DE1750602B2 - Magnetische lagerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung zahlen. Eine Schwingungsdämpfung in radialer Richeines mit ferromagnetischen Teilen versehenen Ro- tung ist nicht vorgesehen.

tors an einem feststehenden Teil ohne Berührung Es sind ferner Lagerungen bekannt geworden, bei

zwischen diesen, wobei am feststehenden Teil wenig- denen Permanent-Ringmagnete am Stator mit Perstens ein Axial-Stabilisierungsmagnet angeordnet ist, 5 manentmagneten am Rotor zusammenwirken, um der ein Magnetfeld mit einer axialen Komponente eine gewisse radiale Stabilisierung zu bewirken Die erzeugt, wobei wenigstens eine elektromagnetisch axiale Stabilisierung wird aktiv durch von Fühlern wirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung vorgese- gesteuerte Elektromagnete bewirkt, die durch axiale hen ist, die von einem Steuergerät beaufschlagte Anziehung ein stabilisierendes Moment ausüben. Elektromagnete besitzt, die ferromagnetische Teile io Diese Lager erfordern Permanentmagnete am Rotor, am Rotor beeinflussende Magnetfelder erzeugen. die die Herstellungskosten und das Rotorgewicht

Zweck von magnetischen Lagerungen ist es, dreh- erhöhen und die Drehzahlfestigkeit negativ beeinbare Teile (Rotoren) ohne mechanischen Kontakt flüssen. Die zur Steuerung der axialen Position erforzum feststehenden Teil zu lagern, so daß keine Lager- derliche magnetische Anziehung des Rotors nach reibung und kein Verschleiß auftritt und insbesondere 15 unten erhöht unnötig den Energieaufwand der Lagekt-ine Schmiermittel zum Betrieb der Lagerung nötig rung.

sind. Das Anwendungsgebiet liegt daher insbesondere Außerdem sind Lagerungen bekannt geworden, bei

K-i Lagerungen von Rotoren mit extrem hoher Dreh- denen Magnetkräfte zur Entlastung der mechanischen ?a!il und'oder bei solchen Rotoren, die im Vakuum Lager beitragen. Diese Lagerungen benötigen jedoch knit -·η oder die unmittelbar mit aggressiven Gasen in 20 alle wenigstens ein mechanisches Lager, dessen Bei Ihrung kommen, die mechanische Lager zer- Lebensdauer begrenzt ist und das Schmiermittel usw. stören würden. erfordert. Insofern können diese Magnetentlastungen

Is ist eine Lagerung der eingangs erwähnten Art das vorliegende Problem nicht lösen.
Kl· mnt geworden, die zwei auf jeder Seite an die Es ist beispielsweise eine magnetische Lagerent-

Sumflächen des Rotors angrenzende, aktiv geregelte, 25 lastung bekannt geworden, bei der die axiale Fühtopiförmige Elektromagnete besitzt, die mit End- rung des horizontalen Rotors von mechanischen scheiben des Rotors zu dessen axialer Stabilisierung Lagern allein übernommen wird, während in radialer zusammenarbeiten. Zusätzlich sind Radial-Stabilisie- Richtung geregelte magnetische Lagerentlastung nmgseinrichtungen vorgesehen, die die durch magne- vorgesehen ist. Diese besteht je Lagerebene aus vier tische Scherkräfte bewirkte Radial-Stabilisierung 30 um den Rotor herum angeordneten Permanentmagnedurch die Axiallager unterstützen. Die Axial- und ten, von denen jeder eine nahezu geschlossene Huf-Radial-Lagerelemente sind bei dieser bekannten eisenform hat. Auf jedem Permanentmagneten ist Lagerung als Wechselspannungs-Resonanzkreislager eine elektrische Wicklung angebracht. Zwei von ausgebildet, besitzen also keine Fühler, sondern wer- ihnen wirken lediglich als Fühler, während die zwei den durch Verstimmung eines Resonanzkreises ge- 35 anderen den Rotor durch Magietfeldänderunger· regelt. Derartige Lager haben jedoch den wesent- entgegen seiner Schwerkraft radial lagern. Sie werlichen Nachteil, daß der Rotor ständig von magneti- den durch ein Gleichspannungs-Steuergerät geregelt, sehen Wechselfeldern durchsetzt ist, die starke Dieses Lager arbeitet nicht berührungsfrei und be-Wirbelstrom- und Hystereseverluste erzeugen, er- seitigt nicht die zu vermeidenden Nachteile mechawärmend auf den Rotor einwirken. Außerdem ist 40 nischer oder teilmechanischer Lagerungen (Schmieeine Lagejustierung des Rotors schlecht möglich. rungs-, Drehzahl-, Lebensdauer-Probleme usw.). Es Ferner ist die konstruktive Gestaltung des Rotors hat sehr große Lagerverluste durch Wirbelströme dadurch beschränkt, daß die Anordnung von End- und Hysterese, da keine homogene Magnetfeldverscheiben notwendig ist. teilung über den Rotorumfang zu erreichen ist und Es ist bereits eine Lagerung bekannt geworden, 45 die Lagerelemente zu einer sehr starken Polausbilbei der ein Läufer, dessen Durchmesser größer ist dung neigen.

