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Magnetische Zentrier- und Antriebsvorrichtung mit ringförmig um die
Drehachse angeordneten Magnetpolen für einen schwimmend gelagerten Läufer Die Erfindung
bezieht sich auf eine magnetische Zentrier- und Antriebsvorrichtung mit ringförmig
um die Drehachse angeordneten Magnetpolen für einen schwimmend gelagerten Läufer,
der durch eine wasserdichte, mit dem Gehäuse verbundene Wand von einem dem Antrieb
dienenden Rotor getrennt ist.
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Es ist bereits eine Einrichtung bekanntgeworden, die der Lagerung
und Zentrierung von sich drehenden Körpern dient, wobei die Zentrierung mit Hilfe
eines drehsymmetrischen Magnetfeldes erfolgt und die Lagerung in Richtung der Drehachse
von einem Luftpolster gebildet wird. Diese Einrichtung erlaubt Woch lediglich die
Zentrierung und nicht auch den Antrieb des Läufers.
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Eine andere Einrichtung dieser Art besteht aus einem frei im Magnetfeld
schwebenden Läufer, wobei die Magnete seitlich des Läufers ar%geordnet sind und
gleichzeitig zum Antrieb des Läufers dienen. Bei dieser ausschließlich als Rührwerk
bestimmten Einrichtung besteht die Aufgabe der Magnetisiereinrichtung außer der
übertragung eines Drehmomentes im wesentlichen darin, den Läufer in der Schwebe
zu halten, weshalb die Magnetpole außen um den Behälter herum in der gleichen Ebene
wie der Läufer angeordnet sind. Die Zentrier-ung des Rührwerkläufers wird hierbei
im wesentlichen von der Behälterwandung und weniger von der Magnetisiereinrichtung
vorgenommen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen,
die es ermöglicht, einen gleichachsig mit dem antreibenden Rotor angeordneten, durch
eine wasserdichte, mit dem Gehäuse verbundene Wand von diesem getrennten Schwimmläufer
zu zentrieren, anzutreiben und in der Schwebe zu halten. Die Erfindung besteht bei
der eingangs genannten Vorrichtung darin, daß die Magnetpole am Rotor und,am Gehäuse
vorgesehen sind und die von ihnen ausgehenden Magnetfelder entsprechende Polstücke
des Läufers durchsetzen, wobei das vom Gehäuse ausgehende Magnetfeld feststeht und
der Zentrierung des Schwimmläufers dient, während sich in bekannter Weise das vom
Rotor-ausgehende Magnetfeld dreht und der übertragung des Drehmomentes auf den Schwimmläufer
dient.
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Die Pole des vom Gehäuse ausgehenden, der Zentrierung des Läufers
dienenden feststehenden Magnetfeldes bestehen vorteilhaft aus ringförmig geschlossenen,
um die Drehachse verlaufenden, in an sich bekannter Weise scharfkantig ausgebildeten
Rippengruppen, die entsprechend ausgebildeten Rippengruppen auf dem Schwimmläufer
gegenüberliegen, während die Pole des von dem Rotor ausgehenden, der übertragung
des Drehmomentes auf den Läufer dienenden Magnetfeldes sowie die entsprechenden
Gegenpole des Schwimmläufers aus ringförmig um die Drehachse verlaufenden gezahnten
Kränzen mit flachen Stirnflächen bestehen. Der zwischen den einander gegenüberliegenden
Rippen bestehende Luftspalt wird vorteilhaft so klein wie möglich gehalten. Die
Zahnkränze des Rotors und des Schwimmläufers können die gleiche Anzahl oder eine
unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen. Zum Ausgleich der von den magnetischen
Zentrierungs- und Antriebskreisen auf den Schwimmläufer ausgeübten Anziehungskräfte
ist vorteihaft ein weiterer, oberhalb des Läufers angeordneter Hilfsmagnetkreis
vorgesehen, dem gegenüber sich ein auf dem Schwimmläufer angeordneter Ring aus magnetisierbarem
Material befindet.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann sowohl zum Antrieb
als auch zur Zentrierung ein einziger Magnetkreis vorgesehen sein, wobei als Magnetpole
vorteilhaft scharfkantig ausgebildete
Zahnkränze vorgesehen sind.
Die scharfkantige Ausbildung der Zähne dient hierbei dem Zweck der Zentrierung,
während die gezahnte Ausbildung der Kränze als solche der übertragung des Drehmomentes
dic.it.
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Die Ausbildung der Rippen bzw. Zahnkränze ist vorteilhaft so getroffen,
daß die Gesamtlänge der Rippen des inneren Kranzes bzw. der inneren Zähne gleich
der Gesamtlänge der Rippen des äußeren Kranzes bzw. der äußeren Zähne ist.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht.
