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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetlagervorrichtung, welche
gleichzeitig eine Wälzlagereinheit und eine Magnetlagereinheit
verwendet und z. B. in einer Turbineneinheit in einem Luftkreislaufkühlsystem
verwendbar ist, in welchem die Magnetlagervorrichtung betriebsfähig
ist, entweder eine Axialkraft oder eine Lagervorspannung oder beide abzustützen.
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Das
Luftkreislaufkühlsystem verwendet Luft als Kühlmedium
und schafft es daher nicht, eine ausreichende Energieeffizienz,
verglichen mit dem Kühlsystem, das Fluorchlorkohlenwasserstoff
oder Ammonium verwendet, bereitzustellen, wird aber im Hinblick
auf den Umweltschutz als annehmbar angesehen. In einer Anlage, wie
z. B. einem Kühlspeicherwarenhaus, in welche Kühlluft
direkt eingeblasen werden kann, können die Gesamtkosten
gesenkt werden, falls auf eine Kühlventilatorvorrichtung und/oder
einen Entfroster verzichtet wird, und demnach ist die Verwendung
des Luftkreislaufkühlsystems in einer derartigen Anwendung
vorgeschlagen worden. (Siehe z. B.
japanisches
Patent Nr. 2623202 .)
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Ferner
ist es wohlbekannt, dass in einem tiefen Kältebereich von –30
bis –60°C die theoretische Effizienz von Luftkühlung
gleich oder höher ist als jene von Fluorchlorkohlenwasserstoff
oder Ammonium. Es wird jedoch gesagt, dass es optimal gestalteter
Zusatzausstattungen bedarf, um die theoretische Effizienz der Luftkühlung
sicherzustellen. Diese Zusatzausstattungen können z. B.
Kompressoren und/oder Expansionsturbinen enthalten.
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Für
den Kompressor und die Expansionsturbine werden im Allgemeinen eine
Turbineneinheit, in welcher ein Kompressorrotor und ein Expansionsturbinenrotor
auf einer gemeinsamen Hauptwelle angebracht sind, verwendet. (Siehe
zum Beispiel das
japanische Patent
Nr. 2623202 .)
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Es
ist zu beachten, dass für die zum Handhaben eines Prozessgases
verwendete Turbineneinheit eine Magnetlagerturbineneinheit vorgeschlagen
worden ist, in welcher der Turbinenrotor und der Kompressorrotor
jeweils auf jeweils gegenüberliegenden Enden der Hauptwelle
angebracht sind, welche durch ein Achslager und ein Drucklager abgestützt wird,
die durch einen durch einen Elektromagnet fließenden elektrischen
Strom gesteuert werden können. (Siehe Offenlegung zur Publikation
japanischer Patente Nr. 07-91760 .)
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Ferner
ist, obwohl es einen Vorschlag bezüglich eines Gasturbinenmotors
betrifft, eine Druckmagnetlagervorrichtung verwendet worden, um
die Drucklast zu reduzieren, welche auf die Wälzlagervorrichtung
zum Abstützen einer Hauptwelle wirkt, um die Möglichkeit
zu vermeiden, dass die Drucklast zu einer Reduzierung der Lagerlebenszeit
führt. (Siehe z. B. die Offenlegung zur Publikation
japanischer Patente Nr. 08-261237 .)
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Wie
oben diskutiert wurde, erfordert das Luftkreislaufkühlsystem
die Verwendung eines Kompressors und einer Expansionsturbine, die
optimal gestaltet sind, um die theoretische Effizienz der Luftkühlung sicherzustellen,
bei welcher eine hohe Effizienz im tiefen Kältebereich
erhalten werden kann.
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Für
den oben erwähnten Kompressor und die Expansionsturbine
wird die den Kompressorrotor und den Expansionsturbinenrotor, welche
beide auf einer gemeinsamen Hauptwelle angebracht sind, enthaltende
Turbineneinheit verwendet. Diese Turbineneinheit erhöht
die Effizienz des Kühlkreislaufkühlers im Hinblick
auf die Tatsache, dass der Kompressorrotor durch ei ne durch die
Expansionsturbine induzierte Leistung angetrieben wird.
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Um
eine in der Praxis akzeptable Effizienz sicherzustellen, muss jedoch
notwendigerweise ein zwischen jedem der Rotoren und einem Gehäuse
abgegrenzter Zwischenraum klein sein. Eine Veränderung
des Zwischenraums verursacht einen unstabilen Betrieb während
einer Hochgeschwindigkeitsrotation und daher neigt die Effizienz
zu sinken.
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Durch
den Effekt der auf den Kompressorrotor und den Turbinenrotor wirkenden
Luft wirkt ferner die Druckkraft auf die Hauptwelle, und die die
Hauptwelle abstützende Lagereinheit wird mit der Druckkraft
belastet. Die Rotationsgeschwindigkeit der im Luftkreislaufkühlsystem
eingesetzten Hauptwelle in der Turbineneinheit ist 80.000 bis 100.000
Umdrehungen pro Minute, was verglichen mit jener der Lagereinheit
für die Standardanwendung verhältnismäßig
hoch ist. Aus diesem Grund neigt die oben beschriebene Druckkraft
dazu, eine Reduzierung hinsichtlich der Langzeithaltbarkeit und
der Lebenszeit der zum Abstützen der Hauptwelle verwendeten
Lagereinheit mit sich zu bringen, und wiederum eine Reduzierung
der Zuverlässigkeit der Luftkreislaufkühlturbineneinheit.
Sofern das mit der Langzeithaltbarkeit der Lagereinheit verbundene
Problem nicht gelöst wird, kann die Luftkreislaufkühlturbineneinheit kaum
für den praktischen Einsatz eingesetzt werden. Die im
japanischen Patent Nr. 2623202 offenbarte Technologie
hat jedoch das mit der Reduzierung der Langzeithaltbarkeit der Lagereinheit
in Bezug auf die Belastung mit der Druckkraft unter einer derartigen Hochgeschwindigkeitsdrehzahl
verbundene Problem noch nicht gelöst.
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Im
Fall des Turbinenkompressors eines Magnetlagertyps, wie in der Publikation
zur Offenlegung
japanischer
Patente Nr. 07-91760 offenbart, in welchem die Hauptwelle
durch die Achsla gereinheit und die Drucklagereinheit, beide in Form
eines Magnetlagers, abgestützt wird, fehlt dem Achslager
eine Abstützfunktion in der Axialrichtung. Die Anwesenheit eines
Faktors oder dgl., der die Steuerung der Drucklagereinheit unstabil
macht, macht es aus diesem Grund schwierig, eine stabile Hochgeschwindigkeitsdrehzahl
zu erreichen, während der winzige Zwischenraum zwischen
dem Rotor und dem Diffusor aufrechterhalten wird. Die Magnetlagereinheit schließt
ein Problem ein, das mit einem Kontakt zwischen dem Rotor und dem
Diffusor zu einer Zeit, an der die elektrische Leistungsversorgung
fehlschlägt, verbunden ist.
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Wenn
vorgesehen ist, dass die Wälzlagereinheit und die Magnetlagereinheit
gleichzeitig zum Abstützen der Hauptwelle verwendet werden,
und die Wälzlagereinheit betriebsfähig ist, die
Radiallast abzustützen, während die Magnetlagereinheit
betriebsfähig ist, entweder die Axiallast oder die Lagervorspannung
oder beide abzustützen, kann die Hauptwelle in der Axialrichtung
abgestützt werden und es gibt kein Problem, dass mit dem
Kontakt zur Ausfallzeit der elektrischen Leistungsversorgung, die in
der Magnetlagereinheit auftritt, verbunden ist. Im Falle dieser
Ausführung ist der Elektromagnet der Magnetlagereinheit
derart vorgesehen, der flanschförmigen Druckplatte berührungsfrei
gegenüberzustehen, welche koaxial auf der Hauptwelle angebracht
ist, um sich dazu senkrecht zu erstrecken, und welche aus dem ferromagnetischen
Werkstoff hergestellt ist, und der Elektromagnet wird durch die
Steuerung in Erwiderung auf die Ausgabe vom Sensor zum Feststellen
der Kraft in der Axialrichtung gesteuert.
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Wenn
die Hauptwelle des Rotors durch die Wälzlagereinheit abgestützt
wird, kann die Position der Hauptwelle in der Axialrichtung durch
die Regulierungsfunktion der Wälzlagereinheit reguliert
werden und der Zwischenraum zwischen den Rotoren und dem Gehäuse
kann auf einem konstanten Wert gehalten wer den. Im Falle der Wälzlagereinheit,
welche, wie oben diskutiert, die Regulierungsfunktion der Position
in der Axialrichtung aufweist, wirft die Reduzierung der Langzeithaltbarkeit
wegen der Druckkraft in der Lagereinheit beim Drehen mit hoher Geschwindigkeit
ein Problem auf, aber da die Druckkraft durch den Elektromagnet
abgestützt wird, kann die Langzeithaltbarkeit des Wälzlagers
sichergestellt werden.
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Bei
der Magnetlagervorrichtung, in welcher die Wälzlagereinheit
und die Magnetlagereinheit gleichzeitig verwendet werden, wird jedoch
in dem Fall, wenn eine übermäßige Axialkraft
wirkt, die negative Steifigkeit des Elektromagnets (welcher in einer
Richtung der Verschiebung wirkt, und wenn die Verschiebung ansteigt,
steigt deren Kraft korrespondierend an) groß. Wenn die
negative Steifigkeit des Elektromagnets höher wird als
die Steifigkeit der durch die Wälzlagereinheit und das
Abstützsystem der Wälzlagereinheit gebildeten
Verbundfeder, wird das Steuersystem der Magnetlagervorrichtung instabil.
Um einen derartigen Zustand zu vermeiden, besteht ein Bedarf, vorher
eine Phasenkompensationsschaltung zur Steuerung hinzuzufügen,
woraus sich ein Problem ergibt, dass der Aufbau der Steuerung dazu
neigt, kompliziert zu werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Magnetlagervorrichtung
bereitzustellen, in welcher eine Wälzlagereinheit und eine
Magnetlagereinheit gleichzeitig verwendet werden, wobei bei der Vorrichtung
ein stabiles Steuern möglich ist und eine darin verwendete
Steuerung in ihrem Aufbau vereinfacht werden kann.