als seine axiale Länge, unterhalb eines Elektromagne- Aufgabe der Erfindung ist es, eine magnetische

ten aufgehängt ibt. Der Elektromagnet wird durch Lagerung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ereine elektronische Steuerung so gesteuert, daß der wähnten Art zu schaffen, die geringen Energiebedarf Abstand des Rotors zu ihm gleichbleibt. Diese Lage- 50 für den Betrieb der Lagerung hat und einen geringen rung eignet sich nur für Körper, die ein nach den Widerstand gegen Drehung des Rotors selbst bei Kreiselgesetzen stabiles Verhalten haben, das heißt, hohen Drehzahlen aufweist, und die auch die Lagederen Durchmesser groß zur axialen Länge ist. Bei rung solcher Rotoren ermöglicht, die ein verhältnislanggestreckten Rotoren versagt diese Lagerung, da mäßig geringes Trägheitsmoment um die Rotationskeine ausreichende Dämpfung von radialen Schwing- 55 achse besitzen und die nur geringe, lagerungsbedingte, bewegungen des Rotors möglich ist. konstruktive Beschränkungen bei der Ausgestaltung

Es ist ferner eine Lagerung der eingangs erwähn- des Rotors erfordert.

ten Art bekannt geworden, bei der die Achse des Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

Rotors horizontal angeordnet ist und zwischen zwei gelöst, daß der Axial-Stabilisierungsmagnet ein den Elektromagneten magnetisch freischwebend gehalten 60 Rotor πίγ in axialer Richtung stabilisierendes Maist, die über Fühler und ein Gleichstromsteuergerät gnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer derart gesteue·^f sind, daß sie den Rotor in einer Richtung besitzt und daß die dieser destabilisierenden axial stabilen Lage zwischen sich halten. Eine gc- Wirkung entgegenwirkende Radial-Stabilisierungswisse Stabilisation erhält der Rotor in radialer Rieh- einrichtung wenigstens zwei berührungslose Fühler tung durch die Scherkräfte der Magnetfelder der 6₅ aufweist, die Abweichungen des Rotors von einer beiden gesteuerten Elektromagnete. Bei dieser Aus- radialen Sollposition messen und elektrische Signale führung ist die radiale Lagerung wenig zufrieden- abgeben, die von dem gleichstromgespeisten Steuerstellend. Sie eignet sich daher nicht für hohe Dreh- gerät verstärkt und zeitlich in ihrer Phase verschoben

5 6

als Ausgangssignal an die Elektromagnete abgegeben zurückgestellt und die Schwingungen gedämpft. Nach

werden, deren Magnetfelder am Rotor eine Rück- einer anderen Ausführungsform kann die magnetische

stell-Kraftkomponente zur Zurückstellung des Rotors Lagerung derart ausgebildet sein, daß bei einem

aus der abweichenden Position in die Sollposition Rotor mit im wesentlichen vertikaler Achse der

und eine gegenüber der Rückstell-Kraftkomponente 5 Axial-Stabilisierungsmagnet auf den Rotor an einer

um eine viertel Schwingungsperiode vorauseilende oberhalb des Rotorschwerpunktes liegenden Stelle

phasenverschobene Dämpfungs-Kraftkomponente er- einwirkt und die in einer zweiten radialen Ebene

zeugen, die den durch Kreiselwirkung des Rotors angeordnete weitere Radial-Stabilisierungseinrichtung

entstehenden Rotorauslenkungen entgegenwirkt und aus einem im Bereich des unteren Rotorendes am

alle Schwingbewegungen des Rotors in radialer Rieh- io Rotor angeordneten Magneten besteht, der ein zur

tung dämpft. Rotorachse rotationssymmetrisches Magnetfeld er-

Es wird also eine völlig berührungsfreie magneti- zeugt, das ein elektrisch leitendes Teil am feststehen-

sche Lagerung geschaffen, die es erlaubt, auch den Teil durchsetzt. Bei dieser Ausführungsform kann

