DE102022113082A1

DE102022113082A1 - Antriebseinheit für einen Spinnrotor einer Rotorspinnvorrichtung

Info

Publication number: DE102022113082A1
Application number: DE102022113082.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Josef Pröll; Peter Dirnberger
Original assignee: Maschinenfabrik Rieter AG
Current assignee: Maschinenfabrik Rieter AG
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit (6) für einen Spinnrotor (2) einer Rotorspinnvorrichtung mit einem Rotorschaft (10), einem elektromagnetischen Antrieb (30) zum Erzeugen eines auf den Rotorschaft (10) wirkenden Drehmoments, wenigstens einer elektromagnetischen Lagereinheit (1) zum Lagern des Rotorschafts (10) und einer Steuerung (7). Erfindungsgemäß ist der Antrieb (30) zum Erzeugen von zumindest radialen Lagerkräften auf den Rotorschaft (10) ausgebildet, wobei die Steuerung (7) ausgebildet ist, Ströme in einer Spulenanordnung (3) des Antriebs (30) derart zu regeln, dass auf den Rotorschaft (10) sowohl Lagerkräfte als auch Drehmomente wirken. Außerdem ist die wenigstens eine Lagereinheit (1) zum kombinierten radialen und axialen Lagern des Spinnrotors (2) ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Spinnrotor einer Rotorspinnvorrichtung mit einem Rotorschaft, einem elektromagnetischen Antrieb zum Erzeugen eines auf den Rotorschaft wirkenden Drehmoments, wenigstens einer elektromagnetischen Lagereinheit zum Lagern des Rotorschafts und einer Steuerung.
Aus dem Stand der Technik sind seit langem elektromagnetische Antriebe und Lagerungen für Spinnrotoren in Rotorspinnmaschinen bekannt. In einer Rotorspinnmaschine werden in einem bei sehr hohen Drehzahlen rotierenden Rotortopf Textilfasern zu einem Garn versponnen. Der Rotortopf ist beispielsweise mit einem Rotorschaft verbunden und bildet den Spinnrotor. Spinnrotoren in modernen Offenend-Rotorspinnmaschinen werden mit bis zu 200.000 Umdrehungen pro Minute betrieben. Die Rotortöpfe können einen Durchmesser von mehr als 20 Millimeter und bis zu über 40 Millimeter haben. Beim Betrieb der Spinnrotoren wirken sehr hohe Kräfte auf den Rotortopf und die Lagerung des Spinnrotors. Eine stabile und störungsfreie Lagerung der Spinnrotoren ist besonders wichtig, um einerseits einen möglichst gleichmäßigen Faden erzeugen zu können und andererseits einen sicheren und störungsfreien Betrieb der Spinnvorrichtung gewährleisten zu können. Bei den hohen Drehzahlen des Spinnrotors tritt bei mechanischen Lagern und Antrieben eine erhöhte Reibung und damit ein erhöhter Verschleiß und Verlust von Antriebsenergie auf. Bei elektromagnetischen Antrieben und Lagerungen wird dieses Problem reduziert. Der Spinnrotor schwebt hierbei während des Spinnprozesses beispielsweise in der elektromagnetischen Lagerung. Der Spinnrotor kann dabei als Rotor eines Elektromotors ausgebildet sein. Es ist bekannt, beispielsweise zwei radiale Lagerelemente mit einem axialen Lagerelement zu kombinieren. Ebenfalls ist beispielsweise bekannt, ein radiales Lagerelement mit einem Kombinationslager zu kombinieren, das ausgebildet ist, sowohl axiale als auch radiale Lagerkräfte zu erzeugen. Allen bekannten Vorrichtungen ist gemeinsam, dass elektromagnetische Antriebs- und Lagervorrichtungen für Spinnrotoren relativ komplex und dadurch kostspielig sind.
Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beseitigen, insbesondere die Wirtschaftlichkeit einer Antriebseinheit mit einer elektromagnetischen Lagerung für einen Spinnrotor zu steigern.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebseinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
Vorgeschlagen wird eine Antriebseinheit für einen Spinnrotor einer Rotorspinnvorrichtung mit einem Rotorschaft, einem elektromagnetischen Antrieb zum Erzeugen eines auf den Rotorschaft wirkenden Drehmoments, wenigstens einer elektromagnetischen Lagereinheit zum Lagern des Rotorschafts und einer Steuerung. Erfindungsgemäß ist der Antrieb zum Erzeugen von zumindest radialen Lagerkräften auf den Rotorschaft ausgebildet, wobei die Steuerung ausgebildet ist, Ströme in einer Spulenanordnung des Antriebs derart zu regeln, dass auf den Rotorschaft sowohl Lagerkräfte als auch Drehmomente wirken. Außerdem ist die wenigstens eine Lagereinheit zum kombinierten radialen und axialen Lagern des Spinnrotors ausgebildet.
Durch den Antrieb, der ausgebildet ist, radiale Lagerkräfte auf den Rotorschaft auszuüben, kann eine zusätzliche radiale Lagerung des Rotors eingespart werden. Die gesamte Spinneinheit einer Spinnstelle einer Spinnmaschine kann damit kompakter und kostengünstiger hergestellt werden. Ebenfalls kann im Gegensatz, beispielsweise zur Verwendung eines zusätzlichen passiven Lagers, die Position des Rotorschafts an einer weiteren Stelle aktiv geregelt werden.
Ein derartiger Antrieb wird beispielsweise ebenfalls als lagerloser Motor (engl. bearingless drive) bezeichnet, wobei hier entscheidend ist, dass die Lagerwirkung des Antriebs nicht durch eine mechanische Lagerung erreicht wird. In der Praxis dienen solche lagerlosen Motoren meist dem Antrieb scheibenförmiger Rotoren, da in diesem Fall die Anforderungen an eine axiale Stabilisierung niedrig sind. Durch die vorliegende Verwendung der zusätzlichen Lagereinheit kann diese Limitierung aber überwunden werden.