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Die
Magnetlagervorrichtung nach einer ersten Ausführung der
vorliegenden Erfindung enthält eine Hauptwelle, eine flanschförmige
Druckplatte, welche koaxial auf der Hauptwelle ange bracht ist, um sich
senkrecht zur Hauptwelle zu erstrecken, und welche aus einem ferromagnetischen
Werkstoff hergestellt ist, eine Wälzlagereinheit zum Abstützen
einer Radiallast und eine Magnetlagereinheit zum Abstützen
entweder einer Axiallast oder einer Lagervorspannung oder beider,
einen Elektromagnet, welcher in ein Wellengehäuse eingepasst
ist, um der Druckplatte berührungsfrei gegenüberzustehen,
einen Sensor zum Feststellen einer auf die Hauptwelle wirkenden
Axialkraft und eine Steuerung zum Steuern des Elektromagnets in
Erwiderung auf eine Ausgabe vom Sensor. Bei dieser Magnetlagervorrichtung
wird die Steifigkeit einer durch die Wälzlagereinheit und ein
Abstützsystem für die Wälzlagereinheit
gebildeten Verbundfeder höher gewählt als die
negative Steifigkeit des Elektromagnets.
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Da
die Magnetlagervorrichtung nach dieser ersten Ausführung
eine Gestaltung aufweist, in welcher die Wälzlagereinheit
zum Abstützen einer Radiallast und die Magnetlagereinheit
zum Abstützen entweder einer Axiallast oder einer Lagervorspannung oder
beiden gleichzeitig verwendet werden, kann eine hochpräzise
Abstützung in der Axialrichtung erreicht werden, die Langzeithaltbarkeit
der Wälzlagereinheit kann sichergestellt werden und jegliche
Zerstörung zu einer Ausfallzeit der elektrischen Leistungsversorgung,
die auftritt, wenn die Abstützung nur mit der Magnetlagereinheit
ausgeführt wird, kann vermieden werden.
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Da
die Steifigkeit der durch die Wälzlagereinheit und das
Abstützsystem für die Wälzlagereinheit gebildeten
Verbundfeder höher gewählt ist als die negative
Steifigkeit des Elektromagnets, ist es ferner möglich,
zu verhindern, dass die Phase des mechanischen Systems in einem
Steuerbereich um 180° verzögert ist. Aus diesem
Grund ist es möglich, ein durch die Steuerung zu steuerndes
Ziel zu stabilisieren und demnach kann eine stabile Steuerung erzielt werden,
sogar wenn die Steuerung eine einfach durch Verwenden eines Proportional-Reglers
oder eines Proportional-Integral-Reglers konfigurierte Schaltung
aufweist.
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Die
Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann
einen Elektromagnetspalt aufweisen, welcher die folgende Formel
erfüllt: d > k·Fmax/Kbrg,wobei Kbrg
die Steifigkeit der durch die Wälzlagereinheit und das
Abstützsystem für die Wälzlagereinheit gebildeten
Verbundfeder darstellt, Fmax eine Maximallast darstellt, d einen
Elektromagnetspalt darstellt und k eine Proportionalitätskonstante
darstellt. Diese Magnetlagervorrichtung führt zu einer
Magnetlagervorrichtung nach einer zweiten Ausführung.
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Da
die Magnetlagervorrichtung nach einer oben beschriebenen zweiten
Ausführung eine Gestaltung aufweist, in welcher der Elektromagnetspalt derart
eingestellt ist, die vorangegangene Bedingungsformel zu erfüllen,
ist es möglich, das Verhältnis, in welchem die
Steifigkeit der durch die Wälzlagereinheit und das Abstützsystem
für die Wälzlagereinheit gebildeten Verbundfeder
höher ist als die negative Steifigkeit des Elektromagnets,
sogar unter der Bedingung der Lagervorspannung mit der geeigneten
Leichtlast im Hochgeschwindigkeitsbereich mittels des vergrößerten
Elektromagnetspalts aufrechtzuerhalten. Als ein Ergebnis davon ist
es möglich, zu verhindern, dass die Phase des mechanischen
Systems in einem Steuerbereich um 180° verzögert
ist. Aus diesem Grund ist es möglich, ein durch die Steuerung
zu steuerndes Ziel zu stabilisieren, sogar wenn eine Maximallast
wirkt, und die Steuerung kann eine Schaltung aufweisen, welche einfach
durch Verwenden eines Proportional-Reglers oder eines Proportional-Integral-Reglers
konfiguriert ist.
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Die
Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann
einen innerhalb eines Jochs des Elektromagnets angeordneten Permanentmagnet enthalten.
Dies führt zu einer Magnetlagervorrichtung nach einer dritten
Ausführung.
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Während
es unter der Bedingung der Lagervorspannung mit der angemessenen
Leichtlast im Hochgeschwindigkeitsbereich notwendig ist, die negative
Steifigkeit des Elektromagnets zu reduzieren, um das oben erwähnte
Größenverhältnis zwischen der Steifigkeit
der Verbundfeder und der negativen Steifigkeit des Elektromagnets
aufrechtzuerhalten, ist mit der Magnetlagervorrichtung nach der
oben beschriebenen dritten Ausführung, das Anordnen des Permanentmagnets
innerhalb des Jochs des Elektromagnets wirksam, um den Elektromagnetspalt
zu vergrößern, und demnach kann die negative Steifigkeit
des Elektromagnets reduziert werden.
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Ferner
ist, sogar unter der Bedingung der maximalen Axiallast, das Anordnen
des Permanentmagnets innerhalb des Jochs des Elektromagnets wirksam,
um die Menge der durch den Elektromagnet verbrauchten elektrischen
Leistung zu reduzieren, und folglich, um die Hitzeentwicklung des
Elektromagnets zu reduzieren.
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Bei
der Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann
der Permanentmagnet innerhalb des Jochs des Elektromagnets auf einer
Seite der Druckplatte angeordnet sein und ein anderer Elektromagnet,
welcher keinen Permanentmagnet enthält, kann innerhalb
des Jochs auf der anderen Seite der Druckplatte angeordnet sein,
um dem Elektromagnet auf der einen Seite gegenüberzustehen, und
in einem Leichtlastbereich der Axiallast werden beide Elektromagneten
gleichzeitig betrieben. Dies führt zu einer Magnetlagervorrichtung
nach einer vierten Ausführung.
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Da
im Leichtlastbereich der Axiallast der Elektromagnet mit dem innerhalb
des Jochs angeordneten Permanentmagnet und der Elektromagnet, welcher
keinen Permanentmagnet enthält und welcher dem obigen Elektromagnet
zugewandt angeordnet ist, gleichzeitig verwendet werden, kann mit
der Magnetlagervorrichtung nach der vierten Ausführung die
Menge der durch den Elektromagnet verbrauchten elektrischen Leistung
am meisten innerhalb des Betriebsbereichs reduziert werden, in welchem
die Axiallast wirkt. Mit anderen Worten, wenn der Permanentmagnet
in beiden einander gegenüberliegenden Elektromagneten angeordnet
ist, steigt die Menge der durch den Elektromagnet verbrauchten elektrischen
Leistung an, was durch eine Hitzeentwicklung begleitet wird, um
die Magnetanziehungskraft des Permanentmagneten im Leichtlastbereich
der Axiallast zu reduzieren, aber die vierte Ausführung
kann ein derartiges Problem eliminieren.
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Bei
der Magnetlagervorrichtung nach der vierten Ausführung
kann der Elektromagnet mit Permanentmagnet auf einer Seite zum Abstützen
einer übermäßigen Axiallast angeordnet
sein und der Elektromagnet, welcher keinen Permanentmagnet enthält,
kann derart angeordnet sein, dem Elektromagnet mit Permanentmagnet
gegenüberzustehen, während die Druckplatte dazwischen
eingelegt wird. Dies führt zu einer Magnetlagervorrichtung
nach einer fünften Ausführung.
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Die
Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann
zum Abstützen der Hauptwelle in einem Gesamtexpansionsturbinensystem
angewandt werden, welches einen Kompressorrotor und einen Turbinenrotor
umfasst, die beide auf einer gemeinsamen Hauptwelle angebracht sind,
welche die Druckplatte aufweist, wobei in diesem Fall der Kompressorrotor
durch eine durch den Turbinenrotor erzeugte Leistung angetrieben
wird. Dies führt zu einer Magnetlagervorrichtung nach einer
sechsten Ausführung.
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Im
Fall der sechsten Ausführung können derartige
Vorteile, dass eine stabilisierte Steuerung bei der Magnetlagervorrichtung
der vorliegenden Erfindung möglich ist und dass die Steuerung
einen vereinfachten Aufbau aufweisen kann, wirksam gezeigt werden,
und eine stabilisierte Hochgeschwindigkeitsdrehzahl der Hauptwelle
kann mit dem angemessenen Rotorspitzenzwischenraum aufrechterhalten werden.
Ferner kann die Langzeithaltbarkeit des Lagers erhöht werden.
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Die
Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann
von einem Typ sein, in welchem das Gesamtexpansionsturbinensystem,
in welchem die Magnetlagervorrichtung angewandt wird, in einem Luftkreislaufkühlsystem
angewandt wird, in welchem einströmende Luft sequenziell
einer Komprimierung mittels einer Vorkomprimiereinheit, einer Abkühlung
mittels eines Wärmetauschers, einer Komprimierung mittels
eines Kompressors, welcher den Kompressorrotor in einer Turbineneinheit
enthält, einer Abkühlung mittels eines anderen
Wärmetauschers und einer adiabaten Expansion mittels einer Expansionsturbine,
welche den Turbinenrotor in der Turbineneinheit enthält,
unterworfen wird. Dies führt zu einer Magnetlagervorrichtung
nach einer siebten Ausführung.