Rotoren mit im wesentlichen vertikaler Achse an in dem Sonderfall der vertikalen Rotorachse ein

einem Axial-Stabilisierungsmagneten mit konstantem 15 aktiv geregeltes Radiallager entfallen und damit der

Magnetfeld, beispielsweise einem Permanentmagne- Aufwand der Gesamtlagerung herabgesetzt werden,

ten, aufzuhängen, und zwar sowohl bei Stillstand als Bei dieser Anordnung benötigt der Rotor, da er sich

auch bei hohen Drehzahlen. auf Grund des stabilen Gleichgewichts, in dem er sich

Eine Steuerung der Magnetfeldstärke des Axial- als ein oberhalb seines Schwerpunktes aufgehängter

Stabilisierungsmagneten ist nicht zwingend erforder- ^2t> Körper befindet, an seinem unteren Ende in hori-

lich. Lediglich die seitlichen Abweichungen und zontaler Richtung keine rückführenden Kräfte, da

Schwingungen werden durch gesteuerte elektromagne- dort, nur die Rotorschwingungen gedämpft werden

tische Mittel, beispielsweise Elektromagnete, aktiv müssen. Am unteren Rotorende kann dazu ein

zurückgestellt und gedämpft. Erstaunlicherweise sind axiahnagnetisierter Permanentmagnet in Form eines

sowohl der Aufwand für die Steuerung als auch die *5 Stab- oder Ringmagneten mit Metallummantelung

benötigte Leistung sehr gering, obwohl die Radial- vorgesehen sein, der die Rotorschwingungen des un-

Stabüisierungseinrichtuneen den sehr starken destabi- teren Rotorendes nach dem an sich bekannten Prin-

lisierenden Kräften des" oder der Axial-Stabiiisie- ~·Ρ der Wirbelstrombremse im Zusammenwirken mit

rungsmagneten entgegenwirken müssen. So konnte einer am feststehenden Teil der Lagerung befindlichen

eine Lagerung geschaffen werden, die beispielsweise 30 Metallscheibe dämpft.

zur Lagerung eines Rotors von 2 kp Gewicht nur eine Vorzugsweise enthält das Steuergerät eine die Leistung von 6 W pro radialer Ebene benötigt. Auch Magnetisierungsströme beeinflussende Einstellvordie Widerstände gegen Drehung, das heißt die »La- richtung zur Justierung der radialen Lager des Rogerreibung«, sind sehr gering, da es möglich ist, das tors. Durch ein solches Stellglied, z. B. ein einfaches Magnetfeld der Radiallager sehr homogen auszubil- 35 Potentiometer, ist eine Einstellung des Rotors in die den und das verwendete gleichstromgespeiste Steuer- günstigste radiale Position möglich. Es ist insbesongerät keine prinzipiellen Lager-Leisrungsverluste dere möglich, die Drehachse des Rotors auch wähbewirkt und eine sehr anpassungsfähige Regelung rend seines Laufes in eine Lage zu bringen, die mit sehr guter Dämpfung schafft. Die zeitlichen den geringsten Lagerwiderstand und die geringste Änderungen des den Rotor durchfließenden Magnet- 40 Erwärmung des Rotors gewährleistet, feldes werden so klein wie möglich gehalten und Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsweitgehend auf die reinen »Regelausschläge« des form der Erfindung kann der Axial-Stabilisierungsmagnetischen Gleichfeldes beschränkt. magnet p^:n Permanentmagnet sein, dessen Magnet-Weitere Vorteile sind eine fast vollständige War- feld im Rotorluftspalt in Umfangsrichtung im wesenttuncsfreiheit und die große Haltbarkeit, da kein 45 liehen homogen ist und eine Komponente in Achs-Verschleiß entsteht. Besondere Vorteile bietet die richtung des Rotors aufweist. Durch diese Ausbildung Lagerung für alle Zwecke, bei denen hohe Drehzahl werden verschiedene Vorteile erreicht. Auch bei Dre- und lange Lebensdauer erforderlich sind und die hung des Rotors treten in diesem keine wesentlichen Rotoren in möglichst dicht abgeschlossenen Behäl- zeitlichen Änderungen der Magnetfeldstärke auf, tem laufen sollen. Dies ist der Fall bei der Lage- 50 so daß keine Wirbelströme oder Hystereseverluste rung von Rotoren im Vakuum und/oder aggressiven auftreten können. Bei sehr hohen Drehzahlen ist dies Medien. Ein weiterer Vorteil ist die Schmiermittel- ein wesentliches Merkmal, da es nicht nur Antriebsfreiheit des Lagers. Bei den bisherigen mechanischen energie spart, sondern vor allem auch eine unzulässige Lagern von Vakuumpumpen od. dgl. bildete die Ver- Erwärmung des Rotors verhindert Die Ausbildung dampfung der Schmiermittel ein großes Problem. Es 55 als Permanentmagnet hat den Vorteil erheblichei mußten extra Pumpen eingesetzt werden, die die Energieeinsparung und großer Betriebssicherheit Schmiermitteldämpfe abführten. Mit dem Lager Ferner wird in jedem Falle verhindert, daß durcl· nach der Erfindung sind bereits Drehzahlen von Strom- oder Spannungsschwankungen in der Spei 50 000 UpM anstandslos erreicht worden. Durch die sung des Elektromagneten zeitliche Magnetfeldände beschriebenen Vorteile eignet sich die Lagerung 60 rangen in Rotorteilen auftreten, die zu den obei nach der Erfindung auch insbesondere für sehr beschriebenen Energieverlusten im Antrieb und zi schnell laufende Zentrifugen. Wärmeentwicklung sowie zu unerwünschten Rotor

