DE1219117B

DE1219117B - Storage of an electric motor for high speeds with a vertical rotor shaft

Info

Publication number: DE1219117B
Application number: DEC30756A
Authority: DE
Inventors: Henri Fehr
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1962-08-22
Filing date: 1963-08-22
Publication date: 1966-06-16

Description

Lagerung eines Elektromotors für hohe Drehzahlen mit vertikaler Läuferwelle Die Erfindung betrifft einen für hohe Drehzahlen bestimmten Elektromotor mit vertikaler Läuferwelle.Bearing of an electric motor for high speeds with a vertical rotor shaft The invention relates to a intended for high speeds electric motor with vertical Rotor shaft.

Aus Verschleißgründen hat es sich eingebürgert, für die Führung der rotierenden Teile hochtouriglaufender Motoren statt sich rasch abnutzender Kugellager Lager mit einem Flüssigkeits- oder Luftpolster zu verwenden. Lager dieser Art sind in der VDI-Zeitschrift in Bd. 95 (1953) auf den Seiten 1182 bis 1190 und in Bd. 96 (1954) auf den Seiten 1005 bis 1007 beschrieben.For reasons of wear and tear, it has become common practice to use bearings with a fluid or air cushion for guiding the rotating parts of high-speed motors instead of quickly wearing ball bearings. Bearings of this type are described in the VDI magazine in vol. 95 (1953) on pages 1182 to 1190 and in vol. 96 (1954) on pages 1005 to 1007 .

Der Einsatz dieser Lager findet einmal eine Grenze in der zulässigen Maximaldrehzahl und zum anderen in den Abdichtungsschwierigkeiten für das Schmiermittel. Mit zunehmender Drehzahl verringert sich nämlich die Exzentrizität der gelagerten Welle in bezug auf die Lagerschalen, und es kommt zu Rotationsinstabilitäten, so daß bereits kleine äußere Seitenkräfte eine erhebliche Pendelung der rotierenden Welle hervorrufen können. Die Abdichtungsprobleine steigen insbesondere bei Motoren mit vertikal angeordneten bewegten Teilen, so daß die Verwendung derartiger Lager am oberen Ende der rotierenden Welle besser zu vermeiden ist. Auf jeden Fall aber bedürfen die bekannten Lager noch einer Ergänzung durch eine besondere Zentriervorrichtung, die den oben dargelegten Instabilitätserscheinungen begegnen kann.The use of this bearing finds itself once a limit in the permissible Maximum speed and on the other hand in the sealing difficulties for the lubricant. With increasing speed, the eccentricity of the bearings decreases Shaft in relation to the bearing shells, and rotational instability occurs, so that even small external lateral forces cause a considerable oscillation of the rotating Cause wave. The sealing problems are increasing, particularly with engines with vertically arranged moving parts, so that the use of such bearings better to avoid at the top of the rotating shaft. In any case the known bearings still need to be supplemented by a special centering device, which can counteract the instability phenomena set out above.

Bekannt ist weiter die Möglichkeit, bewegte Teile mit Hilfe magnetischer Kräfte zu lagern. So befaßt sich das deutsche Gebrauchsmuster 1773 083 mit einem Schwingankermotor, dessen Anker im Magnetfeld wenigstens eines feststehenden Dauermagnetsystems frei schwebend gelagert ist. In der ETZ-B ist in Bd. 13 (1961) auf S. 525 ein Lager aus Ferritringen beschrieben, dessen axiale Stabilität mittels eines elektromagnetischen Servomechanismus gewährleistet werden soll. Die deutsche Auslegeschrift 1082 977 beschreibt eine Anordnung zur Wechselstromerzeugung, bei der zur axialen Entlastung der Lager oberhalb der rotierenden Teile ein Magnet angeordnet ist.Also known is the possibility of storing moving parts with the aid of magnetic forces. Thus, the German utility model 1773 083 deals with a vibrating armature motor, the armature of which is mounted freely floating in the magnetic field of at least one fixed permanent magnet system. In the ETZ-B in vol. 13 (1961) on p. 525 a bearing made of ferrite rings is described, the axial stability of which is to be ensured by means of an electromagnetic servomechanism. The German Auslegeschrift 1082 977 describes an arrangement for generating alternating current, in which a magnet is arranged above the rotating parts to axially relieve the bearing.