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Wenn
das Gesamtturbinensystem, in welchem die Magnetlagervorrichtung
angewandt wird, im Luftkreislaufkühlsystem nach Art der
siebten Ausführung angewandt wird, kann im Gesamtexpansionsturbinensystem
die stabilisierte Hochgeschwindigkeitsdrehzahl der Hauptwelle mit
dem aufrecht erhaltenen angemessenen Rotorspitzenzwischenraum erhalten
werden, und ferner kann die Langzeithaltbarkeit des Lagers erhöht
werden. Demnach kann die Zuverlässigkeit des Gesamtexpansionsturbinensystems
als Ganzes und folglich, jene des Luftkreislaufkühlsystems
als Ganzes erhöht werden. Da die stabilisierte Hochgeschwindigkeitsdrehzahl,
die Langzeithaltbarkeit und die Zuverlässigkeit der Hauptwellenlagereinheiten
der Gesamtturbineneinheit erhöht werden können,
welche bisher ein Hauptflaschenhals des Luftkreislaufkühlsystems
gewesen sind, kann das Luftkreislaufkühlsystem jetzt praktisch eingesetzt
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
jedem Fall wird die vorliegende Erfindung deutlicher aus der folgenden
Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung
mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden. Jedoch werden
die Ausführungsformen und die Zeichnungen nur zum Zweck
der Veranschaulichung und Erläuterung angegeben und sind
nicht zum Begrenzen des Umfangs der vorliegenden Erfindung, in welcher
Weise auch immer, heranzuziehen, wobei der Umfang durch die anhängenden
Ansprüche bestimmt wird. In den begleitenden Zeichnungen
werden durchweg gleiche Bezugszeichen zum Bezeichnen gleicher Teile
in mehreren Ansichten verwendet, und:
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1 ist
eine Schnittansicht einer Turbineneinheit, welche eine Magnetlagervorrichtung
nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung einschließt,
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2 ist
ein Blockschaltbild, welches ein Beispiel einer in der in 1 gezeigten
Turbineneinheit verwendeten Steuerung zeigt;
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3 ist
eine Schnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die Magnetlagervorrichtung nach
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung einschließt;
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4 ist
eine Schnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die Magnetlagervorrichtung nach
einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung einschließt;
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5A ist
eine vergrößerte Schnittansicht, welche einen
anderen in der Magnetlagervorrichtung nach der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendeten Elektromagnet zeigt;
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5B ist
eine vergrößerte Schnittansicht, welche einen
weiteren anderen Elektromagnet zeigt;
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6 ist
ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem elektrischen
Leistungsverbrauch und der Magnetanziehungskraft zeigt, welche durch
einen Elektromagnet mit einem integrierten Permanentmagnet und einem
Elektromagnet ohne integrierten Permanentmagnet ausgeübt
wird;
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7 ist
eine Schnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die Magnetlagervorrichtung nach
einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung einschließt;
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8 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI in 7;
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9 ist
eine Schnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die Magnetlagervorrichtung nach
einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung einschließt;
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10 veranschaulicht
ein Säulendiagramm, welches die Menge der durch die Elektromagneten
verbrauchten elektrischen Leistung zeigt, wenn die Axiallast eine
Leichtlast, eine Mittellast oder eine Maximallast ist, und welches
anwendbar ist, wenn die Elektromagneten in der Magnetlagervorrichtung
gleichzeitig verwendet werden;
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11 veranschaulicht
ein Säulendiagramm, welches die Menge der durch die Elektromagneten
verbrauchten elektrischen Leistung zeigt, wenn die Axiallast eine
Leichtlast, eine Mittellast und eine Maximallast ist, und welches
für Elektromagneten anwendbar ist, welche jeweils einen
darin eingebauten Permanentmagnet aufweisen;
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12 veranschaulicht
ein Säulendiagramm, welches die Menge der durch die Elektromagneten
verbrauchten elektrischen Leistung zeigt, wenn die Axiallast eine
Leichtlast, eine Mittellast und eine Maximallast ist, welches für
Elektromagneten anwendbar ist, welche jeweils keinen darin eingebauten
Permanentmagnet aufweisen; und
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13 ist
ein Diagramm, welches das Luftkreislaufkühlsystem zeigt,
in welchem die Turbineneinheit darin die Magnetlagervorrichtung
nach einer der ersten bis fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einschließt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird mit besonderem Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. 1 veranschaulicht
eine Schnittansicht, welche eine Turbineneinheit 5 zeigt,
welche darin eine Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einschließt. Diese Turbineneinheit 5 bildet
einen Teil eines Gesamtexpansionsturbinensystems und enthält
einen Kompressor 6 und eine Expansionsturbine 7,
und ein Kompressorrotor 6a des Kompressors 6 und
ein Turbinenrotor 7a der Expansionsturbine 7 sind
jeweils auf gegenüberliegenden Enden einer Hauptwelle 13 angebracht.
Ferner wird der obige Kompressorrotor 6a durch eine durch den
Turbinenrotor 7a indu zierte Leistung angetrieben und demnach
wird keine zusätzliche Antriebsquelle eingesetzt.
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Der
Kompressor 6 enthält ein Gehäuse 6b, welches
dem Kompressorrotor 6a mit einem dazwischen liegenden winzigen
Zwischenraum d1 gegenüberliegt, und ist betriebsfähig,
die von einem Sauganschluss 6c an dessen Mittelabschnitt
axial angesaugte Luft mittels des Kompressorrotors 6a zu
komprimieren und dann die Luft von einem Ausgangsanschluss (nicht
gezeigt) auf dessen äußeren Randabschnitt in einer
durch den Pfeil 6d gezeigten Richtung zu entlassen.
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Die
Expansionsturbine 7 enthält ein Turbinengehäuse 7b,
welches dem Turbinenrotor 7a mit einem dazwischen liegenden
winzigen Zwischenraum d2 gegenüberliegt, und ist betriebsfähig,
die von einem äußeren Randabschnitt in einer durch
den Pfeil 7c gezeigten Richtung eingesaugte Luft mittels des
Turbinenrotors 7a adiabatisch auszudehnen und dann die
Luft von einem Auslassanschluss 7d an dessen Mittelabschnitt
in deren Axialrichtung zu entlassen.
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Eine
in dieser Turbineneinheit 5 eingesetzte Magnetlagervorrichtung
enthält eine Vielzahl von, zum Beispiel zwei, Lagereinheiten 15 und 16,
welche die Hauptwelle 13 in einer Radialrichtung abstützen, und
Elektromagneten 17, welche jeweilige Teile einer Magnetlagereinheit
bilden und betriebsfähig sind, eine auf die Hauptwelle 13 wirkende
Druckkraft abzustützen. Diese Turbineneinheit 5 enthält
Sensoren 18 zum Feststellen einer Druckkraft, welche durch
die Luft innerhalb des Kompressors 6 und der Expansionsturbine 7 verursacht
wird und auf die Hauptwelle 13 wirkt, und eine Steuerung 19 zum
Steuern der durch die Elektromagneten 17 ausgeübten
Abstützkraft in Erwiderung auf eine Ausgabe von jedem der Sensoren 18.
Eine flanschförmige Druckplatte 13a, welche aus
einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist, ist koaxial auf einem
axialen Mittelabschnitt der Hauptwelle 13 angebracht, um
senkrecht zur Hauptwelle 13 zu liegen. Die Elektromagneten 17 sind
auf einem Wellengehäuse 14 angebracht, um jeweiligen
gegenüberliegenden Flächen der Druckplatte 13a berührungsfrei
gegenüberzustehen.
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Jede
der Lagereinheiten 15 und 16 zum Abstützen
der Hauptwelle 13 ist in Form einer Wälzlagervorrichtung
ausgeführt und weist eine Regulierungsfunktion der Position
in der Axialrichtung auf und kann insbesondere in Form, zum Beispiel,
eines Rillenkugellagers oder eines Schrägkugellagers eingesetzt
werden. Im Fall des Rillenkugellagers weist sie eine Druckabstützfunktion
in beiden Richtungen auf und kann die Axialposition von Innen- und
Außenringen zurück in eine Neutralposition führen.
Diese beiden Lagereinheiten 15 und 16 sind jeweils
nahe dem Kompressorrotor 6a und dem Turbinenrotor 7a angeordnet.
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Die
Hauptwelle 13 hat eine gestufte Konfiguration, welche aus
einem Abschnitt mit großem Durchmesser 13b an
deren Mittelabschnitt und Abschnitten mit reduziertem Durchmesser
an deren jeweiligen gegenüberliegenden Enden hergestellt
ist. Jede der Lagereinheiten 15 und 16 auf jeweiligen Seiten
enthält einen Innenring 15a und 16a,
welcher auf dem jeweiligen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 13c eingepresst
ist, wobei dessen eine Endfläche mit einer gestuften Fläche
in Eingriff steht, die zwischen dem Abschnitt mit großem
Durchmesser 13b und dem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 13c begrenzt
ist.
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Jeweilige
zu den Rotoren 6a und 7a benachbarte Abschnitte
des Wellengehäuses 14 sind derart gebildet, dass
deren innere diametrale Flächen einen zu jenem der Hauptwelle 13 ähnlichen
Durchmesser aufweisen und an jenen inneren diametralen Flächen sind
berührungsfreie Dichtungselemente 21 und 22 gebildet.
Obwohl bei der gezeigten Ausführungsform jedes der be rührungsfreien
Dichtungselemente 21 und 22 in Form einer Labyrinthdichtung
eingesetzt wird, welche durch eine Vielzahl von sich umfänglich erstreckenden
Nuten definiert wird, die in der inneren diametralen Fläche
des Wellengehäuses 14 gebildet sind und in dessen
Axialrichtung nebeneinanderliegen, kann anstelle einer derartigen
Labyrinthdichtung jedes andere berührungsfreie Dichtungselement
eingesetzt werden.
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Die
obigen Sensoren 18 sind auf einer stationären
Seite der Lagereinheit 16 benachbart zum Turbinenrotor 7a,
sprich dem Wellengehäuse 14, angeordnet. Ein ringförmig
gebildetes Lagergehäuse 23 ist axial verschiebbar
auf einer im Wellengehäuse 14 vorgesehenen inneren
diametralen Fläche 24 angebracht. Die Lagereinheit 16 mit
den in deren Nähe angeordneten Sensoren 18 weist
einen Außenring 16b auf, welcher innerhalb des
Lagergehäuses 23 starr angebracht ist. Das Lagergehäuse 23 weist
einen Innenbund 23a auf, welcher an dessen einen Ende gebildet
ist, um mit einer Endfläche des Außenrings 16b der
Lagereinheit 16 in Eingriff zu stehen. Der Innenbund 23a ist
an dem einen axial inneren Ende des Lagergehäuses 23 vorgesehen.
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Die
Sensoren 18 sind auf eine Vielzahl von (zum Beispiel zwei)
Orten verteilt, welche voneinander in einer Umfangsrichtung um die
Hauptwelle 13 beabstandet sind, und liegen zwischen einer
der gegenüberliegenden Endflächen des Lagergehäuses 23,
benachbart zum Innenbund 23a, und einem der Elektromagneten 17,
welche am Wellengehäuse 14 befestigt sind. Ferner
wird an die Sensoren 18 eine Vorspannung von einer Sensorvorspannungsfeder 25 angelegt.