Die Lagereinheit, die ein kombiniertes radiales und axiales Lagern des Spinnrotors erlaubt, wird im Folgenden auch Kombilager genannt. Die Funktion des Kombilagers wird beispielsweise von verschieden ausgerichteten Aktorspulen gewährleistet, die radiale bzw. axiale Kräfte auf den Rotorschaft ausüben. Die axiale Richtung ist hierbei die Richtung parallel zu einer Längs- bzw. Drehachse des Rotorschafts. Die radiale Richtung bzw. die radialen Richtungen sind die Richtungen senkrecht zur axialen Richtung. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit dient dem Antrieb und der Lagerung eines Spinnrotors. Sie kann daher auch als Antriebs- und Lagereinheit oder System zum Antreiben und Lagern eines Spinnrotors bezeichnet werden.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn der Antrieb als permanenterregter Synchronmotor (PMSM) ausgebildet ist, wobei der Rotorschaft eine Permanentmagnetanordnung aufweist. Ein permanenterregter Synchronmotor eignet sich besonders für eine schwebende Lagerung eines Rotorschafts eines Spinnrotors. Er ist einerseits wartungsarm und andererseits mit einer entsprechenden Spulenanordnung und Steuerung in der Lage, Lagerkräfte auf den Rotorschaft auszuüben.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn die Spulenanordnung des Antriebs mehrere um den Rotorschaft angeordnete Magnetspulen aufweist, wobei die Magnetspulen eine kombinierte Wicklung oder getrennte Wicklungen zur separaten Erzeugung von Lagerkräften und Drehmomenten aufweisen. Die Statorwicklungen in der Spulenanordnung des Antriebs können getrennte Wicklungen zum Erzeugen eines Drehmoments, das auf den Rotorschaft wirkt, und Wicklungen zum Erzeugen von Lagerkräften sein. Oder es kann eine kombinierte Wicklung vorliegen, die durch eine Überlagerung der Ströme sowohl Drehmomente als auch Lagerkräfte erzeugen kann. Getrennte Wicklungen sind einfacher zu steuern, aber aufwändiger in der Umsetzung. Bei einer kombinierten Wicklung ist der Aufwand für die Steuerung höher. Die Magnetspulen können beispielsweise konzentrisch um den Rotorschaft angeordnet sein.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn der Antrieb eine Toroidwicklung aufweist, wobei Drähte der Magnetspulen des Antriebs auf einer Oberfläche eines gedachten, konzentrisch zum Rotorschaft angeordneten, Toroids angeordnet sind. Eine derartige Toroidwicklung hat den hauptsächlichen Vorteil, dass bei hohen Drehzahlen, die ja beim Rotorspinnen vorliegen, geringere Verluste auftreten als bei anderen Wicklungsarten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Lagereinheit ausgebildet, eine radiale Position des Rotorschafts aktiv zu regeln, wobei eine axiale Positionierung des Rotorschafts passiv erfolgt. Alternativ ist die Lagereinheit ausgebildet sowohl die radiale als auch eine axiale Position des Rotorschafts aktiv zu regeln. Bei der ersten Alternative können entsprechende elektronische Bauteile für eine aktive Regelung der axialen Position eingespart werden, womit eine Kostenreduktion entsteht. Eventuell muss hier eine niedrigere axiale Steifigkeit des Rotors in Kauf genommen werden. Bei der zweiten Alternative ist die axiale Stabilität größer, allerdings ist der Regelungsaufwand ebenfalls größer. Mit einer aktiven Positionsregelung ist hier gemeint, dass die Position des Rotorschafts in der jeweiligen Richtung ermittelt und bei Abweichung von einer Sollposition das Magnetfeld derart verändert wird, dass der Rotorschaft zurück in die Sollposition bewegt wird. Bei einer passiven Positionierung verbleibt der Rotor am Ort der minimalen Energie eines nicht durch Regelungseingriffe veränderten Magnetfeldes, solange nicht zu große Kräfte auf ihn wirken. Der lagerlose Motor kann ebenfalls bei einer aktiven Regelung der radialen Position des Rotorschafts mitwirken.
Vorteile bringt es zudem mit sich, wenn die Lagereinheit einen Stator mit einem ersten, axialen Joch und einem zweiten, radialen Joch umfasst, wobei das erste Joch eine erste Aktorspule und eine erste Öffnung mit einem ersten Durchmesser aufweist, in welcher ein sich radial zu einer Achse des ersten Jochs hin erstreckender Absatz angeordnet ist, das zweite Joch zumindest zwei zweite Aktorspulen und eine zweite Öffnung mit einem zweiten Durchmesser aufweist und das erste Joch und das zweite Joch in axialer Richtung voneinander beabstandet sind. Das erste Joch dient insbesondere der axialen Lagerung des Rotorschafts, wobei das zweite Joch zumindest teilweise der radialen Lagerung des Rotorschafts dient. Durch diese Anordnung kann die Lagereinheit einerseits sehr kompakt ausgeführt werden. Andererseits wird eine zuverlässige radiale und axiale Lagerung des Rotorschafts erreicht. Die verschiedenen Aktorspulen erlauben eine unabhängige Regelung der axialen und radialen Positionen des Rotorschafts.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Rotorschaft einen ersten und einen zweiten Schaftdurchmesser und mindestens einen zwischen dem ersten und zweiten Schaftdurchmesser angeordneten Permanentmagneten aufweist und ausgehend von dem ersten Schaftdurchmesser des Rotorschafts an einer Seite des Permanentmagneten eine sich radial zu einer Achse des Rotorschafts hin erstreckende Stirnfläche aufweist. Die unterschiedlichen Schaftdurchmesser des Rotorschafts ermöglichen einerseits eine kompakte Ausführung der Lagereinheit und andererseits eine ausreichend stabile Ausführung des Rotorschafts, so dass dieser die hohen Anforderungen durch die entstehenden Kräfte bei Beschleunigung und Lageveränderungen erfüllen kann.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn der erste Durchmesser der ersten Öffnung größer als der erste Schaftdurchmesser ist, so dass zwischen der ersten Öffnung und dem Rotorschaft ein radialer Luftspalt gebildet ist. Die Stirnfläche des Rotorschafts wirkt mit dem Absatz des ersten Jochs vorteilhafterweise so zusammen, dass zwischen der Stirnfläche und dem Absatz ein axialer Luftspalt gebildet ist. Der zweite Durchmesser der zweiten Öffnung ist vorzugsweise größer als der zweite Schaftdurchmesser, so dass zwischen der Umfangsfläche des Rotorschafts und dem zweiten Joch ein weiterer radialer Luftspalt gebildet ist. Der Permanentmagnet des Rotorschafts ist insbesondere zwischen dem ersten Joch und dem zweiten Joch angeordnet, so dass er sowohl einen magnetischen Vormagnetisierungsfluss in dem axialen Luftspalt des ersten Jochs als auch in dem weiteren radialen Luftspalt des zweiten Jochs erzeugt. Die Lagereinheit ist durch diesen Aufbau besonders energieeffizient und platzsparend. Außerdem stützt sie den Rotor radial und axial auch bei größeren Kräften, die gegen das Verbleiben des Rotors in der Idealposition wirken.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der erste Schaftdurchmesser gleich oder kleiner dem zweiten Schaftdurchmesser und/oder kleiner als der Durchmesser der zweiten Öffnung ist. Hierdurch ist es möglich, dass der Rotorschaft zumindest von einer Seite aus in die Lagereinheit eingeführt und wieder daraus entnommen werden kann. Dies erleichtert die Montage und Demontage des Rotorschafts und führt damit zu einer kostengünstigen und wartungsfreundlichen Spinnrotor-Lagerung.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Stirnfläche den Rotorschaft axial abschließt oder den Durchmesser des Rotorschafts auf den ersten Schaftdurchmesser verkleinert. Wenn die Stirnfläche den Rotorschaft axial abschließt, endet der Rotorschaft an dieser Stelle. Er befindet sich damit innerhalb der Lagereinheit. Auch die Lagereinheit kann damit an dieser Stelle abgeschlossen sein, wodurch die Gefahr einer Verschmutzung reduziert ist. Verkleinert sich der Durchmesser des Rotorschafts an der Stirnfläche lediglich, so ist es möglich, dass der Rotorschaft durch die Lagereinheit hindurch verläuft und nach der Lagereinheit fortgesetzt ist. Damit kann die Lagereinheit am Ende des Rotorschafts oder an einer Stelle entlang des Rotorschafts angeordnet sein.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn das erste Joch und das zweite Joch, insbesondere über Stege, miteinander verbunden sind. Die magnetische Vorspannung, welche die Lagereinheit auf den Rotorschaft aufbringt, kann hierdurch noch verstärkt werden. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn Polschenkel des zweiten Jochs im Bereich der Öffnung für den Rotorschaft mit dünnen, beispielsweise 0,5 bis 1 mm breiten Sättigungsstegen miteinander verbunden sind. Diese Sättigungsstege, welche benachbarte Polschenkel miteinander verbinden, bewirken, dass Wirbelstromverluste im Rotor minimiert werden, da die Flussdichteverteilung im Luftspalt zwischen Stator und Welle homogener wird. Die Sättigungsstege sind direkt an dem Spalt zwischen den Polschenkeln und dem in der Öffnung befindlichen Rotorschaft angeordnet.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Rotorschaft am Absatz des ersten Jochs endet oder durch das erste Joch hindurch verläuft. Sowohl für die Krafteinleitung in den Rotorschaft in axialer und radialer Richtung, als auch für den Aufbau der gesamten Baueinheit inklusive des Antriebs des Rotors und der Anordnung der Baueinheit in einer Spinneinheit einer Spinnmaschine ist dies von Vorteil. Alternativ, wenn der Rotorschaft durch das erste Joch hindurch verläuft, kann die Lagereinheit beispielsweise auch in der Nähe des Rotortopfes, in welchem der Faden gebildet wird, angeordnet sein. Während sich in der ersten Alternative der Antrieb des Spinnrotors zwischen der Lagereinheit und dem Rotortopf befindet, ist bei dieser zweiten Alternative der Antrieb des Spinnrotors auf der Seite der Lagereinheit angeordnet, welche dem Rotortopf gegenüberliegt. Dies kann beispielsweise für die Anbringung von Sensoren zur Feststellung der aktuellen Lage des Spinnrotors von Vorteil sein.