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F i g. 1 ist --in Längsschnitt einer Zentrier- und Antriebsvorrichtung
gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt die Ansicht einer Hälfte des Rotors der
in F i g. 1 wiedergegebenen Vorrichtung; in F i g. 3 ist ein Längsschnitt
einer anderen Ausführungsform einer Zentrier- und Antriebsvorrichtung und in F i
g. 4 die Ansicht einer Hälfte des Rotors der in F i g. 3 wiedergegebenen
Ausführungsform dargestellt; F i g. 5 zeigt einen Teil der Vorrichtung gemäß
F i g. 3 in vergrößerter Darstellung im Schnitt, wobei der Läufer gegenüber
dem Rotor als exzentrisch angeordnet angenommen ist; F i g. 6 ist eine perspektivische
Darstellung des Läufers und des Rotors sowie des festen Induktionskreises der in
F i g. 3 wiedergegebenen Vorrichtung, wobei die Elemente nach einer diametralen
Ebene geschnitten sind.
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Die in Fi g. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung besteht aus einer
Antriebswelle 1 mit fest daran angebrachtem Rotor 2 und einem Schwimmläufer
3, mit dem das Arbeitsorgan der angetriebenen Maschine, im Beispielsfall
--in Kompressorrad 4, fest verbunden ist. Der Schwimmläufer 3 und das Kompressorrad
4 sind in einem abgeschlossenen Raum 5 angeordnet, der von dem Gehäuse
35 begrenzt wird und der von dem Raum 6, in dem sich der Rotor 2 befindet,
von einer Trennwand 7 abgetrennt ist.
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Die Antriebswelle 1 weist einen Anschlagbund 8
auf, der
die axialen Stöße, denen die Welle 1 auseresetzt ist, auf das Lager
9 überträgt.
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Zur Führung der Antriebswelle 1 ist ein weiteres Radiallagger
10 vorgesehen, das - ebenso wie das Lager 9 - in dem Gehäuse
11 untergebracht ist, in dem der Rotor 2 angeordnet ist. Das Gehäuse
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dient weiterhin zur Aufnahme eines ringförmigen Magnetkreises 12 von U-förmigem
Querschnitt, in dem eine feste Erregerwicklung 13 angeordnet ist, die der
Erzeugung des für die übertragung des Drehmomentes zwischen dem Rotor 2 und dem
Läufer 3 erforderlichen magnetischen Flusses Odient. Der Rotor 2 ist mit
einem äußeren Zahnkranz 14 und einem inneren Zahnkranz 15 versehen, die durch
ein ringförmiges Zwischenstück 16 aus antimagnetischem Material voneinander
getrennt sind.
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Der Schwimmläufer 3 weist zur Bildung des einen geschlossenen
Magnetkreises 17 ebenfalls einen äußeren Zahnkranz 18 und einen inneren
Zahnkranz 19 auf, die den entsprechenden, auf dem Rotor 2 angeordneten Zahnkränzen
14 und 15 gegenüberliegen und von diesen durch die Wand 7 getrennt
sind.
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Im Beispielsfall handelt es sich um eine Synchronkupplung, weshalb
die Zahnkränze 14 und 15 des Rotors 2 die gleiche Zahl von Zähnen aufweisen
wie die Zahnkränze 18 und 19 des Schwimmläufers 3.
Im Falle
einer Asynchronkupplung sind für die Zahnkränze des Rotors 2 und des Schwimmläufers
3 unterschiedliche Zahnzahlen vorgesehen.
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Erfindungsgemäß wird der Schwimmläufer 3 von einem weiteren
Magnetfeld 21 koaxial zum Magnetfeld 17 durchsetzzt, das von dem Magnetkreis
22 ausgeht und der Zentrierung des Läufers dient. Zu diesem Zweck ist am Teil
23 des äußeren Gehäuses der Maschine eine ringfönnige Erregerwicklung
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vorgesehen, die von zwei Ringen 24 und 25 aus magnetisierbarem Material
umschlossen ist. Die Ringe 24 und 25 sind durch ein ringförmiges Zwischenstück
26 aus antimagnetischein Material verbunden und laufen an ihren freien Rändern
in Polkränzen, und zwar dem äußeren Polkranz 28 und dem inneren Polkranz
29, aus. Der äußere Polkranz 28 besteht aus zwei, der innere Polkranz
29 aus drei kreisförmigen Rippen mit scharfen Kanten.