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfin- verschiebungen führen können,

dung ist im geeigneten axialen Abstand von der ersten Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erftn

Radial-Stabilisierungseinrichtung eine weitere Radial- 65 dung ist der Axial-Stabilisierungsmagnet als ein ai

Stabilisierungseinrichtung vom gleichen Typ vorge- feststehenden Teil angebrachter, das mit ihm zusarr

sehen. Hierdurch werden eventuelle Auslenkungen menwirkende Rotorteil umfassender Ringmagn«

des Rotors auch in der zweiten Lagerebene aktiv ausgebildet. Hierdurch kenn das eigentliche Roto:

7 8

ende von Lagerungsteilen freigehalten werden. Fur mieden werden. Ferner brauchen am Steuergerät viele Anwendungszwecke ist dies sehr vorteilhaft, keine aufwendigen Maßnahmen zum Unterdrücken beispielsweise für die Einspeisung von Gasen in den der hochfrequenten Anteile der Steuersignale geRotor usw. Insbesondere bei sehr großen Lagerab- troffen zu werden. Ferner erleichtert diese Anordiiwssungen kann es sich als zweckmäßig erweisen, 5 nung die Möglichkeit einer vakuumdichten Abtrenwenn nach einem vorteilhaften Merkmal der Axial- nung des Rotorraums von der magnetischen Lagc-Stabilisierungsmagnet aus mehreren Teilmagneten rung.

besteht. Falls die Freihaltung des Rotorendes in dem Diese vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch

speziellen Anwendungsfalle keine wesentliche Rolle möglich, daß das magnetische Lager nach der Erspielt, so kann der Axial-Stabilisierungsmagnet vor- io findung mit geregelten magnetischen Gleichfeldern, teilhaft als ein in ein hohles Teil des Rotors hinein- das heißt mit einem Gleichstrom-Steuergerät arbeitet, ragender Stabmagnet ausgebildet sein. Hierdurch läßt Bei den bekonnten Wechselspinnungslagern würden sich das Lager besonders kompakt bauen. durch die Hülsen aus elektrisch leitendem Material

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der die zur Regelung notwendigen hochfrequenten Ma-Erfindung kann bei einer magnetischen Lagerung, bei 15 gnetfeider ausgefiltert werden, so daß das Lager außer der die Radial-Stabilisierungseinrichtung in einer Betrieb gesetzt werden würde, radialen Ebene 4 am feststehenden Teil angebrachte Die oben erwähnten berührungslosen Fühler kön-

Elektromagnete besitzt, vorteilhaft jedem der Elek- nen vorteilhaft an sich bekannte induktive, kapazitromagnete ein Fühler so zugeordnet sein, daß er die tive oder lichtelektrische Wegaufnehmer sein. Die Rotorauslenkung in Richtung der Magnetkraft des 20 berührungslosen Fühler messen sowohl translatojeweiligen Elektromagneten fühlt. Hierdurch läßt sich rische Verschiebungen der Rotorachse aus einer das Steuergerät besonders einfach aufbauen, da die vorgegebenen, zentrischen Lage als auch Pendel-. Fühlersignale unmittelbar den zugehörigen Elelaro- Präzessions- und Nutationsbewegungen bzw. andere magneten zugeordnet werden können. Schwingbewegungen der Rotorachse. Diese Meß-

Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Lagerung 25 werte werden in den nachfolgenden, elektronischen '•ann der Rotor wenigstens im Bereich des Axial- Zwischengliedern, insbesondere einem Verstärker Stabilisierungsmagneten einen Ring aus ferromagne- und einem Phasenschieber, verstärkt und zeitlich so tiächcm Material besitzen. Ferner kann nach einem phasenverschoben, daß die daraus in den zugeordneweiteren bevorzugten Merkmal wenigstens ein Ende ten Elektromagneten erzeugten Magnetfelder und die des Rotors als Hohlzylinder aus ferromagnetischcm 30 aus diesen resultierenden Magnetkräfte in zwei Kom-Material ausgebildet sein. ponenten zerlegbar sind. Die Komponente der Sta-

Es ist vorteilhaft, wenn der mit den Radial-Stabi- bilisierungsmagnctkraftc, die phasengleich zur Bewelisierungseinrichtungen zusammenwirkende fcrroma- gung des Rotors ist. macht eine translatorische gnetische Teil des Rotors aus voneinander isolierten. Verschiebung der Rolorachse aus ihrer vorgegebenen, wirbelstrom- und hystereseverlustarmen, überein- 35 zentrischen Lage rückgängig. Die zweite Komponente andergeschichteten Blechringen (Transformatoren- der Stabilisierungsmagnetkräfte ist jeder Schwingblechen) besteht, die durch ringförmige Rotorteile bewegung des Rotors gegenüber zeitlich um eine gehalten sind. Wegen der zeitlichen Änderung des viertel Schwingungsperiode vorauseilend phasenver-Magnetfeldes in den Stabilisicrungseinrichtungen tre- schoben und dämpft damit die Schwingbewegung dei ten in diesen Rotorteilen zwangläufig gewisse Wirbel- 4° Rotorachse.

strom- und Hystereseverluste auf, die durch diese Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in

Anordnung auf ein Minimum beschränkt werden den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenkönnen. Vergleichbare Vorteile bietet ein Merkmal, den näher erläutert. Es zeigt

nach dem der mit den Stabilisierungseinrichtungen Abb. IA einen schematischen Längsschnitt durcl·

zusammenwirkende ferromagnetische Teil des Rotors 45 einen in einem Vakuumbehältcr taufenden Rotor unc aus weichmagnetischem, keramischem Preßmateri.il seine Lagerung (linke Hälfte der Zeichnung), mit eine- Ummantelung besteht. Die Ummantelung Abb. IB einen Schnitt entsprechend ^A bb. 1 A

hat dabei die Aufgaoe, bei hohen Rotordrehzahlen durch eine andere Ausführungsform (rechte HälfU die Fliehkräfte des mechanisch nicht sehr festen der Zeichnung) und Preßmaterials aufzunehmen. 50 A b b. 2 und 3 schematische Längsschnitte durcl

Vorzugsweise können die Elektromagnete und/ weitere Ausführungsformen.

oder Fühler wenigstens einer der Radial-Stabilisie- In A b b. 1 A ist innerhalb eines als Vakuumkesse

rungseinrichtungen in ein hohl ausgebildetes Rotor- ausgebildeten feststehenden Teils X ein Rotor 2 zen ende hineinragen. Dadurch kann das eigentliche tral angeordnet. Der Rotor 2 ist an beiden Endei Radiallager sehr klein gebaut werden. Diese Aus- 55 als Hohlzylinder ausgebildet, in die je eine festste führung eignet sich besonders für Ausführungen, bei hende, gasdichte Hülse 3 aus nicht magnetisierbarem denen es nicht auf die Frcihaltung der Rotorenden elektrisch leitendem Material hineinragt. Die Hül ankommt. sen 3 nehmen radial gerichtete Elektromagnete <

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Stabilisierungsmagnete) auf, trennen diese vom Va befinden sich zwischen den Elektromagneten und den 60 kuumraum und halten die hochfrequenten und dahe Rotorenden gasdichte Hülsen aus nicht magnetisier- besonders starke Wirbelstrom- und Hystereseverlust barem, elektrisch leitendem Material. Dies hat den erzeugenden, zur Lagerung des Rotors aber nicti Vorteil, daß die hochfrequenten und daher beson- notwendigen Anteile der im übrigen aus geregelt.: ders starke Wirbelstrom- und Hystereseverluste er- magnetischen Gleichfeldern bestehenden Stabilisie zeugenden, zur Lagerung des Rotors aber nicht 65 rungsmagnetfelder von den Rotorendsn fern. Di notwendigen Anteile der Magnetfelder der Stabilisie- hochfrequenten Schwingungsanteüe können durc rungsmagnote vom Rotor ferngehalten werden. Hier- eine Hochfrequenz-Speisung bzw. die Trägerfrequen mit können unerwünschte Rotorerwärmungen ver- der Fühler entstehen. Als berührungslose Fühler