Vorteile bringt es zudem mit sich, wenn der erste und/oder zweite Schaftdurchmesser des Rotorschafts mit einem mit dem Rotorschaft verbundenen Element, insbesondere dem Permanentmagnet und/oder einem Flussleitstück ausgebildet ist. Hierdurch ist der Aufbau des Rotorschafts besonders einfach zu gestalten. Der Permanentmagnet und/oder das Flussleitstück bilden den jeweils erforderlichen Schaftdurchmesser und ermöglichen damit eine konstruktiv und fertigungstechnisch einfache Gestaltung des Rotorschafts.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn die Stirnfläche von dem mit dem Rotorschaft verbundenen Element gebildet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Stirnfläche aus einem für den Magnetfluss besonders günstigen Material hergestellt ist, welches sich von dem übrigen Material des Rotorschafts unterscheidet. Dadurch kann die Lageregelung des Rotors in axialer Richtung besonders vorteilhaft umgesetzt werden.
Vorteile bringt es zudem mit sich, wenn der Permanentmagnet in axialer Richtung magnetisiert ist und in einer zentralen Öffnung des Rotorschafts angeordnet ist oder um den Umfang des Rotorschafts herum verläuft. Durch die Anordnung des Permanentmagneten in einer zentralen Öffnung des Rotorschafts ist die Befestigung des Permanentmagneten an dem Rotorschaft besonders einfach und stabil möglich. Ist der Permanentmagnet um den Umfang des Rotorschafts herum angebracht, so ist dies bei manchen Ausführungen hinsichtlich der Anordnung der Lagereinheit in Bezug auf die axiale Position des Rotorschafts von Vorteil.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Kompensationsspule koaxial zur ersten Aktorspule, insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Joch angeordnet ist, um bei geeigneter Bestromung den magnetischen Streufluss der ersten Aktorspule im radialen Luftspalt zu verringern. Hierdurch kann eine bessere Entkopplung von Axialkraft- und Radialkrafterzeugung in der Lagereinheit erzielt werden.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn dem Rotorschaft ein Positionssensor zugeordnet ist zur Ermittlung der axialen und/oder radialen Position des Rotorschafts in Bezug auf die Lagereinheit. Der Positionssensor ist dabei insbesondere in der Lage, die aktuelle Position des Rotorschafts zu ermitteln, indem er beispielsweise den Abstand zu einer definierten Fläche des Spinnrotors misst. Die damit erzeugten Signale können zur Regelung einer geeigneten Position des Rotorschafts durch den Antrieb in radialer Richtung und die Lagereinheit in axialer und/oder radialer Richtung genutzt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

1 einen Spinnrotor mit einer Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit,
2 ein weiteres Beispiel eines Spinnrotors mit einer Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit,
3 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels einer Lagereinheit der Antriebseinheit,
4 eine Querschnittsdarstellung der Lagereinheit der 3,
5 Magnetfeldlinien für die Lagereinheit aus 4,
6 ein aus dem Spulenstrom in einer axialen Aktorspule der Lagereinheit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit resultierendes Magnetfeld,
7 ein aus dem Spulenstrom in den radialen Aktorspulen der Lagereinheit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit resultierendes Magnetfeld,
8 eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Lagereinheit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit, und
9 ein weiteres Beispiel einer Lagereinheit der Antriebseinheit mit einer zusätzlichen Kompensationsspule.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden für in den verschiedenen Figuren jeweils identische und/oder zumindest vergleichbare Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet. Die einzelnen Merkmale, deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise werden meist nur bei ihrer ersten Erwähnung ausführlich erläutert. Werden einzelne Merkmale nicht nochmals detailliert erläutert, so entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und Wirkweise der bereits beschriebenen gleichwirkenden oder gleichnamigen Merkmale.
Eine Antriebs- und Lagereinheit gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen kann einen Läufer (z. B. eines Elektromotors) berührungsfrei lagern, indem in einer Lagereinheit 1 Lagerkräfte (elektromagnetische Kräfte) sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung erzeugt werden. Zusammen mit dem Lagerkräfte erzeugenden Antrieb 30 ist es dadurch möglich, den Läufer vollständig berührungslos zu lagern. Der Läufer ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Rotorschaft 10 eines Spinnrotors 2. Die Lagereinheit 1, eine 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 Rotorschafts 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.
1 zeigt einen Spinnrotor 2 mit einer Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 6 mit einer als Kombilager ausgebildeten Lagereinheit 1. Die Antriebseinheit 6 umfasst einen Antrieb 30, der in diesem Beispiel in einem mittleren axialen Bereich des Rotorschafts 10 des Spinnrotors 2 angeordnet ist. Der Antrieb 30 ist ausgebildet, sowohl ein Drehmoment als auch zumindest radiale Lagerkräfte auf den Rotorschaft 10 auszuüben. Zusammen mit dem Kombilager 1 wird der Spinnrotor 2 durch den Antrieb 30 im Betrieb stabil und freischwebend gelagert. Der Antrieb 30 des Spinnrotors 2 umfasst eine stationär angeordnete Spulenanordnung 3 und eine Permanentmagnetanordnung 4. Die Spulenanordnung 3 ist stationär in einem Gehäuse 29 befestigt, während die Permanentmagnetanordnung 4 in dem Rotorschaft 10 befestigt ist. Im Betrieb des Antriebs 30 des Spinnrotors 2 werden elektromagnetische Felder erzeugt, welche den Rotorschaft 10 mit seiner Permanentmagnetanordnung 4 berührungslos innerhalb der Spulenanordnung 3 in Drehung versetzen. Es werden damit Drehgeschwindigkeiten des Rotorschafts 10 und damit des Spinnrotors 2 bis zu etwa 200.000 Umdrehungen pro Minute erzeugt.