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Der Schwimmläufer 3 weist zwei den Polkränzen 28 und
29 entsprechende Polkränze 31 und 32 auf, die in entsprechender
Weise aus zwei bzw. drei ringförmigen Rippen mit scharfen Kanten bestehen. Die Rippen
der Kränze 31 und 32 haben die gleichen Durchmesser, die gleichen
Abstände und die gleiche Verteilung wie die Rippen der entsprechenden Kränze
28 und 29 und liegen ihnen gegenüber.
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Die Zentrierung des Schwimmläufers 3 erfolgt durch Speisung
der Erregerwicklung 27, die einen magnetischen Fluß erzeugt. Dieser magnetische
Fluß 0 schließt sich über die Ringe 24 und 25 und den Teil
23 des äußeren Gehäuses der Maschine und konzentriert sich in den die äußeren
Kränze 28 bzw. 31 und inneren Kränze 29 bzw. 32 bildenden
Rippen, wodurch eine sehr genaue Zentrierung des Läufers 3
ermöglicht wird.
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Die Zahl der Rippen der inneren und äußeren Kränze ist verschieden,
um einen konstanten Durchgangsquerschnitt für den magnetischen Fluß zu schaffen.
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Der Schwimmläufer 3 weist außerdem eine rundumlaufende zylindrische
Wandung 33 auf, die mit ihrer Querfläche auf einer ringfönnigen flachen Stützfläche
34 des den Rotor 2 umgebenden Gehäuses 35
ruht. Die Stützfläche kann ebenfalls
konisch oder sphärisch ausgebildet sein.
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Infolge der von den magnetischen Flüssen (I) und (P1 verursachten
Anziehungskräfte übt der Schwimmläufer 3 einen Druck auf die Stützfläche
34 aus. Um diesen Druck nach Belieben zu verändern, ist ein magnetischer Hilfskreis
36 vorgesehen, der aus einem ringförmigen Schutzmantel 37 besteht,
in dessen Innenraum eine mit Gleichstrom oder gleichgerichtetem Strom gespeiste
Wicklung 38 angeordnet ist. Der Schwimmläufer 3 weist einen gegenüber
der Wicklung 38 angeordneten Ring 39 aus magnetisierbarem Metall auf.
Der von dem magnetischen Hilfskreis 36 erzeugte Fluß (A, schließt sich in
dem kontinuierlichen Ring 39, so daß dieser einer axialen Anziehungskraft
in Richtung auf den Hilfskreis unterworfen wird. Die axiale Anziehungskraft kann
demgemäß nach Belieben geregelt werden, und zwar durch Veränderung der Erregung
der Wicklung 38,
so daß der Druck, der vom Schwimmläufer 3 auf die
Stützfläche 34 ausgeübt wird, teilweise ausgeglichen wird.
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Die F i g. 3 bis 6 zeigen eine andere Ausführungsform
der Zentrier- und Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher der vom magnetischen
Zentrierungskreis
ausgehende magnetische Fluß auch zur übertragung des Drehmomentes zwischen dem Rotor
42 und dem Schwimmläufer 43 dient. Bei dieser Ausführungsforin tragen die Elemente,
die denen der Vorrichtung nach F i g. 1 und 2 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen.
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In der in F i g. 3 wiedergegebenen Ausführungsform trägt die
Antriebswelle 1 eine Platte 41, die an einem Ende aufgekeilt ist und auf
der zwei koaxiale, durch ein ringförmiges antimagnetisches Zwischenstück 46 verbundene
Rotorringe 44 und 45 aus magnetisierbarem Material befestigt sind. Die Elemente
41, 44, 45 und 46 stellen den Antriebsrotor 42 dar. In dem von den Ringen 44 und
45 gebildeten ringförmigen Zwischenraum liegt der feste ringförmige Teil 12 des
Magnetkreises, der am Gehäuse 11 der Maschine befestigt ist und in dessen
Innerem sich die Erregerwicklung 13 befindet.
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Wie bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Schwimmläufer 43 fest mit dem Arbeitsorgan 4 der Maschine verbunden und
in einem abgeschlossenen Raum 5 angeordnet, der vom Gehäuse 48 und der dichten
Trennwandung 47 begrenzt ist.
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Der Schwimmläufer 43 wird von einem einzigen Magnetfeld 49 durchsetzt,
wobei als Polstücke zwei zur Längsachse Y-Y des Rotors konzentrisch angeordnete
Zahnkränze 50 und 51 dienen. Jeder Zahn des äußeren Kranzes
50 besteht aus zwei, jeder Zahn des inneren Kranzes 51 aus drei konzentrischen,
scharfkantig ausgebildeten Rippen. Die Zähne des äußeren und des inneren Kranzes
sind paarweise nach Radien angeordnet, die zwischen sich einen konstanten Winkel
einschließen, wobei die Gesamtlängeder Rippen des inneren Kranzes gleich der Gesamtlänge
de.- Rippen des äußeren Kranzes ist. So ergibt sich für beide Zahnkränze ein konstanter
Durchflußquerschnitt für den magnetischen Fluß 03.