sind induktive Wegaufnehmer verwendet worden, die Lage rückgängig macht, während die zweite Kompoin A b b. 1 A in nichtmetallisches, gasdichtes Mate- nente der Stabilisierungsmagnetkräfte jeder Schwingrial 6 eingekapselt und mechanisch mit den Hülsen 3 bewegung des Rotors gegenüber zeitlich um eine verbunden sind. Diese induktiven Wegaufnehmer S viertel Schwingungsperiode vorauseilend phasenvermessen die Rotorbewegungen in bekannter Weise 5 schoben ist und damit die Schwingbewegung der im Zusammenwirken mit an den Rotorenden befind- Rotorachse dämpft. Der Axial-Stabilisierungslichen Ringen 7 aus nichtmagnetischem, elektrisch magnet 8 erzeugt ein statisches, rotationssymmetrileitendem Material. sches Magnetfeld mit vertikaler, das Rotorgewicht

In A b b. 1 B befinden sich am oberen Rotorende aufnehmender Komponente und ist beispielsweise die induktiven Wegaufnehmer 5 im Magnetfeld eines io axial magnetisiert, wodurch sich der Rotor 2 gegen-Axial-Stabilisierungsmagneten 8, der bei der in den über dem feststehenden Teil 1 in bekannter Weise in Zeichnungen dargestellten bevorzugten Lagerung mit einem vertikal stabilen Schwebezustand befindet, vertikaler Rotorachse als Tragmagnet wirkt, und Die Ausführungsform nach A b b. 2 unter· cheidet

messen die Rotorbewegungen über die durch die sich von A b b. 1 dadurch, daß der Rotor 2 im fest-Rotorbewegungen verursachten Änderungen der Vor- 15 stehenden Teil 1 an den hohlzylindrischen Rotormagnetisierung der Kerne der induktiven Wegaufneh- enden von den gasdichten Hülsen 3 aus nichtmagnemer S. Bei dieser Ausführungsform entfällt am obe- tischem, elektrisch leitendem Material umgeben ist. ren Rotorende der Ring 7. An den Rotorenden Außen an den Hülsen 3 befinden sich die Elektrobefinden sich in Höhe der Stabilisierungsmagnete 4 magnete 4, die wieder über Verstärker 12 und Phaweiterhin Ringe 9, die aus wirbelstrom- und hyste- ao senschieber 13 von induktiven Wegaufnehmern 5, reseverlustarmem, ferromagnetischen Material, wie die in nichtmetallisches, gasdichtes Material 6 einz. B. übereinandergeschichteten Transformatorblech- gekapselt sind, gesteuert werden. Das obere, hohlringen oder weichmagnetischem, keramischem Preß- zylindrische Rotorende ist wieder in mehrere konzenmaterial, bestehen. Die Ringe 7 und 9 werden von trische Ringe aufgeteilt. Das ringförmige Rotorteil 11 ringförmigen Rotorteilen 10 und 11 gehalten und 15 ist aus ferromagnetischem Stahl gefertigt und dient mechanisch mit dem Rotor 2 verbunden. Bestehen sowohl zum Aufnehmen der das Rotorgewicht die Ringe 9 aus übereinandergeschichteten Transfor- kompensierenden Magnetkräfte, die durch den hier matorb'echringen. so dienen die ringförmigen Rotor- als Elektromagneten ausgeführten Axial-Stabilisieteile 10 und 11 gleichzeitig als Verbindungselemente rungsmagneten 8 erzeugt werden, als auch als Haitezum Zusammenhalten der Transformatorblechringe. 3° und Verbindungselement für die Ringe 7 und 14. Sind die Ringe 9 aus weichmagnetischem, kerami- Der Ring 14 ist aus nichtmagnetischem Metall geschem Preßmaterial gefertigt, so müssen die ring- fertigt, da er lediglich als Verbindungselement für förmigen Rotorteile 10 und 11 bei hohen Rotordreh- den Ring 9 dient, der die in horizontaler Richtung zahlen die Fliehkräfte des mechanisch nicht sehr wirkenden Magnetkräfte der Elektromagnete 4 auffesten Preßmaterials aufnehmen und daher aus Mate- 35 nimmt und daher aus wirbelstrom- und hystereserial hoher Festigkeit bestehen. Während das ring- verlustarmen, übereinandergeschichteten Transforförmige Rotorteil 10 am unteren Rotorende aus matorblechringen besteht. Der Riug 7 ist aus nichtnichtmagnetischem Material (z. B. Titan) bestehen magnetischem, elektrisch leitendem Material gefertigt kann, muß das ringförmige Rotorteil 11 am oberen und dient wieder wie in Abb. 1 im Zusammen-Rotorende aus ferromagnetischem Stahl hergestellt 40 wirken mit den induktiven Wegaufnehmern 5 zum sein, damit er die in vertikaler Richtung wirkenden Messen der Rotorbewegungen. Dies kann bei der Magnetkräfte des Axial-Stabilisierungsmagneten 8 Lage der unteren induktiven Wegaufnehmer direkt aufnehmen kann. Die Ringe 9 nehmen die Magnet- am Rotormantel aus nichtmagnetischem Metall gekräfte der in horizontaler Richtung wirkenden Elek- schehen. Der Ring 9 am unteren Rotorende aus tromagnete 4 auf. 45 wirbelstrom- und hystereseverlustarmem, ferro-