Der Hauptnachteil dieser magnetischen Lager ist in ihrer geringen Tragfähigkeit in axialer Richtung zu sehen. Größere und schwerere bewegte Teile verlangen dementsprechend noch besondere Vorkeh-rungen, die diese Axialkräfte aufnehmen müssen. Am stärksten ist diese Notwendigkeit insbesondere bei vertikaler Lage der rotierenden Teile gegeben, da dann schon deren Gewicht als axiale Lagerbelastung wirkt. Einen vollständigen Ersatz der üblichen Lager gestatten die magnetischen Lager also nicht, sie können erstere allenfalls in gewissem Ausmaß entlasten. Außerdem gestatten magnetische Lager eine Kraftübertragung im wesentlichen nur in Richtung des Magnetfeldes. Treten also Belastungen in verschiedenen Richtungen auf, so müssen auch verschieden gerichtete Magnetfelder vorgesehen werden, oder es müssen andere Lagerformen zusätzlich angeordnet werden, die einen Teil der Belastungen abfangen. Weiterhin sind magnetische Lager auch nur wenig geeignet, Belastungen wechselnder Größe aufzunehmen. Setzt man nämlich - aus Gründen konstruktiver Einfachheit - Dauermagnete ein, so muß deren Magnetfeld von vornherein auf die maximal zu erwartende Belastung abgestimmt sein, auch wenn diese nur selten zu erwarten ist. Das bedeuet aber die Notwendigkeit, große und schwere Magnete einzulassen, die häufig nur teilweise ausgenutzt werden und damit Umfang und Gewicht der gesamten Anlage unnötig vergrößern. Wendet man Elektromagnete auf, die an sich schon preislich ungünstiger sind, so kann man zwar die Lagerkräfte der jeweiligen Belastung anpassen, braucht dann aber wieder besondere Steuermittel für die Wicklungsströme und muß außerdem den Stromerzeuger und die Wicklungen auf die -möglicherweise nur selten auftretendemaximale Belastung berechnen.The main disadvantage of these magnetic bearings is their low load capacity in the axial direction. Larger and heavier moving parts require correspondingly conclusions which have to absorb these axial forces nor special Vorkeh-. This need is most pronounced, especially when the rotating parts are in a vertical position, since their weight then acts as an axial bearing load. The magnetic bearings do not allow a complete replacement of the usual bearings, they can at best relieve the former to a certain extent. In addition, magnetic bearings allow a power transmission essentially only in the direction of the magnetic field. So if loads occur in different directions, differently directed magnetic fields must also be provided, or other types of bearings must also be arranged that absorb some of the loads. Furthermore, magnetic bearings are not very suitable for absorbing loads of varying sizes. If permanent magnets are used - for reasons of structural simplicity - their magnetic field must be matched from the outset to the maximum load to be expected, even if this is only rarely to be expected. However, this means the need to allow large and heavy magnets, which are often only partially used and thus unnecessarily increase the size and weight of the entire system. If you use electromagnets, which are in themselves less expensive, you can adapt the bearing forces to the respective load, but then you need special control means for the winding currents and you also have to calculate the power generator and the windings for the maximum load that may only rarely occur .