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Der Rotor 42 ist auf der anderen Seite der dichten Trennwandung 47
in gleicher Art und Weise beschaffen wie der Schwimmläufer 49. Die Ringe 44 und
45 laufen in Polzähnen aus, die einen äußeren und einen inneren Zahnkranz bilden.
Bei dieser Ausführungsforrn schließt sich der magnetische Fluß 03,
der von
der Erregerwicklung 13 erzeugt wird, über die Rotorringe 44, 45, wobei er
in den Rippen der inneren Zahnkränze 53, 51 und äußeren Zahnkränze
52, 50 konzentriert ist.
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Im Betrieb wird die Stellung des Läufers 43 bestimmt durch den geringsten,
dem Magnetfluß entgegenstehenden Widerstand, was dann der Fall ist, wenn die Kanten
der Rippen der Zähne 50 und 52
bzw. 51 und 53 einander
genau gegenüberliegen. Die Drehachse des Schwimmläufers 43 wird auf diese Weise
durch die magnetische Verbindung mit dem Rotor 42 bestimmt, dessen Achse durch die
Lager 9
und 10 festgelegt ist.
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Andererseits stellt das Zusammenfallen der Zähne 50, 51
mit den Zähnen 52, 53 die minimale magnetische Widerstandsstellung dar, der
das synchrone, bei gegebenen Abmessungen von der Intensität der Erregung der Wicklung
13 abhängige übertragun#gsdrehmoment entspricht. Der so geschaffene Magnetkreis
hat dann einen minimalen magnetischen Widerstand, wenn drei Bedingungen erfüllt
sind, nämlich: 1. Zusammenfallen der Achse X-Y des Schwimmläufers 43 mit
der Achse X-X des Rotors 42; 2. Stellung der Zähne der Kränze 50 und
52 bzw. 51 und 53 genau gegenüber beidseitig der Trennwand
47, 3. minimaler Abstand a (F i g. 6) zwischen den einander gegenüberliegenden
Kanten.
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Die Trennwand 47 zwischen dem Rotor und dem Läufer besteht aus antimagnetischem
und schlecht stromleitendem Material. Sobald die Erregerwicklung 13 gespeist
wird, bildet sich ein magnetischer Fluß 0 3
in den magnetisch am stärksten
durchlässigen Zonen aus. Damit der magnetische Widerstanddes Magnetkreises minimal
wird, müssen die Achsen, X-X des Rotors 42 und Y-Y des angetriebenen Schwimmläufers
43 zusammenfallen. Falls sich eine Abweichung e (F i g. 5) zwischen
den Achsen Y-Y und X-X ergibt, wirken magnetische Rückholkräfte F
0 und F 1
auf den Schwimmläufer 43 ein, die versuchen, die Achsengleichheit
wiederherzustellen.
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Wie bei der Ausführungsforrn gemäß F i g. 1 und 2 ist ein magnetischer
Hilfskreis 36 zur Erzeugung eines magnetischen Flusses 02 vorgesehen, der
die axiale vom magnetischen Zentrierungskreis auf den Schwimmläufer 43 ausgeübte
Anziehungskraft auszugleichen gestattet.
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Bei allen Ausführungsformen wird die Lage des sich drehenden Schwimmläufers
3 bzw. 43 von den Lagern 9 und 10 bestimmt, ohne daß eine mechanische
Verbindung mit diesen besteht. Das Antriebsdrehmoment ist dabei vom Erregerstromkreis
in der Wicklung 13 abhängig.
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Die Antriebs- und Zentrierungseinrichtung kann auch in kinematischer
Umkehrung betrieben werden, wobei der Schwimmläufer beispielsweise der Rotor einer
Turbine ist und den Rotor mitnimmt, der mit einem Generator fest verbunden ist.
Ebenso kann an Stelle eines ebenen Luftspaltes für die übertragungsvorrichtung ein
zylindrischer Luftspalt vorgesehen sein.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 und 2 kann der Magnetkreis
17 mit den Zahnkränzen 18 und 19
durch eine einfache Platte
ersetzt sein, die mit einer leitenden Schicht überzogen ist. Die Mitnahme erfolgt
dann über Foucaultsche Ströme, die in der leitenden Schicht erzeugt werden.
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Für die die verschiedenen Zähne und Kronen darstellenden Rippen können
verschiedene Profile vorgesehen werden, wobei die wesentliche zu beachtende Bedingung
ist, daß die Rippen in scharfen Kanten auslaufen, um eine genaue Stellung der beiden
Rotoren gegeneinander zu gewährleisten.