Die Sensorvorspannungsfeder 25 ist innerhalb einer Aufnahmeaussparung
aufgenommen, welche im Wellengehäuse 14 definiert
ist, um den Außenring 16b der Lagereinheit 16 in
die Axialrichtung zu zwingen, wodurch die Vorspannung auf die Sensoren 18 durch
den Außenring 16b und das Lagergehäuse 23 angelegt
wird. Diese Sensorvor spannungsfeder 25 kann zum Beispiel
in Form einer an einer Vielzahl von Umfangsorten um die Hauptwelle 13 vorgesehenen
Spiralfeder ausgeführt sein.
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Die
Vorspannung mittels der Sensorvorspannungsfeder 25 dient
dem Zweck, dass die Sensoren 18 zum Feststellen einer Druckkraft
mittels einer Anpresskraft eine Bewegung der Hauptwelle 13 in
einer der zueinander entgegengesetzten Axialrichtungen feststellen
kann, und wird mit einem höheren Wert gewählt
als eine mittlere Druckkraft, welche auf die Hauptwelle 13 während
eines Normalbetriebs der Turbineneinheit 5 wirkt.
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Die
Lagereinheit 15 auf der anderen Seite, an welcher kein
Sensor 18 angeordnet ist, wird axial beweglich in Bezug
auf das Wellengehäuse 14 abgestützt und
wird durch eine Lagervorspannungsfeder 26 elastisch abgestützt.
Beim veranschaulichten Fall ist ein Außenring 15b der
Lagereinheit 15 axial beweglich auf einer inneren diametralen
Fläche des Wellengehäuses 14 angebracht
und die Lagervorspannungsfeder 26 liegt zwischen dem Außenring 15b und
dem Wellengehäuse 14. Die Lagervorspannungsfeder 26 liegt
einer gestuften Fläche der Hauptwelle 13 gegenüber,
mit welcher eine Endfläche des Innenrings 15a der
Lagereinheit 15 in Eingriff steht, um den Außenring 15b zu
zwingen, um dadurch eine Vorspannung auf die Lagereinheit 15 anzulegen.
Die Lagervorspannungsfeder 26 wird in Form einer Spiralfeder
oder dergleichen eingesetzt, welche an einer Vielzahl von Umfangsorten
um die Hauptwelle 13 vorgesehen sind, und wird innerhalb
einer Aufnahmeaussparung aufgenommen, welche im Wellengehäuse 14 definiert
ist. Diese Lagervorspannungsfeder 26 weist eine Federkonstante
auf, die kleiner gewählt ist als jene der Sensorvorspannungsfeder 25.
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Das
dynamische Modell der in der Turbineneinheit 5 mit der
oben diskutierten Struktur eingesetzten Magnetlagervorrichtung kann
mit einem einfachen Federsystem ausgeführt werden.
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Mit
anderen Worten besteht dieses Federsystem aus einem System, in welchem
eine Verbundfeder, welche durch die Lagereinheiten 15 und 16 und
deren jeweilige Abstützsysteme (welche die Sensorvorspannungsfeder 25,
die Lagervorspannungsfeder 26, das Lagergehäuse 23 und
andere enthalten) begründet wird, und in welchem jeweilige Federn
der Elektromagneten 17 nebeneinanderliegen. In diesem Federsystem
stellt die Verbundfeder, welche durch die Lagereinheiten 15 und 16 und
die Abstützsysteme dieser Lagereinheiten begründet wird,
eine Steifigkeit bereit, welche proportional zum Betrag der Verschiebung
in einer umgekehrten Richtung zu der Richtung wirkt, in welcher
die Verschiebung stattfindet, wobei die Federn der Elektromagneten 17 eine
negative Steifigkeit bereitstellen, welche proportional zum Betrag
der Verschiebung in der Richtung wirkt, in welcher die Verschiebung
stattfindet.
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Falls
das Größenverhältnis der Steifigkeit zwischen
der Verbundfeder und den Federn der Elektromagneten, wie durch die
unten wiedergegebene Formel (1) ausgedrückt, vorausgesetzt
wird, wird die Phase des mechanischen Systems aus diesem Grund um
180° verzögert und folglich wird das System instabil.
Daher erfordert die Steuerung 19 zum Steuern der Elektromagneten 17 notwendigerweise eine
zuvor hinzugefügte Phasenkompensationsschaltung, was zur
Steuerung 19 mit kompliziertem Aufbau führt. Steifigkeit der Verbundfeder < negative Steifigkeit der Elektromagneten (1)
-
Im
Hinblick auf Obiges wird bei der Magnetlagervorrichtung nach der
jetzt diskutierten Ausführungsform das Größenverhältnis
zwischen der Steifigkeit der Verbundfeder und jener der Federn der Elektromagneten,
wie durch die Formel (2) unten ausgedrückt, vorausgesetzt. Steifigkeit der Verbundfeder > negative Steifigkeit der Elektromagneten (2)
-
Wie
hierin oben beschrieben, ist es durch Einstellen des Größenverhältnisses
der Steifigkeit zwischen der Verbundfeder und der Elektromagneten
möglich, zu verhindern, dass die Phase des mechanischen
Systems in einem Steuerbereich um 180° verzögert
ist. Aus diesem Grund ist es möglich, ein durch die Steuerung 18 zu
steuerndes Ziel zu stabilisieren und die Steuerung 19 kann
eine Schaltung aufweisen, welche einfach durch Verwenden eines Proportional-Reglers
oder eines Proportional-Integral-Reglers, wie in 2 gezeigt,
konfiguriert ist.
-
Bei
der in einem Blockschaltbild in 2 gezeigten
Steuerung 19 wird jede der Feststellungsausgaben P1 und
P2 von den Sensoren 18 durch eine Sensorausgabeberechnungsschaltung 27 eingestellt (subtrahiert
oder summiert); ein derart erhaltenes Berechnungsergebnis wird durch
einen Vergleicher 28 mit einem von einem Referenzwerteinstellmodul 29 gespeisten
Zielwert verglichen, um eine Abweichung zu berechnen, und die derart
berechnete Abweichung wird schließlich einer Proportional-Integral-Regelung
(oder Proportional-Regelung) unterzogen, welche durch eine PI-Kompensationsschaltung (oder
eine P-Kompensationsschaltung) 30 nach der Turbineneinheit 5 geeignet
eingestellt wird, wodurch an die Elektromagneten 17 anzulegende
Steuersignale berechnet werden können. Eine Ausgabe von der
PI-Kompensationsschaltung (oder der P-Kompensationsschaltung) wird
durch Dioden 31 und 32 an Leistungsschaltungen 33 und 34 zum
Antreiben der Elektromagneten 171 und 172 in jeweiligen Richtungen angelegt.
Die Elektromagneten 171 und 172 korrespondieren jeweils zu den in 1 gezeigten, der
Druckplatte 13a gegenüberliegenden Elektromagneten 17,
und da keine magnetische Anziehungskraft wirkt, werden jeweilige
Flussrichtungen elektrischer Ströme zuvor durch die Dioden 31 und 32 bestimmt,
so dass die Elektromagneten 171 und 172 wahlweise angetrieben werden können.
-
Bei
der Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welche in der Turbineneinheit 5 angewandt
wird, kann, wie hierin oben beschrieben ist, das durch die Steuerung 19 zu
steuernde Ziel zu einer stabilen Ausführung geführt
werden und die Steuerung 19 kann eine Schaltung aufweisen,
welche einfach durch Verwenden eines Proportional-Reglers oder eines
Proportional-Integral-Reglers konfiguriert ist, da das Größenverhältnis
zwischen der negativen Steifigkeit der Elektromagneten 17 und
der Verbundfeder, wie durch die obige Formel (2) gezeigt, einstellt ist.
-
Jetzt
wird eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit besonderem Bezug auf 3 zusammen
mit 2, welche zum Beschreiben der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt worden ist, beschrieben. 3 veranschaulicht
eine Schnittansicht der Turbineneinheit 5, welche darin
die Magnetlagervorrichtung nach dieser zweiten Ausführungsform einschließt.
Bei dieser Ausführungsform sind Komponententeile, welche
in Verbindung mit der zweiten Ausführungsform gezeigt und
beschrieben werden, welche ähnlich zu jenen sind, die in
Verbindung mit der ersten Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden
sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, welche in 2 eingesetzt
worden sind und daher werden deren Details der Kürze wegen nicht
wiederholt.
-
Die
Turbineneinheit schließt darin die Magnetlagervorrichtung
nach dieser zweiten Ausführungsform ein und ist mit jener
in Verbindung mit der ersten Ausführungsform gezeigten
und beschriebenen im Aufbau identisch, unterscheidet sich davon aber
darin, dass Elektromagnetspalte eingesetzt werden, wie nachfolgend
detailliert beschrieben wird.
-
Demnach
erfüllt die Magnetlagervorrichtung nach der zweiten Ausführungsform
die Formel (2), wie in Verbindung mit dem Größenverhältnis
der Steifigkeit zwischen der Verbundfeder und den Federn der Elektromagneten
oben diskutiert worden ist, in einer zu jener der Magnetlagervorrichtung
nach der ersten Ausführungsform gezeigten ähnlichen
Weise.
-
Andererseits
ist bei der Magnetlagervorrichtung mit dem hierin zuvor beschriebenen
Aufbau, in einem Hochgeschwindigkeitsdrehzahlbereich (80.000 bis
100.000 U/min), bevorzugt, dass die jeweiligen auf die Lagereinheiten 15 und 16 von
der Sensorvorspannungs- 25 und der Lagervorspannungsfeder 26 angelegten
Lagervorspannungen niedrig sind. Wenn aber die Lagervorspannung
niedrig ist, vermindert sich die Axialsteifigkeit jeder der Lagereinheiten 15 und 16,
was durch ein Vermindern der Steifigkeit der durch die Lagereinheiten 15 und 16 und
das Abstützsystem dieser Lagereinheiten 15 und 16 gebildeten
Verbundfeder begleitet wird. Als ein Ergebnis davon, ist es im Fall,
dass eine übermäßige Axiallast wirkt,
notwendig, dass die negative Steifigkeit der Elektromagneten 17 niedrig
ist, um das durch die Formel (2) oben ausgedrückte Größenverhältnis zwischen
der Steifigkeit der Verbundfeder und der negativen Steifigkeit der
Federn der Elektromagneten 17 aufrechtzuerhalten. Ferner
müssen die Elektromagnetspalte vergrößert
werden, um die negative Steifigkeit der Elektromagneten 17 zu
reduzieren.
