des Antriebes so erzeugt, insbesondere gesteuert erzeugt werden, dass mindestens in einem der hydrodynamischen Lager die zu tragende radiale Kraft verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lagerkraftverringerung durch Exzentrizität der Wellendrehachse zur Symmetrieachse des Stators (das ist die Summe der nicht bewegten Teile des elektrischen Antriebs) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Verringerung der in einem hydrodynamischen Lager zu tragenden Kraft mit üblicher Bauweise des Elektroantriebes, mit symmetrischem Aufbau von jeweils Rotor und Stator erfolgt.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Verringerung der in einem hydrodynamischen Lager zu tragenden Kraft nur in bestimmten Betriebszuständen erfolgt, insbesondere in Zuständen, wo ohne diese Verringerung verstärkt Mischreibung auftritt, insbesondere in Zuständen mit besonders hoher Belastungskraft.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Gewichtskraft des Rotors weitgehend ausgeglichen wird, insbesondere in radialer Richtung.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Lagerkraftverringerung nur in Betriebsbereichen erfolgt, wo der Antrieb weniger als sein MaximalDrehmoment aufbringt.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche in einem Gerät zur Verdichtung von Fluiden, insbesondere wobei die betrieblich vorgesehene, maximale Drehzahl des Rotors mehr als 10 000 U/min, insbesondere mehr als 25 000 U/min beträgt.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Lagerkraftverringerung bei Start aus dem Stillstand oder Auslauf bis zum Stillstand erfolgt, insbesondere im Bereich mit einer Drehzahl unter 25% der betrieblich vorgesehenen Maximaldrehzahl.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Lagerkraftverringerung durch die Steuerung eines im Elektroantrieb eingebauten Frequenzumrichters erfolgt, durch hierdurch bewirkten überdurchschnittlichen Strom in denjenigen Magnet-Spulen des Stators, die eine magnetische Zugkraft auf den Rotor entgegen der Lager-Belastungsrichtung ausüben.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die in einem hydrodynamischen Lager zu tragende Kraft um 50% bis 120%, insbesondere 70% bis 90% verringert wird.