Die Lagerung der bewegten Teile eines Elektromotors, der Belastungen verschiedener Art ausgesetzt ist, so daß also nicht nur die eigene Schwere und die durch die eigene Masse erzeugten Zentrifugalkräfte, die sich durch Ausbildung des Läufers als Kreisel großer Rotationsstabilität weitgehend kompensieren lassen, d. h. also im wesentlichen konstante Kräfte von den Lagern aufgenommen werden müssen, ist also mit rein magnetischen Mitteln kaum möglich.The storage of the moving parts of an electric motor, which is exposed to loads of different kinds, so that not only the own gravity and the centrifugal forces generated by the own mass, which can be largely compensated by designing the rotor as a gyroscope with great rotational stability, i.e. H. So essentially constant forces have to be absorbed by the bearings, is hardly possible with purely magnetic means.

Der Erflndung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den bekannten Lagerungsmöglichkeiten einen Elektromotor mit vertikaler Läuferwelle so auszubilden, daß er auch bei höchsten Drehzahlen und beliebigen von außen auf ihn einwirkenden Kräften weder rotationsinstabil wird, noch ein Schmiermittelaustritt zu beobachten ist.The invention is therefore based on the object, proceeding from the known storage options an electric motor with a vertical rotor shaft so train that he even at the highest speeds and any from the outside on him acting forces is neither rotationally unstable, nor a leakage of lubricant is to be observed.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination gelöst, daß die Läuferwelle an ihrem unteren Ende in einem Spurzapfenlager auf einem Flüssigkeits- oder Luftpolster gelagert ist, daß im oberen Teil des Motors eine magnetische Zentriervorrichtung für die Läuferwelle vorgesehen ist und daß der Läufer als Kreisel großer gotationsstabilität ausgebildet ist.According to the invention this object is achieved by the combination that the rotor shaft at its lower end in a journal bearing on a fluid or air cushion is mounted that in the upper part of the motor a magnetic centering device is provided for the rotor shaft and that the rotor as a gyroscope has great gotation stability is trained.

Bei der erfindungsgemäßen Lagerung g der Läuferwelle trägt das Spurzapfenlager mit Flüssigkeits-oder Luftpolster das Gewicht des gesamten Läufers, der in diesem Lager auch einwandfrei zentriert ist. Wegen der Ausbildung des Läuferd als Kreisel mit hoher Schwungmasse, bei dem der relativ schwere Motoranker in geringem Abstand über dem Spurlager angeordnet ist, werden die durch geringe, meist unvermeidliche Unsymmetrien im magnetischen und elektrischen Aufbau des Motors bedingten tangentialen Störungs- bzw. radialen Auslenkkräfte stark gedämpft; die Auslenkkräfte werden zum größeren Teil von dem Spurlager aufgenomnien, und nur ein geringer Anteil dieser Kräfte beansprucht die magnetische Zentriervorrichtung, die oberhalb der aktiven Motorbauteile vorgesehen ist.In the case of the rotor shaft bearing g according to the invention, the track journal bearing with a liquid or air cushion bears the weight of the entire rotor, which is also perfectly centered in this bearing. Due to the design of the rotor as a gyroscope with a high flywheel, in which the relatively heavy motor armature is arranged a short distance above the thrust bearing, the tangential disturbance or radial deflection forces caused by small, usually unavoidable asymmetries in the magnetic and electrical structure of the motor become strong steamed; the deflection forces are for the most part absorbed by the thrust bearing, and only a small proportion of these forces are used by the magnetic centering device, which is provided above the active motor components.