-
Die
negative Steifigkeit Kns der Elektromagneten 17 kann durch
die folgende Formel (3) ausgedrückt werden, wobei die Steifigkeit
der Verbundfeder durch Kbrg ausgedrückt wird, die Maximallast durch
Fmax ausgedrückt wird, die Elektromagnetspalte jeweils
durch d ausgedrückt werden und die Proportionalitätskonstante
durch k ausgedrückt wird: Kns
= k·Fmax/d (3)und
folglich kann das in der Formel (2) ausgedrückte Größenverhältnis
wie folgt umgeschrieben werden: Kbrg > Kns (4)
-
Im
Hinblick auf Obiges ist es bei der Magnetlagervorrichtung nach der
zweiten Ausführungsform aus der Beziehung zwischen den
Formeln (3) und (4) deutlich, dass die Elektromagnetspalte d derart
gewählt werden müssen, um die folgende Formel
(5) zu erfüllen, um das Größenverhältnis,
wie durch die Formel (2) oben ausgedrückt, aufrechtzuerhalten: d > k·Fmax/Kbrg (5)
-
Wenn
die Elektromagnetspalte d derart gewählt werden, um die
durch die Formel (5) oben ausgedrückte Bedingung zu erfüllen,
ist es, wie oben diskutiert, möglich, das durch die obige
Formel (2) ausgedrückte Größenverhältnis
zu erfüllen, sogar unter der Bedingung, in welcher die
Lagervorspannung so niedrig ist, um in den Bereich der Hochgeschwindigkeitsdrehzahl
zu passen. Als ein Ergebnis davon ist es im Steuerbereich möglich
zu vermeiden, dass die Phase des mechanischen Systems um 180° verzögert
ist, und demnach kann das durch die Steuerung 19 zu steuernde
Ziel stabilisiert werden, sogar wenn die Maximallast wirkt, und
die Steuerung 19 kann eine Schaltung aufweisen, welche
einfach durch Verwenden eines Proportional-Reglers oder eines Proportional-Integral-Reglers
konfiguriert ist, wie in 2 in Verbindung mit der ersten
Ausführungsform gezeigt ist. Es ist hervorzuheben, dass
die Steuerung 19 eine Schaltungskonfiguration aufweist,
welche mit jener in der ersten Ausführungsform eingesetzten identisch
ist, und daher werden deren Details der Kürze wegen nicht
wiederholt.
-
Da
das Größenverhältnis der Steifigkeit
zwischen der Verbundfeder und den Elektromagnetfedern derart gewählt
ist, um die Formel (2) zu erfüllen, welche in Verbindung
mit der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist,
und da die Elektromagnetspalte d derart gewählt sind, um
die Bedingungsformel (5) zu erfüllen, kann, wie hierin
oben beschrieben ist, bei der Magnetlagervorrichtung nach der zweiten
Ausführungsform, welche in der Turbineneinheit 5 angewandt
wird, das durch die Steuerung 19 zu steuernde Ziel eine
stabilisierte Ausführung aufweisen, sogar wenn die Maximallast
wirkt, und die Steuerung 19 kann eine Schaltung aufweisen,
welche einfach durch Verwenden eines Proportional-Reglers oder eines
Proportional-Integral-Reglers konfiguriert ist.
-
Eine
dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird mit besonderem Bezug auf die 4 bis 6 zusammen
mit 2 beschrieben, welche beim Beschreiben der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt worden
ist. 4 veranschaulicht eine Schnittansicht der Turbineneinheit 5,
welche darin die Magnetlagervorrichtung nach dieser dritten Ausführungsform
einschließt. In dieser Ausführungsform werden Komponententeile,
welche in Verbindung mit der dritten Ausführungsform gezeigt
und beschrieben werden, welche gleich zu jenen sind, die in Verbindung mit
der ersten Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden
sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, welche in 2 eingesetzt
worden sind, und daher werden deren Details der Kürze wegen
nicht wiederholt.
-
Die
Turbineneinheit, welche darin die Magnetlagervorrichtung nach dieser
dritten Ausführungsform einschließt, unterscheidet
sich von jener der ersten Ausführungsform darin, dass der
Elektromagnet, wie nachfolgend detailliert beschrieben wird, einen
eingebauten Permanentmagnet aufweist.
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Demnach
erfüllt sogar die Magnetlagervorrichtung nach dieser dritten
Ausführungsform die Formel (2), welche in Verbindung mit
dem Größenverhältnis der Steifigkeit
zwischen der Verbundfeder und den Federn der Elektromagneten oben
diskutiert worden ist, in einer ähnlich zu jener durch
die Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführungsform
gezeigten Weise.
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Andererseits
wird bei der Magnetlagervorrichtung mit einem hierin zuvor beschriebenen
Aufbau in einem Hochgeschwindigkeitszahlbereich (80.000 bis 100.000
U/min) bevorzugt, dass die auf die Lagereinheiten 15 und 16 jeweils
von der Sensorvorspannungs- 25 und der Lagervorspannungsfeder 26 angelegten
Lagervorspannungen niedrig sind. Wenn aber die Lagervorspannung
niedrig ist, vermindert sich die axiale Steifigkeit jeder der Lagereinheiten 15 und 16,
was durch eine Verminderung der Steifigkeit der durch die Lagereinheiten 15 und 16 und
das Abstützsystem für diese Lagereinheiten 15 und 16 gebildeten
Verbundfeder begleitet wird. Als ein Ergebnis davon ist es im Fall,
dass eine übermäßige Axialkraft wirkt,
erforderlich, dass die negative Steifigkeit der Elektromagneten 17 niedrig
ist, um das durch die obige Formel (2) ausgedrückte Größenverhältnis
zwischen der Steifigkeit der Verbundfeder und der negativen Steifigkeit
der Federn der Elektromagneten 17 aufrechtzuerhalten. Ferner
müssen die Elektromagnetspalte vergrößert
werden, um die negative Steifigkeit der Elektromagneten 17 zu
reduzieren.
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Im
Hinblick auf Obiges weist bei der Magnetlagervorrichtung nach dieser
dritten Ausführungsform einer der Elektromagneten 17,
zwischen welchen die Druckplatte 13a eingelegt ist, welche
in der Nähe der Sensoren 18 angeordnet ist, ein
Joch 17a auf, in welchem ein Permanentmagnet 20 angeordnet
ist, so dass der Elektromagnetspalt vergrößert werden
kann, um das durch die obige Formel (2) ausgedrückte Größenverhältnis
aufrechtzuerhalten. Obwohl beide Elektromagneten 17 jeweils
ei nen eingebauten Permanentmagneten 20 aufweisen können, wird
die Verwendung des Permanentmagnets 20 in nur einem der
Elektromagneten 17, wie in dieser dritten Ausführungsform,
bevorzugt. Um Verluste des magnetischen Flusses vom Permanentmagnet 20 zu reduzieren,
ist in 4 der ringförmige, mit der Hauptwelle 13 koaxiale
Permanentmagnet 20 innerhalb des Jochs 17a auf
einer äußeren diametralen Seite einer Spule 17b des
Elektromagnets 17 angeordnet. Aber, wie in 5B gezeigt
ist, sogar wenn der Permanentmagnet 20 innerhalb des Jochs 17a auf
einer inneren diametralen Seite der Spule 17b des Elektromagnets 17 angeordnet
ist, können die Verluste des magnetischen Flusses vom Permanentmagnet 20 reduziert
werden. Obwohl der Permanentmagnet 20 in 4 an
einer Position nahe einem axialen Ende der Spule 17b angeordnet
ist, welches von einer magnetischen Polfläche des Elektromagnets 17 nach
innen angezogen wird, kann der Permanentmagnet 20 ferner,
wie in 5A gezeigt ist, an einer axialen
Zwischenposition der Spule 17a angeordnet sein.
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6 veranschaulicht
ein Diagramm, welches die Eigenschaften der magnetischen Anziehungskraft
in Bezug auf den Verbrauch elektrischer Leistung zeigt, die durch
den Elektromagnet 17 mit dem eingebauten Permanentmagnet 20,
und den Elektromagnet 17 ohne eingebauten Permanentmagnet 20 gezeigt
werden. Wie das Diagramm verdeutlich, kann mit dem Elektromagnet 17 (durch
A im Diagramm angezeigt) mit dem eingebauten Permanentmagnet 20,
da die durch den Permanentmagnet 20 ausgeübte
magnetische Anziehungskraft wirkt, die Menge der verbrauchten elektrischen
Leistung, wenn die Maximallast wird, verglichen mit jener durch den
einheitlichen Elektromagnet 17 (im Diagramm durch B angezeigt)
gezeigten, reduziert werden. Ferner stellt beim Diagramm A ein durch
I angezeigter Abschnitt die Eigenschaft dar, welche gezeigt wird, wenn
der Permanentmagnet 20 auf der magnetischen Polfläche
des Elektromagnets 17 angeordnet wird, während
ein durch II angezeigter Abschnitt die Eigenschaft darstellt, welche
gezeigt wird, wenn der Permanentmagnet 20 innerhalb des
Jochs 17a angeordnet wird. Daher ist deutlich, dass mit
dem Aufbau, in welchem der Permanentmagnet 20 auf der magnetischen
Polfläche angeordnet ist, die Verluste des magnetischen
Flusses vom Permanentmagnet 20 groß sind und es
schwierig ist, die durch den Permanentmagnet 20 ausgeübte
magnetische Anziehungskraft innerhalb des Magnetfelds der Elektromagnetspule 17b auf
0 zu bringen, während mit dem Aufbau, in welchem der Permanentmagnet 20 innerhalb
des Elektromagnetjochs 17a in Übereinstimmung
mit dieser Ausführungsform angeordnet ist, die Verluste
des magnetischen Flusses reduziert werden können, was es
einfach macht, die magnetische Anziehungskraft auf 0 zu bringen.
-
Es
ist zu beachten, dass der Verlauf der Änderung der magnetischen
Anziehungskraft in Bezug auf den Verbrauch elektrischer Leistung,
welche durch den Elektromagnet 17 (im Diagramm A) mit dem
eingebauten Permanentmagnet gezeigt wird, verglichen mit dem einheitlichen
Elektromagnet 17 (im Diagramm B) klein ist und dies ergibt
sich aus den Verlusten des magnetischen Flusses an einem mit dem
Permanentmagnet 20 versehenen Abschnitt.