Außerdem werden in der Spulenanordnung 3 weitere elektromagnetische Felder bzw. Komponenten von elektromagnetischen Feldern erzeugt, die eine zumindest radiale Lagerung des Rotorschafts 10 bewirken. Die hierzu notwendigen Ströme bzw. Stromkomponenten durch die Spulenanordnung 3 werden von einer Steuerung 7 geregelt (siehe unten).
Die Wicklungen der Spulenanordnung 3 können gemeinsame Wicklungen sein, durch die sowohl Stromkomponenten für den Antrieb als auch für die Lagerung des Rotorschafts 10 fließen. Die Spulenanordnung 3 kann aber ebenfalls getrennte Wicklungen zum Erzeugen des Drehmoments als auch zum Erzeugen der Lagerkräfte aufweisen. Die Spulenanordnung 3 kann als Toroidwicklung ausgebildet sein, wobei Drähte der Spulenanordnung 3 auf einer Oberfläche eines gedachten, konzentrisch zum Rotorschaft 10 angeordneten, Toroids angeordnet sind. Es ist denkbar, dass durch eine entsprechende Anpassung der Permanentmagnetanordnung 4, der Spulenanordnung 3 und der Steuerung 7, der Antrieb 30 ebenfalls ausgebildet ist, zumindest stabilisierend wirkende axiale Kräfte zu erzeugen. Hierzu ist die Permanentmagnetanordnung 4 beispielsweise in verschiedene Bereiche eingeteilt, die einerseits die Erzeugung von radialen und andererseits die Erzeugung von axialen Kräften erlauben.
An dem der Lagereinheit 1 abgewandten Ende des Rotorschafts 10 ist an dem Rotorschaft 10 ein Rotortopf 5 angeordnet. In den Rotortopf 5 werden im Betrieb der Spinneinrichtung einzelne Fasern eingespeist, welche durch die hohe Drehzahl des Spinnrotors 2 an die innere Wand des Rotortopfs 5 gepresst und über die zentrale Achse des Spinnrotors 2 als gedrehter Faden abgezogen werden. Hierdurch können insbesondere beim Anspinnen des Fadens Unwuchten entstehen, die durch die Antriebseinheit 6 ausgeglichen werden müssen.
Um einen stabilen Lauf des Spinnrotors 2 zu gewährleisten, ist der Rotorschaft 10 des Spinnrotors 2 durch die Lagereinheit 1 und den als radiales Lager wirkenden Antrieb 30, abgestützt. Die Steuerung 7 bewirkt eine Bestromung der Spulenanordnung 3, so dass sowohl ein Drehmoment als auch eine zumindest radial wirkende Lagerkraft auf den Rotorschaft 10 wirken.
2 zeigt ein weiteres Beispiel eines Spinnrotors 2 mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit 6. Die Ausführung der Lagereinheit 1 und des Antriebs 30 entspricht im Wesentlichen der Ausführung der 1. Die Lagereinheit 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel nahe am Rotortopf 5 angeordnet. Ein Positionssensor 28 misst den Abstand zu einem Bund 27 am Rotortopf 5. Auf dem Rotorschaft 10 sind ringförmige Flusskonzentratoren 13 und 19 sowie ein ringförmiger Permanentmagnet 20 angeordnet, welche mit einem axialen Joch 11 und einem radialen Joch 12 korrespondieren. Im Anschluss an die Lagereinheit 1 folgt der Antrieb 30 des Rotorschafts 10 mit der Spulenanordnung 3 und der Permanentmagnetanordnung 4. Die Positionen der Lagereinheit 1 und des Antriebs 30 sind also im Gegensatz zur Anordnung der 1 vertauscht. Durch die Abstimmung der Durchmesser des Rotorschafts 10 mit den Öffnungen des Jochs 11 und des Jochs 12 sowie den weiteren Durchgängen im Bereich der Spulenanordnung 3 des Antriebs 30 des Rotorschafts 10 ist es auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass der Spinnrotor 2 aus der Spinnrotor-Lagerung entnommen werden kann, ohne dass Montagearbeiten erforderlich sind. Die Anordnungen der 1 und 2 sind im Prinzip gleichwertig. Eine Auswahl kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Geometrie der Spinnstelle getroffen werden, in die die Antriebseinheit 6 eingebaut wird.
An dem Schaftdurchmesser d_S1 des Rotorschafts 10 sind mit dem Rotorschaft 10 verbundene Elemente, hier der Permanentmagnet 20 und die beiden Flussleitstücke bzw. Flusskonzentratoren 13 und 19 angeordnet und vergrößern damit den Rotorschaft 10 auf den Schaftdurchmesser d_S2. Die Stirnfläche 18, welche mit dem ersten, axialen Joch 11 zusammenwirkt, wird dementsprechend von einem dieser Elemente, hier dem Flusskonzentrator 19 gebildet.
Die Lagereinheit 1 der Antriebseinheit 6 ist beispielsweise in den 3 und 4 näher dargestellt, wobei 3 eine perspektivische Darstellung und 4 ein zugehöriger Querschnitt durch die xz-Ebene ist. Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung umfasst einen die Lagereinheit 1 bildenden Stator und den als Läufer ausgebildeten Rotorschaft 10. Der Stator kann an oder in einem Gehäuse 29 in einer Spinnstelle einer Rotorspinnvorrichtung angeordnet sein. Der Rotorschaft 10 kann z. B. die Motorwelle eines Elektromotors sein, mit dem der Spinnrotor 2 angetrieben wird. Der Stator umfasst sämtliche nicht-rotierenden Teile, die der Erzeugung und Führung des magnetischen Flusses dienen. Gleichermaßen umfasst der Läufer den rotierenden Rotorschaft 10 als solchen und jene damit verbundenen Teile, die der Erzeugung und Führung des magnetischen Flusses dienen und die mit dem Rotorschaft 10 mitrotieren.
Die Lagereinheit 1 weist mindestens einen Permanentmagneten 20 auf, der in oder an dem Rotorschaft 10 montiert ist und mit diesem mitrotiert. Der Permanentmagnet 20 wird daher auch als Rotormagnet bezeichnet. In dem in 4 dargestellten Beispiel ist der Permanentmagnet 20 in einer zentralen Öffnung 15, z. B. koaxial zur Drehachse, am Wellenende des Rotorschafts 10 angeordnet. Der Rotorschaft 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. Der Rotorschaft 10 kann in manchen Anwendungen als Hohlwelle ausgeführt sein. Der Permanentmagnet 20 kann in axialer Richtung magnetisiert sein. In 4 ist die Magnetisierung des Permanentmagneten 20 durch Pfeile symbolisiert.