Die magnetische Zentriervorrichtung für die Läuferwelle kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nach dem Vorbild der französischen Patentschriften 1159 301 oder 1271654 zwei Gruppen einander gegenüberstehender, konzentrischer Kämme aufweisen, von denen die eine feststeht und die andere auf einer mit der Läuferwelle verbundenen Zentrierscheibe angeordnet ist. Die einander mit ihren Spitzen dicht gegenüberliegenden Kämme, zwischen denen das zentrierende Magnetfeld wirkt, ergeben schon bei kleinen seitlichen Auslenkbewegungen des Läufers sehr schnell anwachsende Rückstellkräfte, da diese nur Auslenkkräften entgegen-,wirken müssen, aber keine Gewichtsbelastungen zu übernehmen haben. Die an dem abtriebsseitigen Ende der Motorwelle angeordnete Zentrierscheibe, die als zusätzliche Schwungmasse wirkt, dämpft auch Störkräfte, die von der angetriebenen Maschine od. dgl. herkommen können.The magnetic centering device for the rotor shaft can, in an advantageous embodiment of the invention, based on the model of French patents 1159 301 or 1271 654, have two groups of opposing, concentric combs, one of which is fixed and the other is arranged on a centering disk connected to the rotor shaft. The crests, which are closely opposed to each other with their tips and between which the centering magnetic field acts, result in very rapidly increasing restoring forces even with small lateral deflection movements of the rotor, since these only have to counteract deflection forces, but do not have to take on any weight loads. The centering disk, which is arranged at the end of the motor shaft on the output side and acts as an additional flywheel, also dampens disruptive forces that can come from the driven machine or the like.

Das Spurzapfenlager am unteren Ende der Läuferwelle kann im Sinne einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorteilhafterweise nach dem Vorbild der in den obenerwähnten Aufsätzen in der VDI-Zeitschrift beschriebenen Lager eine Buchse aufweisen, die an ihrem Umfang mit zylindrischen, parallel zur Drehachse verlaufenden Nuten versehen ist, die gegenüber einer Stirnringfläche eines ebenen Bundes der Läuferwelle ausmünden und das Druckpolster des Spurlagers speisen.The track journal bearing at the lower end of the rotor shaft can be used in the sense a further embodiment of the invention advantageously based on the model of in the above-mentioned articles in the VDI magazine described a bushing have, which on their circumference with cylindrical, parallel to the axis of rotation Grooves is provided opposite an end ring surface of a flat collar of the Open the rotor shaft and feed the pressure pad of the thrust bearing.

In ergänzender Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Zeichnung zeigt in ihrer einzigen Figur einen schematischen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor, bestehend aus einem Rotor 1, welcher unten in einem Druckölspurzapfenlager 2 gelagert ist und in seinem oberen Teil mit einer Zentrierscheibe 3 für die magnetische Zentrierung versehen ist, welche zwei Gruppen von konzentrischen, umlaufenden Kämmen 3a und 3b enthält.In a supplementary explanation of the invention, an exemplary embodiment is described below with reference to the drawing. The drawing shows in its single figure a schematic axial section through an electric motor according to the invention, consisting of a rotor 1, which is mounted below in a pressure oil spur journal bearing 2 and is provided in its upper part with a centering disk 3 for magnetic centering, which two groups of concentric Contains circumferential ridges 3a and 3b.

Der feststehende Teil des Motors umfaßt einen Stator 4, welcher in einem Gehäuse 5 angeordnet ist, dessen unterer Teil die Spurzapfenlagerpfanne 6 und die Leitungen für die Druckölspeisung des Lagers enthält und in dessen Oberteil die Erregerwicklung 7 für den feststehenden Teil 8 der magnetischen Zentrierung mit zwei Gruppen ringförmiger Kämme 8 a und 8 b enthält, welche den Kämmen 3 a und 3 b der mit dem Rotorl verbundenen umlaufenden Zentrierscheibe 3 gegenüberstehen.The stationary part of the motor comprises a stator 4, which is arranged in a housing 5 , the lower part of which contains the track journal bearing socket 6 and the lines for the pressure oil supply of the bearing and in its upper part the excitation winding 7 for the stationary part 8 of the magnetic centering with two groups of annular ridges 8 a and 8 b includes that the ridges 3 a and 3 b is connected to the Rotorl circumferential centering 3 facing.

Die magnetische Zentrierung hat also zwei Luftspalte, welche einerseits durch die Kämme 3 a und 8 a, andererseits durch die Kämme 3 b und 8 b gebildet werden.The magnetic centering thus has two air gaps, which are formed on the one hand by the combs 3 a and 8 a, on the other hand by the combs 3 b and 8 b .