-
Es
ist zu beachten, dass beim Aufbau, in welchem der Elektromagnet 17 den
eingebauten Permanentmagnet 20 aufweist, falls das Elektromagnetjoch 17a mit
dem darin angeordneten Permanentmagnet 20 zum Beispiel
mit einem Positionierbund gebildet ist, die magnetische Anziehungskraft
als ein Ergebnis von Magnetflussverlusten am Bund reduziert wird,
und demnach weist das Joch 17a eine Schnittkonfiguration
auf, welche vorzugsweise flach ist, so dass das Joch 17a und
der Permanentmagnet 20 einen Flächenkontakt miteinander
erreichen können. Um durch die Verluste des magnetischen
Flusses verursachte Einflüsse zu reduzieren, ist zusätzlich ein
Abschnitt des Jochs 17a, welcher den Flächenkontakt
mit dem Permanentmagnet 20 erreicht, vorzugsweise zum Darstellen
einer vorspringenden Form gebildet. Obwohl der Permanentmagnet 20 vorzugsweise
in der Axialrichtung magnetisiert ist, kann ein in der Radialrichtung
magnetisierter Permanentmagnet 20 eingesetzt werden, falls
die Position des Permanentmagnets 20 geändert
wird.
-
Wie
oben diskutiert worden ist, ist es möglich, das durch die
Formel (2) ausgedrückte Größenverhältnis
zu erfüllen, welches in Verbindung mit der ersten Ausführungsform
beschrieben worden ist, wenn einer der Elektromagneten in der Form
mit dem eingebauten Permanentmagnet 20 eingesetzt wird, sogar
unter der Bedingung, in welcher die Lagervorspannung so niedrig
ist, um in den Hochgeschwindigkeitsdrehzahlbereich zu passen. Als
ein Ergebnis davon ist es im Steuerbereich möglich, zu
vermeiden, dass die Phase des mechanischen Systems um 180° verzögert
ist, und demnach kann, sogar wenn die Maximallast wirkt, das durch
die Steuerung 19 zu steuernde Ziel stabilisiert werden
und die Steuerung 19 kann eine Schaltung aufweisen, welche
einfach durch Verwenden eines Proportional-Reglers oder eines Proportional-Integral-Reglers
konfiguriert ist, wie in 2 in Verbindung mit der ersten
Ausführungsform gezeigt ist.
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Wie
hierin zuvor beschrieben ist, kann bei der Magnetlagervorrichtung
nach der dritten Ausführungsform, welche in der Turbineneinheit 5 angewandt
wird, da das Größenverhältnis der Steifigkeit zwischen
der Verbundfeder und den Elektromagnetfedern derart gewählt
ist, die Formel (2) zu erfüllen, welche in Verbindung mit
der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist, und
da der Permanentmagnet 20 innerhalb des Jochs 17a des
Elektromagnets 17 zum Zweck des Vergrößerns
des Elektromagnetspalts angeordnet ist, dass durch die Steuerung 19 zu
steuernde Ziel eine stabilisierte Ausführung aufweisen,
sogar wenn die Maximallast wirkt, und die Steuerung 19 kann
eine Schaltung aufweisen, welche einfach durch Verwenden ei nes Proportional-Reglers
oder eines Proportional-Integral-Reglers konfiguriert ist.
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Die 7 und 8 veranschaulichen
eine vierte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Diese vierte Ausführungsform ist derart, dass bei der in 4 gezeigten
Magnetlagervorrichtung der Elektromagnet 17 mit dem eingebauten
Permanentmagnet 20 derart ausgeführt und derart
konfiguriert ist, wie in 8 gezeigt. 8 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI in 7 und
der ringförmige Permanentmagnet 20 ist aus einer
Vielzahl von (in der veranschaulichten Ausführungsform
zum Beispiel vier) umfänglich geteilten Segmenten hergestellt.
Der Permanentmagnet 20 ist derart gestaltet, dass die jeweils
mit individuellen Spulen 17b gewickelten geteilten Segmente 20A bis 20D des
Permanentmagnets 20 durch die Spulen 17b umgeben
sind. Andere Aufbaumerkmale als jene oben beschriebenen, sind ähnlich
zu jenen, die in der dritten Ausführungsform eingesetzt
worden sind, welche mit Bezug auf 3 gezeigt
und beschrieben worden sind.
-
Wenn
der Elektromagnet 17 mit dem eingebauten Permanentmagnet 20 derart
aufgebaut und derart konfiguriert ist, wie oben beschrieben, können die
von den Spulen 17b erzeugten Magnetfelder direkt zum Permanentmagnet 20 hinzugefügt
werden, und daher können Verluste des magnetischen Flusses
vom Permanentmagnet 20 reduziert werden, um wirksam die
durch den Permanentmagnet 20 ausgeübte magnetische
Anziehungskraft abzuschwächen. Da der Permanentmagnet 20 einen
geteilten Aufbau aufweist, kann ferner dessen Handhabung erleichtert werden.
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Es
ist jedoch zu beachten, dass es diese Ausführung schwierig
macht, die effiziente Ausnutzung eines Raums beim Anordnen der Permanentmagneten 20 und
der Spulen 17b darin zu erreichen. Beispielsweise wird
es in einem solchen Fall, falls ein Versuch unternommen wird, dem
Elektromagnet 17 zu erlauben, die gleiche magnetische Anziehungskraft
zu erzeugen als jene, die durch den Elektromagnet 17 des
Aufbaus ausgeübt wird, in welchem der integrale ringförmige
Permanentmagnet 20 innerhalb des Jochs 17a aufgenommen
ist, wie bei der mit Bezug auf 4 gezeigten
und beschriebenen dritten Ausführungsform, erforderlich
sein, dass der Permanentmagnet 20 eine erhöhte
Dicke aufweist, und aus diesem Grund werden sich die Verluste des
magnetischen Flusses erhöhen, woraus sich eine Erhöhung der
durch die Spulen 17b zum Abschwächen der magnetischen
Anziehungskraft des Permanentmagneten 20 verbrauchten elektrischen
Leistung ergibt.
-
Eine
fünfte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird jetzt mit besonderem Bezug auf die 9 bis 12 zusammen
mit der beim Beschreiben der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eingesetzten 2 beschrieben. 9 veranschaulicht
eine Schnittansicht der Turbineneinheit 5, welche darin
die Magnetlagervorrichtung nach dieser fünften Ausgestaltungsform
einschließt. In dieser Ausführungsform werden
Komponententeile, welche in Verbindung mit der fünften Ausführungsform
gezeigt und beschrieben werden, welche ähnlich zu jenen,
die in Verbindung mit der ersten und dritten Ausführungsform
gezeigt und beschrieben worden sind, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet,
welche beim Beschreiben der ersten und dritten Ausführungsform
eingesetzt worden sind, und daher werden deren Details der Kürze
wegen nicht wiederholt.
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Die
Turbineneinheit, welche die Magnetlagervorrichtung nach dieser fünften
Ausführungsform einschließt, weist den gleichen
Aufbau wie jene nach der dritten Ausführungsform auf, unterscheidet
sich davon aber darin, dass der Elektromagnet wahlweise verwendet
wird, wie im Detail später beschrieben wird. Es ist zu
beachten, dass bei dieser Ausführungsform der Elektromagnet 17,
wie in 9 gezeigt ist, getrennt als ein Elektromagnet 17A mit
einem eingebauten Permanentmagnet und als ein einheitlicher Elektromagnet 17B ohne
eingebauten Permanentmagnet bezeichnet wird.
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Um
das in Verbindung mit der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform
durch die Formel (2) ausgedrückte Größenverhältnis
aufrechtzuerhalten, arbeiten bei der Magnetlagervorrichtung nach der
fünften Ausführungsform die Elektromagneten 17A und 17B miteinander
zusammen, um die Druckplatte 13a dazwischen einzulegen,
wobei der Elektromagnet (zum Beispiel der in der Nähe der
Sensoren 18 angeordnete Elektromagnet 17A), welcher
die übermäßige Axiallast abstützt,
das Joch 17a enthält, in welchem der Permanentmagnet 20 angeordnet
ist, um dessen Elektromagnetspalt zu vergrößern.
Um die Verluste des magnetischen Flusses, der vom Permanentmagnet 20 ausgeht,
zu reduzieren, ist in 9 der ringförmige,
mit der Hauptwelle 13 koaxiale Permanentmagnet 20 innerhalb
eines Jochs 17a auf einer äußeren diametralen
Seite der Spule 17b des Elektromagnets 17A angeordnet.
Wie aber in einer zum Beschreiben der vierten Ausführungsform verwendeten
Schnittansicht in 8 gezeigt ist, kann der Permanentmagnet 20 eine
aus einer Vielzahl von umfänglich geteilten Segmenten hergestellte
Ringform aufweisen.
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Wie
in Verbindung mit der vierten Ausführungsform mit besonderem
Bezug auf 6 beschrieben ist, ist es, falls
der Elektromagnet 17A zum Abstützen der übermäßigen
Axiallast in Form mit dem eingebauten Permanentmagnet 20 zum
Erhöhen des Elektromagnetspalts eingesetzt wird, möglich,
das Größenverhältnis aufrechtzuerhalten,
welches durch die Formel (2) ausgedrückt wird, welche in
Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben worden
ist, sogar unter der Lagervorspannungsbedingung einer Leichtlast,
die in den Hochgeschwindigkeitsdrehzahlbereich passt. Als ein Ergebnis
davon ist es im Steuerbereich möglich, zu vermeiden, dass
die Phase des mechanischen Systems um 180° verzögert
ist, und demnach kann, sogar wenn die Maximallast wirkt, das durch
die Steuerung 19 zu steuernde Ziel stabilisiert werden
und die Steuerung 19 kann eine Schaltung aufweisen, welche
einfach durch Verwenden eines Proportional-Reglers oder eines Proportional-Integral-Reglers
konfiguriert ist.