Die Größe der Stabilisierungsmagnetkräfte wird magnetischem Material zum Aufnehmen der Stabilivon den Meßwerten der induktiven Wegaufnehmer 5 sierungsmagnetkräfte muß von einem nichtmagnctibesthnmt, die sowohl translatorische Verschiebungen sehen, möglichst hochohmigen, als Halte- und der Rotorachse aus einer vorgegebenen, zentrischen Verbindungselement dienenden ringförmigen Rotor-Lage als auch Schwingbewegungen der Achse des 50 teil 10 umgeben sein, da hier das Rotorteil 10 von Rotors messen, das heißt sowohl langsame als auch den Magnetfeldern der Elektromagnete 4 durchsetz! höherfrequente Abweichungen der Position des Ro- wird.

tors von der vorgegebenen Position. Diese Meßwerte Ein weiterer Unterschied zu Abb. 1 besteht bei

werden über ein elektronisches Steuergerät, das einen der Ausführung von Abb. 2 darin, daß, wie bereits

Verstärker 12 und einen Phasenschieber 13 enthält, 55 erwähnt, zur Axial-Stabilisienmg ein Elektromagne verstärkt und zeitlich so phasenverschoben, daß die Verwendung findet Trotz der oben erwähnten prin

daraus in den zugeordneten Elektromagneten 4 er- zipiellen Vorteile der Verwendung von Permanent

zeugten Magnetfelder und die aus diesen resultieren- magneten als Axial-Stabilisierungsmagnet kann siel

den Magnetkräfte gegenüber jeder Schwingbewegt; -g das beispielsweise trotz des höheren Bauaufwand

des Rotors eine zeitliche Phasenvoreilung von weni- 60 als vorteilhaft erweisen, wenn eine besonders genau

ger als einer viertel Schwingungsperiode der die Einstellung der Höhenlage des Rotors erwünscht ist

Rotorbewegung verursachenden Schwingfrequenz beispielsweise auch bei stark wechselnden, auf dei

aufweisen. Dadurch lassen sich die Magnetkräfte der Rotor einwirkenden Vertikalkräften. Die Höhenlag

Elektromaßnete 4 in zwei Komponenten zerlegen, des Rotors kann dann verstellt bzw. geregelt werdei

von denen die Komponente der Stabilisierungs- 65 Bei dem Ausführungsbeisrnel in A b b. 3 wird de

magnetkräfte, die phasengleich zur Bewegung des Rotor 2 am oberen, hohlzylindrischen Rotorende i

Rotors ist, eine translatorische Verschiebung der vertikaler Richtung von einem als Permanentmagni

Rotorachse aus ihrer vorgegebenen, zentrischen in Stabform ausgeführten Axial-Stabilisierung