Die Kraftlinien der magnetischen Zentrierung verlaufen beispielsweise wie die in der Zeichnung dargestellte Linie f, welche in magnetisch leitendem Material verläuft, während der Teil 9 des feststehenden Gehäuses, der den Anker und Stator von der Zentrierscheibe trennt, aus unmagnetischem Werkstoff besteht.The lines of force of the magnetic centering run, for example, like the line f shown in the drawing, which runs in magnetically conductive material, while the part 9 of the fixed housing, which separates the armature and stator from the centering disc, consists of non-magnetic material.

Das obere Ende der Welle des Motors kann geeignet gestaltet sein, um die Übertragung eines Drehmomentes zu einer Maschine zu ermöglichen.The upper end of the shaft of the motor can be designed to be suitable to enable the transmission of a torque to a machine.

Die becherartige Buchse in der Lagerpfanne 6 des Spurzapfenöldrucklagers ist am Umfang mit etwa zylindrischen, parallel zur Drehachse verlaufenden Nuten 10 versehen, welche in einen ebenen Ringteil 11 der Lagerpfanne 6 münden, der als Flüssigkeitsdrucklager wirkt. Das Lager erfüllt zwei Aufgaben: Einerseits wird die Resultierende des Axialschubes der magnetischen Zentrierung sowie des Eigengewichtes des rotierenden Teiles durch den Druck des öles auf die ebene, den Spurzapfen 2 um- gebende Ringstimfläche der Welle derart ausgeglichen, daß die Welle auf dem Druckölkissen »Schwimmt«, andererseits zentriert der seitlich wirkende Druck in den besagten Nuten den unteren Zapfen der Rotorwelle in dem Spurlager ohhe Reibungsberührung.The cup-shaped bush in the bearing cup 6 of the track pin oil pressure bearing is provided on the circumference with approximately cylindrical, extending parallel to the axis of rotation grooves 10, which open into a flat annular portion 11 of the bearing cup 6 which acts as a fluid pressure bearings. The bearing has two functions: on the one hand, is compensated for the resultant of the axial thrust of the magnetic centering as well as the dead weight of the rotating part by the pressure of the oil on the plane, the track pin 2 environmentally imaging annular front surface of the shaft such that the shaft "in the pressurized oil cushion Floats «, On the other hand, the laterally acting pressure in the said grooves centers the lower journal of the rotor shaft in the thrust bearing without frictional contact.

Auf dem Bund der Welle oberhalb des Spurzapfens ist ein ölabweisring 12 angebracht. Ein Manometeranschluß 13 ermöglicht die Überwachung des öldruckes im Spurlager.An oil-repellent ring 12 is attached to the collar of the shaft above the track pin. A pressure gauge connection 13 enables the oil pressure in the thrust bearing to be monitored.

Claims

Claims: 1. Electric motor for high speeds with a vertical rotor shaft, characterized by the combination that the rotor shaft is mounted at its lower end in a journal bearing (2, 6) on a liquid or air cushion that a magnetic centering device in the upper part of the motor (3, 8 a, 8 b) is provided for the rotor shaft and that the rotor is designed as a gyro with great rotational stability.

2. Electric motor according spoke 1, characterized in that the magnetic centering device has two groups of opposing, concentric combs (3a, 8a; 3b, 8b) , one of which is fixed and the other on a centering disk connected to the rotor shaft (3) is arranged. 3. Electric motor according to claim 1, characterized in that the socket of the track journal bearing is provided on its circumference with cylindrical grooves (10) running parallel to the axis of rotation, which open towards an end ring surface of a flat collar of the rotor shaft and feed the pressure pad of the thrust bearing.

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1082 977; German utility model No. 1773 083; French Patent Nos. 1159 301, 1271 654; VDI magazine, 1953, pp. 1182 to 1190; 1954, pp. 1005 to 1007; ETZ-Part B, 1961, p. 525.