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10 veranschaulicht
ein Säulendiagramm, welches die Menge der durch die Elektromagneten
verbrauchten elektrischen Leistung zeigt, wenn die Axiallast eine
Leichtlast, eine Mittellast und eine Maximallast ist, und welches
anwendbar ist, wenn die Elektromagneten 17A und 17B gleichzeitig verwendet
werden. Ferner veranschaulicht 11 ein
Säulendiagramm, welches die Menge der durch die Elektromagneten
verbrauchten elektrischen Leistung zeigt, wenn die Axiallast eine
Leichtlast, eine Mittellast und eine Maximallast ist, und welches
anwendbar ist, wenn Elektromagneten, welche die Druckplatte 13a dazwischen
einlegen, eingesetzt werden, jeder in Form des Elektromagneten 17A, welcher
den eingebauten Permanentmagnet 20 enthält. 12 veranschaulicht
ein Säulendiagramm, welches die Menge der durch die Elektromagneten verbrauchten
elektrischen Leistung zeigt, wenn die Axiallast eine Leichtlast,
eine Mittellast und eine Maximallast ist, welches anwendbar ist,
wenn Elektromagneten, welche die Druckplatte 13a dazwischen einliegen,
eingesetzt werden, jeder in Form des einheitlichen Elektromagnets 17B ohne
eingebauten Permanentmagnet 20.
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Wenn
die beiden Elektromagneten eingesetzt werden, jeder in Form des
Elektromagneten 17A mit dem eingebauten Permanentmagnet 20, wirkt,
wie deutlich in 11 gezeigt ist, die magnetische
Anziehungskraft, die vom innerhalb des Elektromagnetjochs 17a angeordneten
Permanentmagnet 20 ausgeht, und daher kann, verglichen
mit der Verwendung des einheitlichen Elektromagneten 17B ohne
eingebauten Permanentmagnet 20 für jeden der beiden
Elektromagneten, wie in 6 gezeigt ist, der Spulenstrom
zum Zeitpunkt, wenn die Maximalaxiallast angelegt wird, reduziert
werden, was durch eine Erhöhung einer Lastkapazität
in Bezug auf die Quelle der elektrischen Leistung begleitet wird.
Jedoch ist es bei dem in 11 gezeigten
Beispiel im Leichtlastbereich der Axiallast notwendig, einen elektrischen
Strom an die Elektromagnetspule anzulegen, so dass eine Steuerkraft
der Magnetlagerdichtung vermindert werden kann, und falls die magnetische
Anziehungskraft, welche vom Permanentmagnet 20 ausgeht,
vollständig auf 0 gebracht wird, wird die Menge der durch
die Elektromagnetspule verbrauchten elektrischen Leistung ansteigen,
was durch eine beträchtliche Hitzeentwicklung begleitet wird.
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Im
Hinblick auf Obiges sind bei der Magnetlagervorrichtung Versuche
unternommen worden, dass der Elektromagnet 17A mit dem
eingebauten Permanentmagnet 20 und der einheitliche Elektromagnet 17B ohne
eingebauten Permanentmagnet 20 miteinander zum Einlegen
der Druckplatte 13a dazwischen zusammenarbeiten und dass
die Elektromagneten 17A und 17B gleichzeitig im
Leichtlastbereich der Axiallast verwendet werden. In einem derartigen
Fall ist der Elektromagnet 17b ohne eingebauten Permanentmagnet 20 frei
vom Magnetflussverlust um den Permanentmagnet 20 und daher
kann die Änderungsrate der magnetischen Anziehungskraft
in Bezug auf die verbrauchte elektrische Leistung erhöht
werden (siehe 6, welche in Verbindung mit
der vierten Ausführungsform beschrieben worden ist) und
folglich, wie in 10 gezeigt ist, kann die durch
die Elektromagneten 17A und 17B als Ganzes verbrauchte
elektrische Leistung reduziert werden. Es ist zu beachten, dass
im Lastbereich der Axiallast, anders als im Leichtlastbereich, nur
Elektromagneten 17A mit eingebautem Permanentmagnet 20 verwendet
werden. Die Auswahl der Elektromagneten 17A und 17B in
der oben beschriebenen Art wird durch die Steuerung 19 gesteuert.
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Wie
hierin oben beschrieben worden ist, sind bei dieser Magnetlagervorrichtung
Versuche unternommen worden, in denen der Elektromagnet 17A mit
dem eingebauten Permanentmagnet 20 und der einheitliche
Elektromagnet 17B ohne eingebauten Permanentmagnet 20 miteinander
zusammenarbeiten, um die Druckplatte 13a dazwischen einzulegen, und
diese Elektromagneten 17A und 17B werden gleichzeitig
im Leichtlastbereich der Axiallast verwendet. Verglichen mit dem
Fall, in welchem der einheitliche Elektromagnet 17B ohne
eingebauten Permanentmagnet 20 für jeden der Elektromagneten verwendet
wird, welche die Druckplatte 13a dazwischen einlegen (siehe 12),
und dem Fall, in welchem der Elektromagnet 17A mit dem
eingebauten Permanentmagnet 20 für jeden der Elektromagneten verwendet
wird, welche die Druckplatte 13a dazwischen einlegen (siehe 11),
kann demnach die Menge der durch die Elektromagneten 17A und 17B innerhalb
des Betriebsbereichs verbrauchten elektrischen Leistung, in welchem
die Axiallast wirkt, am besten reduziert werden.
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Die
Turbineneinheit 5, welche darin die Magnetlagervorrichtung
nach einer der ersten bis fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einschließt, wird zum Beispiel
im Luftkreislaufkühlsystem angewandt. Um der Luft, welche
ein Kühlmedium wird, zu ermöglichen, einen Wärmeaustausch
effizient mittels eines Wärmetauschers (wie später
mit besonderem Bezug auf 13 beschrieben
wird) in der nachfolgenden Stufe zu leisten, wird die Luft zum Erhöhen
der Temperatur komprimiert, und die durch den Wärmetauscher
in der nachfolgenden Stufe abgekühlte Luft wird durch eine
Expansionsturbine 7 mittels einer adiabatischen Expansion
auf eine Zieltemperatur abgekühlt, die eine sehr niedrige
Temperatur von zum Beispiel –30 bis –60°C
ist, bevor die Luft entlassen wird.
-
Bei
diesem Beispiel erfordert die Turbineneinheit 5 keine Leistungsquelle
und kann mit einem kompakten Aufbau effizient kühlen, da
der Kompressorrotor 6a und der Turbinenrotor 7a auf
der gemeinsamen Hauptwelle 13 angebracht sind und der Kompressorrotor 6a durch
eine durch den Turbinenrotor 7a erzeugte Leistung angetrieben
wird.
-
Da
die Magnetlagervorrichtung des oben beschriebenen Aufbaus zum Abstützen
der Hauptwelle 13 angewandt wird, kann ferner bei jeder
der ersten bis fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung bei der Turbineneinheit 5, welche derart aufgebaut
und derart konfiguriert ist, dass der Kompressorrotor 6a und
der Turbinenrotor 7a gemeinsam mit der Druckplatte 13a auf
der Hauptwelle 13 angebracht werden können und
dass der Turbinenrotor 7a durch eine durch den Kompressorrotor 6a erzeugte
Leistung angetrieben werden kann, eine stabile Hochgeschwindigkeitsdrehzahl
der Hauptwelle 13 erhalten werden, während die
jeweiligen angemessenen Zwischenräume d1 und d2 für
die Rotoren 6a und 7a aufrechterhalten werden,
und es kann eine Erhöhung der Langzeithaltbarkeit und der
Lebensdauer der Lagereinheiten 15 und 16 erhalten
werden.
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Um
die Effizienz der Kompression und Expansion der Turbineneinheit 5 sicherzustellen,
ist es mit anderen Worten erforderlich, die jeweiligen Zwischenräume
d1 und d2 zwischen den Rotoren 6a und 7a und den
Gehäusen 6b und 7b auf einem kleinen Wert
aufrechtzuerhalten. Wenn diese Turbineneinheit 5 beispielsweise
im Luftkreislaufkühlsystem angewandt wird, ist es wichtig,
die Effizienz sicherzustellen. Da die Hauptwelle 13 durch
die Wälzlagereinheiten 15 und 16 abgestützt
wird, kann die Axialposition der Hauptwelle 13 durch die
Funktion des Wälzlagers zum Regulieren der Position in
der Axialrichtung auf ein bestimmtes Maß reguliert werden
und demnach werden die jeweiligen Zwischenräume d1 und
d2 zwischen den Roto ren 6a und 7a und den Gehäusen 6b und 7b auf
einem konstanten Wert gehalten.
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Die
Hauptwelle 13 der Turbineneinheit 5 wird jedoch
einer Druckkraft, zum Beispiel durch den Effekt eines Drucks der
auf jeden der Rotoren 6a und 7a wirkenden Luft,
unterzogen. Im Fall der in einem Luftkühlsystem eingesetzten
Turbineneinheit 5 rotiert ferner die Hauptwelle 13 bei
einer sehr hohen Geschwindigkeit von zum Beispiel 80.000 bis 100.000 U/min.
Wenn die Druckkraft einer oben diskutierten Art auf die Wälzlagereinheiten 15 und 16 wirkt,
welche dann die Hauptwelle 13 rotierend abstützen, neigt
aus diesen Gründen die Langzeithaltbarkeit dieser Lagereinheiten 15 und 16 abzunehmen.
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Jede
der ersten bis fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist dahingehend wirksam, dass dadurch, dass die Druckkraft
der oben diskutierten Art durch die Elektromagneten 17 (17A und 17B) abgestützt
wird, die auf die Wälzlagereinheiten 15 und 16 zum
Abstützen der Hauptwelle 13 wirkende Druckkraft
reduziert werden kann, während der Anstieg eines berührungsfreien
Moments unterdrückt wird. Da in diesem Fall die Sensoren 18 zum
Feststellen der Druckkraft, welche auf die Hauptwelle 13 mittels
der Luft innerhalb des Kompressors 6 und der Expansionsturbine 7 wirkt,
und die Steuerung 19 zum Steuern der durch die Elektromagneten 17 (17A und 17B)
in Erwiderung auf die Ausgaben der Sensoren 18 gezeigten
Abstützkraft vorgesehen worden sind, können die
Wälzlagereinheiten 15 und 16 in einem optimalen
Zustand in Erwiderung auf die Druckkraft in Abhängigkeit
der Ausführungen dieser Lagereinheiten verwendet werden.
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Insbesondere,
da die Sensoren 18 nahe der Lagereinheit 16 angeordnet
sind, kann die auf die in Frage kommende Lagereinheit 16 wirkende
Druckkraft direkt gemessen werden und im Er gebnis ist die Genauigkeit
einer derartigen Messung hoch, was es möglich macht, die
Druckkraft präzise zu steuern.