Gemäß 4 ist der Permanentmagnet 20 am Wellenende des Rotorschafts 10 angeordnet. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Permanentmagnet 20 auch an einer beliebigen axialen Position (z-Koordinate) des Rotorschafts 10 abseits des Antriebs 30 bzw. der Permanentmagnetanordnung 4 angeordnet sein (siehe auch 2 oder 8). In dem in 4 darstellten Beispiel ist in axialer Richtung neben dem Permanentmagnet 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 15, beispielsweise eine Bohrung, am Wellenende ein weiteres Flussleitstück 19 aufweisen, welches eine Abdeckung für die zentrale Öffnung 15 bilden kann. Das Flussleitstück 19 kann ebenfalls aus weichmagnetischem Material bestehen.
Die Abdeckung der zentralen Öffnung 15 kann aber auch entfallen oder aus einem anderen Material hergestellt sein.
Die Lagereinheit 1 umfasst zwei weichmagnetische Elemente. Eines dieser weichmagnetischen Elemente ist das zweite, radiale Joch 12. Das radiale Joch 12 leitet den magnetischen Fluss in radialer Richtung. Es 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 Permanentmagneten 20. In manchen Ausführungsbeispielen kann der Flusskonzentrator 13 auch weggelassen werden, was jedoch einen höheren magnetischen Streufluss zur Folge haben kann. In 4 liegt das radiale, zweite Joch 12 in Bezug auf die z-Richtung neben dem Permanentmagneten 20. 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 S_R2 (vgl. auch 5), d. h. die Magnetfeldlinien verlaufen im Wesentlichen in radialer Richtung durch den Luftspalt S_R2. Der Begriff Luftspalt impliziert in der Regel nicht, dass sich in dem Spalt ausschließlich Luft befindet, sondern lediglich, dass sich in dem Spalt unmagnetisches Material befindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich dementsprechend außer Luft auch Material des Rotorschafts 10, insbesondere die Wandung der Öffnung 15.
Das andere der weichmagnetischen Elemente ist das axiale, bzw. erste Joch 11. Dieses befindet sich in dem in 4 dargestellten Beispiel entlang der z-Richtung neben dem Permanentmagneten 20, jedoch an der dem radialen, zweiten Joch 12 gegenüberliegenden Seite des Permanentmagneten 20. Das axiale, erste 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 der Rotorschaft 10 mit einem Ende in diese zylindrische Form eingeführt ist, sodass zwischen einer Stirnseite 16 des Rotorschafts 10, welche eine Stirnfläche 18 für einen Absatz 14 des ersten Jochs 11 bildet, und dem axialen Joch 11 ein kleiner axialer Luftspalt S_A gebildet wird. In dem axialen Luftspalt S_A verlaufen die Magnetfeldlinien im Wesentlichen in axialer Richtung zwischen dem Rotorschaft 10 und dem axialen Joch 11. Zwischen dem Umfang des Rotorschafts 10 und dem Joch 11 wird ein weiterer radialer Luftspalt S_R1 gebildet (vgl. 5), der einen magnetischen Rückschluss ermöglicht.
Der Rotormagnet bzw. Permanentmagnet 20 erzeugt ein Magnetfeld und einen entsprechenden magnetischen Fluss B_BIAS durch das axiale Joch 11, das radiale Joch 12 und die Luftspalte S_R1, S_R2, S_A und S_X. In dem dargestellten Beispiel befindet sich der Luftspalt Sx in axialer z-Richtung zwischen dem axialen Joch 11 und dem radialen Joch 12 und ist deutlich größer als die anderen Luftspalte und kann somit einen gewissen Streufluss zur Folge haben (siehe 5). Dieser vom Rotormagnet bzw. Permanentmagnet 20 erzeugte magnetische Fluss B_BIAS wird auch als magnetische Vorspannung (magnetic bias) oder Vormagnetisierungsfluss (bias flux) bezeichnet. Auf den Verlauf der Magnetfeldlinien wird später noch genauer eingegangen. Der Luftspalt Sx zwischen dem axialen Joch 11 und dem radialen Joch 12 kann in manchen Ausführungsbeispielen auch durch ferromagnetische Stege 17 überbrückt werden, wie sie in 2 dargestellt sind.
Für die Erzeugung einer Axialkraft weist der Stator des Magnetlagers mindestens eine zur Drehachse (z-Achse) des Rotorschafts 10 koaxiale Spule 21 auf, die im Weiteren auch als „axiale Aktorspule“ bezeichnet wird. 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, nämlich dem Joch 11, welches als Führung für den magnetischen Fluss dient und welches einen axialen Luftspalt S_A zur Stirnseite 16 des Rotorschafts 10 sowie einen radialen Luftspalt S_R1 zum Umfang des Rotorschafts 10 hin bildet. Der im axialen Luftspalt S_A wirksame magnetische Fluss (Summenfluss) entsteht durch Überlagerung des von dem Permanentmagnet 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 Permanentmagneten 20 erzeugte Vormagnetisierungsfluss B_BIAS im axialen Luftspalt S_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 Rotorschaft 10 ihre Richtung ändert, d. h. von anziehend, in negativer z-Richtung, auf abstoßend, in positiver z-Richtung, und vice versa.
Die Vorrichtung umfasst weiter eine Sensoreinrichtung (siehe 2 bis 5) mit einem oder mehreren Positionssensoren 28 für die Messung der axialen und der radialen Position des Rotorschafts 10 sowie die zugehörige Steuerung 7, welche abhängig von der gemessenen Position des Rotorschafts 10 die Ströme durch die axiale Aktorspule 21 und die radialen Aktorspulen 22a-d sowie zumindest die Lagerströme, d. h. die Anteile der Ströme, die für die Erzeugung einer radialen Lagerkraft verantwortlich sind, durch die Spulenanordnung 3 des Antriebs 30 einstellt. Das Gesamtsystem aus Stator, Läufer und Antrieb 30 sowie Steuerung 7 der Antriebseinheit 6 kann somit den Rotorschaft 10 an einer gewünschten Position halten.
Wie erwähnt und beispielsweise aus 5 ersichtlich, wird durch den Permanentmagnet 20 der axiale Luftspalt S_A mit einem magnetischen Fluss B_BIAS vorgespannt (biased), weshalb dieser magnetische Fluss B_BIAS auch als Vormagnetisierungsfluss bezeichnet wird. Wenn kein Strom durch die axiale Aktorspule 21 fließt, wirkt üblicherweise eine Axialkraft in die negative z-Richtung auf den Rotorschaft 10 und bildet damit eine axiale Vorspannkraft. Diese Kraft zufolge des Vormagnetisierungsflusses B_BIAS kann beispielsweise durch Bestromen der Aktorspule 21 kompensiert werden, wodurch die Aktorspule 21 den mit B₂₁ bezeichneten magnetischen Fluss erzeugt. Der Fluss B₂₁ kann den Vormagnetisierungsflusses B_BIAS teilweise kompensieren, vollständig kompensieren oder auch überkompensieren. In der in 5 in Verbindung mit 6, Darstellung (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 6, Darstellung (b) gezeigten Situation der Vormagnetisierungsfluss B_BIAS und der magnetische Fluss B₂₁ einander 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 Rotorschaft 10 befindet sich in seiner axialen Soll-Position. Falls das zweite Joch 12 in Verbindung mit dem Flusskonzentrator 13 und/oder dem Permanentmagnet 20 und/oder der Antrieb 30 ausgebildet ist ebenfalls axiale Kräfte zu erzeugen, kann es für den Energieverbrauch nützlich sein, die axiale Vorspannkraft durch Axialkräfte dieser Komponenten und/oder prozessbedingte Axialkräfte zu verringern. In diesem Fall genügt ein relativ kleiner Strom durch die axiale Aktorspule 21, um den Rotorschaft 10 in seiner kräftefreien (Soll-) Position zu halten.