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13 veranschaulicht
das gesamte Luftkreislaufkühlsystem, welches Verwendung
der Turbineneinheit 5 nach einer der vorangehenden ersten bis
fünften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
macht. Dieses Luftkreislaufkühlsystem ist ein Kühlsystem,
in welchem Luft innerhalb eines abzukühlenden Raums 10,
wie zum Beispiel einer Kühlanlage, direkt als Kühlmedium
verwendet wird, und enthält einen Luftzirkulationskreislauf 1,
welcher sich von einem Lufteinlassanschluss 1a, welcher
in den abzukühlenden Raum 10 geöffnet
ist, zurück zu einem Auslassanschluss 1b erstreckt,
der auch in den abzukühlenden Raum 10 geöffnet
ist. Dieser Luftzirkulationskreislauf 1 enthält
eine Vorkomprimiereinheit 2, einen ersten Wärmetauscher 3,
den Kompressor 6 der Luftkreislaufkühlturbineneinheit 5,
einen zweiten Wärmetauscher 8, einen mittleren
Wärmetauscher 9 und die Expansionsturbine 7 der
Turbineneinheit 5, welche in dieser Reihenfolge zwischen dem
Lufteinlassanschluss 1a und dem Luftauslassanschluss 1b angeordnet
sind. Der mittlere Wärmetauscher 9 ist betriebsfähig,
einen Wärmeaustausch innerhalb desselben Luftzirkulationskreislaufs 1 zwischen
der einströmenden Luft in der Nähe des Lufteinlassanschlusses 1a und
der Luft durchzuführen, deren Temperatur an der nachfolgenden
Stufe erhöht worden ist und dann abgekühlt wird,
und die Luft in der Nähe des Lufteinlassanschlusses 1a fließt
durch den Wärmetauscher 9a.
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Die
Vorkomprimiereinheit 2 ist zum Beispiel in Form eines Gebläses
ausgebildet und wird durch einen Motor 2a angetrieben.
Der erste Wärmetauscher 3 und der zweite Wärmetauscher 8 enthalten jeweilige
Wärmetauscher 3a und 8a zum Zirkulieren des
Kühlmediums und führen einen Wärmeaustausch
zwischen Wasser innerhalb der Wärmetauscher 3a und 8a und
der Luft innerhalb des Luftzirkulationskreislaufs 1 durch.
Jeder der Wärmetau scher 3a und 8a ist
strömungsmäßig mit einem Kühlturm 11 verbunden
und das Kühlmedium mit einer erhöhten Temperatur
als Ergebnis des Wärmeaustauschs kann innerhalb dieses
Kühlturms 11 abgekühlt werden.
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Dieses
Luftkreislaufkühlsystem ist ein System zum Aufrechterhalten
des abzukühlenden Raums 10 bei einer Temperatur
von etwa 0 bis –60°C, und die Luft von etwa 0
bis –60°C und einer physikalischen Atmosphäre
von 1 fließt vom abzukühlenden Raum 10 zum
Lufteinlassanschluss 1a des Luftzirkulationskreislaufs 1.
Es ist zu beachten, dass bestimmte die Temperatur und den Druck
darstellende Zahlen, welche in der nachfolgenden Beschreibung verwendet
werden, nur dem Zweck der Veranschaulichung grober Betriebsbedingungen
dienen. Die in den Lufteinlassanschluss 1a eintretende Luft
wird durch den mittleren Wärmetauscher 9 verwendet,
um die Luft in der nachfolgenden Stufe des Luftzirkulationskreislaufs 1 abzukühlen
und wird auf 30°C erhitzt. Diese erhitzte Luft verbleibt
bei einer physikalischen Atmosphäre von 1, wird aber durch die
Vorkomprimiereinheit 2 auf eine physikalische Atmosphäre
von 1,4 komprimiert und, als ein Ergebnis dieser Komprimierung,
auf bis zu 70°C erhitzt. Beim ersten Wärmetauscher 3 genügt
es, wenn er die auf 70°C erhitzte Luft abkühlen
kann und ist demnach wirksam, die Luft effizient abzukühlen,
sogar mittels gekühltem Wasser mit Normaltemperatur, und
kühlt die Luft auf 40°C ab.
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Die
als ein Ergebnis des Wärmeaustauschs derart abgekühlte
Luft von 40°C und einer physikalischen Atmosphäre
von 1 wird nachfolgend durch den Kompressor 6 der Turbineneinheit 5 auf
eine physikalische Atmosphäre von 1,8 komprimiert, und
die als Ergebnis dieser Komprimierung auf etwa 70°C erhitzte
Luft wird durch den zweiten Wärmetauscher 8 auf 40°C
abgekühlt. Die Luft von 40° wird dann durch den mittleren
Wärmetauscher 9 auf –20°C als
Ergebnis des Wärmeaustauschs mit der einströ menden
Luft von –30°C abgekühlt. Der Druck wird
bei einer physikalischen Atmosphäre von 1,8 aufrechterhalten,
wie vom Kompressor 6 entlassen.
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Die
durch den mittleren Wärmetauscher 9 auf –20°C
abgekühlte Luft wird durch die Expansionsturbine 7 der
Turbineneinheit 5 adiabatisch ausgedehnt und wird, nachdem
sie weiter auf –55°C abgekühlt worden
ist, vom Auslassanschluss 1b in den abzukühlenden
Raum 10 entlassen. Dieses Luftkreislaufkühlsystem
führt einen derartigen Kühlkreislauf, wie oben
beschrieben, durch.
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Mit
diesem Luftkreislaufkühlsystem kann, da in der Turbineneinheit 5 die
stabilisierte Hochgeschwindigkeitsdrehzahl der Hauptwelle 13 mit
den aufrechterhaltenen angemessenen Rotorspitzenzwischenräumen
d1 und d2 der Rotoren 6a und 7a erhalten werden
kann, ferner die Langzeithaltbarkeit der Lagereinheiten 15 und 16 erhöht
werden. Demnach kann die Zuverlässigkeit der Turbineneinheit 5 als
Ganzes und folglich jene des Luftkreislaufkühlsystems als
Ganzes erhöht werden. Wegen der stabilisierten Hochgeschwindigkeitsdrehzahl
kann ferner die Langzeithaltbarkeit und die Zuverlässigkeit der
Hauptwellenlagereinheiten 15 und 16 der Gesamtturbineneinheit 5,
welche bisher ein Hauptflaschenhals des Luftkreislaufkühlsystems
gewesen sind, erhöht werden, und das Luftkreislaufkühlsystem kann
jetzt in der Praxis eingesetzt werden.
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Nachstehend
werden einige Ausführungsformen zusammengefasst, welche
eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
bilden, und welche die Magnetlagervorrichtung nach einer der zuvor
beschriebenen ersten bis siebten Ausführungsform als Grundlage
verwenden:
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[Achte Ausführungsform]
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Die
oben beschriebene Magnetlagervorrichtung nach der dritten Ausführungsform,
in welcher das Joch des Elektromagnets einen Jochabschnitt auf einer
inneren diametralen Seite und einen Jochabschnitt auf einer äußeren
diametralen Seite enthält, und wobei der Permanentmagnet
im Jochabschnitt auf der inneren diametralen Seite oder im Jochabschnitt
auf der äußeren diametralen Seite angeordnet ist.
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Im
Falle dieser achten Ausführung kann der Magnetflussverlust
vom Permanentmagnet reduziert werden und die durch den Permanentmagnet
ausgeübte magnetische Anziehungskraft kann effizient abgeschwächt
werden.
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[Neunte Ausführungsform]
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Die
Magnetlagervorrichtung nach der oben beschriebenen dritten oder
achten Ausführungsform, in welcher der Jochabschnitt, der
in Flächenkontakt mit dem innerhalb des Jochs des Elektromagnets
angeordneten Permanentmagnet gehalten wird, weist eine flache Form
auf.
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Sogar
im Fall dieser neunten Ausführungsform kann der Magnetflussverlust
vom Permanentmagnet reduziert werden und die durch den Permanentmagnet
ausgeübte magnetische Anziehungskraft kann effizient abgeschwächt
werden.
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[Zehnte Ausführungsform]
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Die
Magnetlagervorrichtung nach der oben beschriebenen dritten, achten
oder neunten Ausführungsform, in welcher ein Abschnitt
des Jochs, das in Flächenkontakt mit dem innerhalb des
Jochs des Elektromagnets angeordneten Permanentmagnet gehalten ist,
weist eine vorspringende Form auf.
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Sogar
im Fall dieser zehnten Ausführungsform kann der Magnetflussverlust
vom Permanentmagnet reduziert werden und die durch den Permanentmagnet
ausgeübte magnetische Anziehungskraft kann effizient abgeschwächt
werden.
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[Elfte Ausführungsform]
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Die
Magnetlagervorrichtung nach einer der oben beschriebenen dritten
und achten bis zehnten Ausführungsform, wobei der Permanentmagnet
eine integrale Ringform oder eine umfänglich geteilte Ringform
aufweist.
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Wenn
der Permanentmagnet eine integrale Ringform aufweist, kann mit anderen
Worten der Raum effizient verwendet werden, um den Permanentmagnet
und die Elektromagnetspule aufzunehmen. Wenn der Permanentmagnet
eine umfänglich geteilte Ringform aufweist, kann dessen
Handhabung vereinfacht werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Magnetlagervorrichtung enthält eine Hauptwelle (13),
eine flanschförmige Druckplatte (13a), welche
koaxial auf der Hauptwelle angebracht ist, um sich senkrecht zur
Hauptwelle zu erstrecken und welche aus einem ferromagnetischen
Werkstoff hergestellt ist, eine Wälzlagereinheit zum Abstützen einer
Radiallast und eine Magnetlagereinheit zum Abstützen entweder
einer Axiallast oder einer Lagervorspannung oder beiden, einen Elektromagnet
(17), welcher in ein Wellengehäuse (14)
eingepasst ist, um der Druckplatte ohne Berührung gegenüberzustehen,
einen Sensor (18) zum Feststellen einer auf die Hauptwelle
wirkenden Axialkraft und eine Steuerung (19) zum Steuern
des Elektromagnets in Erwiderung auf eine Ausgabe vom Sensor. In
dieser Magnetlagervorrichtung wird die Steifigkeit einer durch die Wälzlagereinheit
und ein Abstützsystem für die Wälzlagereinheit
gebildeten Verbundfeder höher gewählt als die
negative Steifigkeit des Elektromagnets.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2623202 [0002, 0004, 0010]
- - JP 07-91760 [0005, 0011]
- - JP 08-261237 [0006]