Wie erwähnt, wird die axiale Position des Rotorschafts 10 dabei laufend von der Sensoreinrichtung mit ihren Positionssensoren 28 erfasst. Die Steuerung 7 ist beispielsweise dazu ausgebildet, den Strom durch die axiale Aktorspule 21 derart einzustellen, dass der Rotorschaft 10 immer in seine kräftefreie Position zurückgeholt oder in dieser gehalten wird (Positionsregelung). In dieser Situation schwankt der Strom in der Lagereinheit 1 während des Betriebs somit um null Ampere. Wird die axiale Vorspannkraft nicht oder nicht vollständig wie oben erwähnt kompensiert, 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, nämlich das radiale, zweite Joch 12 und das axiale, erste Joch 11, auch aus einem laminierten Blechstapel oder beispielsweise aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff (soft magnetic composite) gefertigt sein.
Für die Erzeugung von radialen Lagerkräften sind auf dem radialen Joch 12 mindestens zwei, insbesondere aber drei oder vier Aktorspulen 22a-d vorgesehen, die hier als radiale Aktorspulen 22a-d bezeichnet werden. In den dargestellten Ausführungsbeispielen 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 erzeugt werden, wie dies auch in der Schnittdarstellung in 7 dargestellt ist. Der Permanentmagnet 20 erzeugt in dem radialen Luftspalt S_R2 wie erwähnt den Vormagnetisierungsfluss B_BIAS, der von dem Magnetfluss B₂₂, der von den Spulen 22a-d erzeugt wird, je nach Stromrichtung konstruktiv oder destruktiv überlagert wird.
Der Rotorschaft 10 weist im Bereich des ersten, axialen Jochs 11 einen ersten Schaftdurchmesser d_s1 und im Bereich des zweiten, radialen Jochs 12 einen zweiten Schaftdurchmesser d_s2 auf. Der Permanentmagnet 20 ist zwischen den beiden Schaftdurchmessern d_s1 und d_s2 angeordnet. Die Stirnseite 16 des Rotorschafts 10 schließt sich an den ersten Schaftdurchmesser d_s1 an und erstreckt sich radial zu der Achse in z-Richtung und damit der Achse des Rotorschafts 10. Das erste, axiale Joch 11 weist eine erste Öffnung 8 mit einem ersten Durchmesser D_J1 auf, in welcher ein sich radial zur einer in z-Richtung befindliche Achse des ersten Jochs 11 hin erstreckender Absatz 14 angeordnet ist. Das zweite Joch 12 weist eine zweite Öffnung 9 der Lagereinheit 1 mit einem zweiten Durchmesser D_J2 auf. Das erste Joch 11 und das zweite Joch 12 sind in axialer Richtung des Rotorschafts 10 mit einem Abstand S_x (siehe 5) voneinander beabstandet.
Bei einer Anordnung des Rotorschafts 10 in der Lagereinheit 1 im Betrieb der Antriebseinheit 6, das heißt in einer Position des Rotorschafts 10 in der Lagereinheit 1, in der der Rotorschaft 10 betriebsmäßig gelagert ist, ist der erste Durchmesser D_J1 der ersten Öffnung 8 größer als der erste Schaftdurchmesser d_s1. Hierdurch wird zwischen der ersten Öffnung 8 und dem Rotorschaft 10 ein radialer Luftspalt S_R1 (siehe 4) gebildet. Die Stirnseite 16 des Rotorschafts 10 wirkt mit dem Absatz 14 des ersten Jochs 11 so zusammen, dass zwischen der Stirnseite 16 und dem Absatz 14 der axiale Luftspalt S_A gebildet ist. Der zweite Durchmesser D_J2 der zweiten Öffnung 9 ist größer als der zweite Schaftdurchmesser d_s2, so dass zwischen der Umfangsfläche des Rotorschafts 10 und dem zweiten Joch 12 der weitere radiale Luftspalt S_R2 gebildet ist.
Wie aus der Darstellung der 4 zu entnehmen ist, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der erste Schaftdurchmesser d_s1 gleich dem zweiten Schaftdurchmesser d_s2. Damit ist es möglich, dass der Rotorschaft 10 aus der Lagereinheit 1 in positiver z-Richtung entnommen werden kann, da keine Hinterschneidung des Rotorschafts 10 mit der Lagereinheit 1 in dieser Richtung vorhanden ist. Die Möglichkeit einer Entnahme des Rotorschafts 10 aus der Lagereinheit 1 ist wichtig für eine einfache und kostengünstige Montage und Demontage der Antriebseinheit 6 und des Spinnrotors 2. Diese Entnahmemöglichkeit besteht auch, wenn der erste Schaftdurchmesser d_s1 kleiner als der zweite Schaftdurchmesser d_s2 und insbesondere kleiner als der Durchmesser D_J2 der zweiten Öffnung 9 am radialen Joch 12 ist (siehe 8).
Das in 5 gezeigte Beispiel zeigt denselben Querschnitt wie 4, wobei in 5 die magnetisch relevanten Luftspalte S_R2, S_R1, S_A und S_X 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 5 nicht enthaltene Magnetfluss der Aktorspulen 22a-d ist in 7 schematisch dargestellt. Der vom Permanentmagnet 20 erzeugte Vormagnetisierungsfluss ist in den 5 bis 7 mit B_BIAS bezeichnet. Die diesbezüglichen Magnetfeldlinien verlaufen vom Permanentmagnet 20, durch den radialen Luftspalt S_R2, das radiale Joch 12, den Luftspalt Sx (ggf. Streufluss), das axiale Joch 11 und den axialen Luftspalt S_A zurück zum Permanentmagnet 20. In 7 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. 6).
Der von der axialen Aktorspule 21 erzeugte magnetische Fluss ist mit B₂₁ bezeichnet. Die diesbezüglichen Magnetfeldlinien verlaufen entlang der z-Richtung durch die Spule 21 hindurch, über die Luftspalte S_A und S_R1 und das Joch 11. Der von den radialen Aktorspulen 22a-d erzeugte magnetische Fluss B₂₂ ist, wie erwähnt, in 7 dargestellt. Dieser verläuft jedoch im Wesentlichen durch das radiale Joch 12 und den Luftspalt S_R2, 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 S_A (Summenfluss B₂₁+B_BIAS). Man sieht in 5, dass der Permanentmagnet 20 sowohl im radialen Luftspalt S_R2 als auch im axialen Luftspalt S_A einen Vormagnetisierungsfluss B_BIAS erzeugt.
In dem in den 5 und 6 (Darstellung (a)) dargestellten Fall verstärkt die axiale Aktorspule 21 den Fluss B_BIAS des Permanentmagneten 20, wodurch die entgegen der z-Richtung ziehende Kraft auf den Rotorschaft 10 erhöht wird. Durch Änderung der Stromrichtung in der Spule 21 wirkt der von der Spule 21 erzeugte Fluss B₂₁ dem Fluss B_BIAS des Permanentmagneten 20 entgegen, wodurch die entgegen der z-Richtung ziehende Kraft verringert wird (siehe 6, Darstellung (b) mit jeweils entgegengesetzter Stromrichtung). Mit der dargestellten Vorrichtung ist es - bei entsprechender Auslegung -möglich, eine Kraft zu erzeugen, die den Rotorschaft 10 in z-Richtung bewegt.
In den dargestellten Beispielen sind vier radiale Aktorspulen 22a-d vorgesehen. Grundsätzlich können auch zwei oder drei Spulen ausreichend sein. In 7 wirkt durch Bestromung der Spulen 22a und 22c eine Kraft nach links, in negative x-Richtung auf den Rotorschaft 10. Man erkennt, dass sich im linken Bereich des ringförmigen Luftspaltes S_R2 der resultierende Magnetfluss im Vergleich zur Vorspannung erhöht und im rechten Bereich des Luftspaltes S_R2 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 Rotorschaft 10 an seiner Soll-Position, also in der Darstellung aus 7 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 betrieben werden können, der Energieverbrauch der Lagereinheit 1 ist also relativ klein.
Das dargestellte magnetisch leitende radiale Joch 12 ist in den hier beschriebenen Beispielen an vier Polschenkeln mit jeweils einer von vier Spulen 22a-d bewickelt. Nuten 24 zwischen den Polschenkeln des Jochs 12 gemäß 7 können zu einem Wechselfluss-Anteil in der Bandage des Rotorschafts 10 führen. Um die Wirbelstromverluste in einer elektrisch leitfähigen Rotor-Bandage zu verringern, können diese Nuten 24 auch über dünne Stege 25, sogenannte Sättigungsstege, verbunden sein.
Um den Rotorschaft 10 radial zu zentrieren, wird neben der axialen Position (z-Koordinate) auch die radiale Position des Rotorschafts 10 (x- und y-Koordinaten) von der oben erwähnten Sensoreinrichtung mit ihren Positionssensoren 28 laufend gemessen. Die aktuelle Position des Rotorschafts 10 wird von der Steuerung 7 aus den Sensorsignalen ermittelt. Die Steuerung 7 enthält beispielsweise eine Positionsregelung, welche die gemessene Position (x, y, z) des Rotorschafts 10 mit der Soll-Position, z. B. (0, 0, 0) vergleicht und die Ströme durch die Aktorspulen 21 und 22a-d und den Lagerstrom am Antrieb 30 so einstellt, dass die resultierenden magnetischen Kräfte im Luftspalt S_A und S_R2 und am Antrieb 30 einer eventuell vorhandenen Abweichung von der Soll-Position entgegenwirken. Zu diesem Zweck kann die Steuerung 7 eine geeignete Leistungs-Ausgangsstufe (z. B. aus (MOSFET)Transistoren) aufweisen.
In den bisher beschriebenen Beispielen ist ein Wellenende des Rotorschafts 10 in das ähnlich wie ein Topfmagnet gestaltete axiale, erste Joch 11 eingeführt. Das ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. In dem in 8 dargestellten Beispiel verläuft der Rotorschaft 10 durch das axiale Joch 11 hindurch. Der Permanentmagnet 20 kann in diesem Beispiel außen am Umfang des Rotorschafts 10 ringförmig 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 6 und 7 verwiesen. Der axiale Luftspalt S_A liegt in diesem Beispiel nicht zwischen dem axialen Joch 11 und der Stirnseite 16 des Rotorschafts 10, sondern zwischen dem axialen Joch 11 und einer Stirnfläche 18 eines Wellenabsatzes, einer Wellenschulter oder eines mit dem Rotorschaft 10 verbundenen Teils wie z. B. dem Flussleitstück 19 oder dem Permanentmagnet 20.
In den bisher beschriebenen Beispielen ist der Rotormagnet 20 in axialer Richtung magnetisiert. Insbesondere in dem Beispiel aus 8 könnte der Permanentmagnet 20 auch als in radialer Richtung magnetisierter Ring ausgebildet sein. In diesem Fall würde der Permanentmagnet 20 an der Stelle des Flussleitstücks 13 angeordnet sein, welches in diesem Fall nicht mehr benötigt würde. Der Permanentmagnet 20 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 S_R1, S_R2 und S_A angepasst sind. Der Rotorschaft 10 weist damit in den Bereich des Positionssensors 28 und des Jochs 12 zusammen mit den Flussleitstücken 13 und 19 sowie dem Permanentmagneten 20 den Durchmesser d_s2 auf, welcher kleiner ist als der Durchmesser D_J2 der Öffnung 9 des Jochs 12 und auch kleiner ist als der Durchmesser D_J1 der Öffnung 8 des Jochs 11. Zur Stirnseite 16 des Rotorschafts 10 hin weist der Rotorschaft 10 im weiteren Verlauf den Durchmesser d_S1 auf, welcher kleiner ist als ein Durchmesser D_J3 einer weiteren Öffnung 26 des Jochs 11. Der Rotorschaft 10 kann damit durch die Lagereinheit 1 hindurch verlaufen und dennoch in einer axialen Richtung aus der Lagereinheit 1 entnommen werden.
In dem in 8 dargestellten Beispiel können auch die Positionen von Joch 11 und Joch 12 vertauscht sein, das heißt, dass das axiale Joch 11 nicht notwendigerweise am Wellenende angeordnet ist oder das axiale Joch 11 näher der Stirnseite 16 des Rotorschafts 10 als das radiale Joch 12 zugeordnet ist. Die Lagereinheit 1 kann dementsprechend spiegelverkehrt ausgebildet sein.
9 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel der Lagereinheit 1 als perspektivische Schnittdarstellung. Das Beispiel aus 9 ist im Wesentlichen gleich wie das Beispiel aus den 3 bis 5, abgesehen von einer 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 S_R2 zu minimieren, kann die zusätzliche Kompensationsspule 23 nahe dem radialen Joch 12 vorgesehen werden. Die Kompensationsspule 23 kann koaxial zum Rotorschaft 10 angeordnet sein. Diese wird so bestromt, dass im Luftspalt S_R2 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 Rotorschafts 10 regeln. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der vorherigen Figuren verwiesen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Lagereinheit
2: Spinnrotor
3: Spulenanordnung
4: Permanentmagnetanordnung
5: Rotortopf
6: Antriebseinheit
7: Steuerung
8: erste Öffnung des Jochs 11
9: Öffnung des Jochs 12
10: Rotorschaft
11: erstes Joch, axiales Joch
12: zweites Joch, radiales Joch
13: Flusskonzentrator, Flussleitstück
14: Absatz
15: Öffnung
16: Stirnseite
17: Stege
18: Stirnfläche
19: Flusskonzentrator, Flussleitstück
20: Permanentmagnet
21: Aktorspule
22a-d: Aktorspulen
23: Kompensationsspule
24: Nuten
25: Stege
26: weitere Öffnung
27: Bund
28: Positionssensor
29: Gehäuse
30: Antrieb
BBIAS: magnetischer Fluss
B21: magnetischer Fluss
B22: magnetischer Fluss
dS1: erster Schaftdurchmesser
dS2: zweiter Schaftdurchmesser
DJ1: Durchmesser der ersten Öffnung
DJ2: Durchmesser der zweiten Öffnung
DJ3: Durchmesser der weiteren Öffnung
SA: axialer Luftspalt
SR1: radialer Luftspalt
SR2: radialer Luftspalt
SX: Luftspalt zwischen erstem und zweitem Joch

Claims

Antriebseinheit (6) für einen Spinnrotor (2) einer Rotorspinnvorrichtung mit einem Rotorschaft (10), einem elektromagnetischen Antrieb (30) zum Erzeugen eines auf den Rotorschaft (10) wirkenden Drehmoments, wenigstens einer elektromagnetischen Lagereinheit (1) zum Lagern des Rotorschafts (10) und einer Steuerung (7) dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (30) zum Erzeugen von zumindest radialen Lagerkräften auf den Rotorschaft (10) ausgebildet ist, wobei die Steuerung (7) ausgebildet ist, Ströme in einer Spulenanordnung (3) des Antriebs (30) derart zu regeln, dass auf den Rotorschaft (10) sowohl Lagerkräfte als auch Drehmomente wirken und die wenigstens eine Lagereinheit (1) zum kombinierten radialen und axialen Lagern des Spinnrotors (2) ausgebildet ist.
Antriebseinheit (6) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (30) als permanenterregter Synchronmotor ausgebildet ist, wobei der Rotorschaft (10) eine Permanentmagnetanordnung (4) aufweist.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (3) des Antriebs (30) mehrere um den Rotorschaft (10) angeordnete Magnetspulen aufweist, wobei die Magnetspulen eine kombinierte Wicklung oder getrennte Wicklungen zur separaten Erzeugung von Lagerkräften und Drehmomenten aufweisen.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (30) eine Toroidwicklung aufweist, wobei Drähte der Spulenanordnung (3) des Antriebs (30) auf einer Oberfläche eines gedachten, konzentrisch zum Rotorschaft (10) angeordneten, Toroids angeordnet sind.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinheit (1) ausgebildet ist, eine radiale Position des Rotorschafts (10) aktiv zu regeln, wobei eine axiale Positionierung des Rotorschafts (10) passiv erfolgt, oder dass die Lagereinheit (1) ausgebildet ist sowohl die radiale als auch eine axiale Position des Rotorschafts (10) aktiv zu regeln.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinheit (1) einen Stator mit einem ersten, axialen Joch (11) und einem zweiten, radialen Joch (12) umfasst, wobei das erste Joch (11) eine erste Aktorspule (21) und eine erste Öffnung (8) mit einem ersten Durchmesser (D_J1) aufweist, in welcher ein sich radial zu einer Achse des ersten Jochs (11) hin erstreckender Absatz (14) angeordnet ist, das zweite Joch (12) zumindest zwei zweite Aktorspulen (22a-d) und eine zweite Öffnung (9) mit einem zweiten Durchmesser (D_J2) aufweist und das erste Joch (11) und das zweite Joch (12) in axialer Richtung voneinander beabstandet sind.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorschaft (10) einen ersten und einen zweiten Schaftdurchmesser (d_S1, d_S2) und mindestens einen zwischen dem ersten und zweiten Schaftdurchmesser (d_S1, d_S2) angeordneten Permanentmagneten (20) aufweist und ausgehend von dem ersten Schaftdurchmesser (d_S1) des Rotorschafts (10) an einer Seite des Permanentmagneten (20) eine sich radial zu einer Achse des Rotorschafts (10) hin erstreckende Stirnfläche (18) aufweist.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchmesser (D_J1) der ersten Öffnung (8) größer als der erste Schaftdurchmesser (d_S1) ist, so dass zwischen der ersten Öffnung (8) und dem Rotorschaft (10) ein radialer Luftspalt (S_R1) gebildet ist, die Stirnfläche (18) des Rotorschafts (10) mit dem Absatz (14) des ersten Jochs (11) so zusammenwirkt, dass zwischen der Stirnfläche (18) und dem Absatz (14) ein axialer Luftspalt (S_A) gebildet ist, der zweite Durchmesser (D_J2) der zweiten Öffnung (9) größer als der zweite Schaftdurchmesser (d_S2) ist, so dass zwischen der Umfangsfläche des Rotorschafts (10) und dem zweiten Joch (12) ein weiterer radialer Luftspalt (S_R2) gebildet ist und der Permanentmagnet (20) des Rotorschafts (10) zwischen dem ersten Joch (11) und dem zweiten Joch (12) angeordnet ist, so dass er sowohl einen magnetischen Vormagnetisierungsfluss (B_BIAS) in dem axialen Luftspalt (S_A) des ersten Jochs (11) als auch in dem weiteren radialen Luftspalt (S_R2) des zweiten Jochs (12) erzeugt.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaftdurchmesser (d_S1) gleich oder kleiner dem zweiten Schaftdurchmesser (d_S2) ist und/oder kleiner als der Durchmesser (D_J2) der zweiten Öffnung (9) ist.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (18) den Rotorschaft (10) axial abschließt oder den Durchmesser (d_S2) des Rotorschafts (10) auf den ersten Schaftdurchmesser (d_S1) verkleinert.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Joch (11) und das zweite Joch (12), insbesondere über Stege (17), miteinander verbunden sind.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorschaft (10) am Absatz (14) des ersten Jochs (11) endet oder durch das erste Joch (11) hindurch verläuft.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder zweite Schaftdurchmesser (d_S1, d_S2) des Rotorschafts (10) mit einem mit dem Rotorschaft (10) verbundenen Element, insbesondere dem Permanentmagnet (20) und/oder einem Flussleitstück (13, 19) ausgebildet ist.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (18) von dem mit dem Rotorschaft (10) verbundenen Element gebildet ist.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (20) in axialer Richtung magnetisiert ist und in einer zentralen Öffnung (15) des Rotorschafts (10) angeordnet ist oder um den Umfang des Rotorschafts (10) herum verläuft.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kompensationsspule (23) koaxial zur ersten Aktorspule (21), insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Joch (11, 12) angeordnet ist, um bei geeigneter Bestromung den magnetischen Streufluss der ersten Aktorspule (21) im radialen Luftspalt (S_R1) zu verringern.
Antriebseinheit (6) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rotorschaft (10) ein Positionssensor (28) zugeordnet ist zur Ermittlung der axialen und/oder radialen Position des Rotorschafts (10) in Bezug auf die Lagereinheit (1).