* ν

magneten 8 gehalten. Die Tragniagnetkräfte werden von einem ringförmigen Rotorteil 11 aus ferromagnetischem Stahl aufgenommen, wobei dieses Rotorteil 11 gleichzeitig als Haltering und Verbindungselement zum Rotor 2 für die Ringe 7 und 9 dient. Im Zusammenwirken mit dem aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material bestehenden Ring 7 wird wieder über die induktiven Wegaufnehmer 5 das Meßsignal erzeugt, das nach Verstärkung und Phasenschiebung in Verstärker 12 und Phasenschieber 13 zum Erzeugen der auf den Ring 9 wirkenden Magnetkräfte der am feststehenden Teil 15 der Lagerung befindlichen Elektromagnete 4 dient. Der Ring 9 besteht aus wirbelstrom- und hystereseverlustarmen, übereinandergeschichteten Transformatorblechringen. Da der Rotor auf Grund des stabilen Gleichgewichts, in dem sich ein obeihalb seines Schwer-

punktes aufgehängter Körper befindet, an seinem unteren Ende in horizontaler Richtung keine rückführenden Kräfte benötigt, sundern da am unteren Rotorende nur Schwingbewegungen gedämpft werden müssen, ist in Abb. 3 das untere Rotorende mit einem axial magnetisierten Permanente agneten 16 in Form eines Ringmagneten versehen. Der Permanentmagnet 16 ist von einem Metallzylinder 17 ummantelt, der die Fliehkräfte des mechanisch nicht

ίο sehr festen Permanentmagnetmaterials aufnimmt und dem Magnetfeld des Permanentmagneten 16 einen günstigeren Flußverlauf gibt. Die Schwingbewegungen des unteren Rotorendes werden durch das Magnetfeld des Permanentmagneten 16 nach dem bekannten Prinzip der Wirbelstrombremse im Zusammenwirken mit einer am feststehenden Teil dei Lagerung befindlichen Metallscheibe 18 gedämpft.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

• £■■■

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Magnetische Lagerung eines mit ferromagnetischen Teilen versehenen Rotors an einem feststehenden Teil ohne Berührung zwischen diesen, S wobei am feststehenden Teil wenigstens ein Axial-Stabilisierungsmagnet angeordnet ist, der ein Magnetfeld mit einer axialen Komponente erzeugt, wobei wenigstens eine elektromagnetisch wirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung vorgesehen ist, die von einem Steuergerät beaufschlagte Elektromagnete besitzt, die ferromagnetische Teile am Rotor beeinflussende Magnetfelder erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Axial-Stabilisierungsmagnet (8) ein den Rotor (2) nur in axialer Richtung stabilisierendes Magnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung besitzt und daß die dieser destabilisierenden Wirkung entgegenwirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung wenigstens zwei berührungslose Fühler (5) aufweist, die Abweichungen des Rotors (2) von einer radialen Sollposition messen und elektrische Signale abgeben, die von dem gleichstromgespeisten Steuergerät (12, 13) verstärkt und zeitlich in ihrer Phase verschoben als Ausgangssignale an die Elektromagnete (4) abgegeben werden, deren Magnetfelder air Rotor (2) eine Rücksteli-Kraftkomponente zur Zurückstellung des Rotors (2) aus der abweichenden Position in die Sollposition und eine gegenüber der RücV-.tell-Kraftkomponente um eine viertel Schwingungsperiode vorauseilende Dämpfungs-Kraftkomponente erzeugen, die den durch Kreiselwirkung des Rotors (2) entstehenden Rotorauslenkungen entgegenwirkt und alle Schwingbewegungen des Rotors (2) in radialer Richtung dämpft.

2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im geeigneten axialen Abstand von der Radial-Stabilisierungseinrichtung eine weitere Radial-Stabilisierungsvorrichtung vom gleichen Typ vorgesehen ist.

3. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Rotor mit im wesentlichen vertikaler Achse der Axial-Stabilisierungsmagnet (8) auf den Rotor (2) an einer oberhalb des Rotorschwerpunktes liegenden Stelle einwirkt und die in einer zweiten radialen Ebene angeordnete weitere Radial-Stabilisierungseinrichtung aus einem im Bereich des unteren Rotorendes am Rotor angeordneten Magneten (16) besteht, der ein zur Rotorachse rotationssymmetrisches Magnetfeld erzeugt, das ein elektrisch leitendes Teil (18) am feststehenden Teil (1, IS) durchsetzt.

4. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (12,13) eine die Magnetisierungsströme beeinflussende Einstellvorrichtung zur Justierung der radialen Lage des Rotors (2) enthält.

5. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Axial-Stabilisierungsmagnet (8) ein Permanentmagnet ist, dessen Magnetfeld im Rotorluftspalt in Umfangsrichtung im wesentlichen homogen ist und eine Komponente in Achsrichtung des Rotors aufweist.

6. Magnetische Lagerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Axial-Stabilisierungsmagnet (8) als ein zm feststehenden Teil (1,15) angebrachter, das mit ihm zusammenwirkende Rotorteil (9, 11) umfassender Ringmagnet ausgebildet ist.

7. Magnetische Lagerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Axial-Stabilisierungsmagnet (8) aus mehreren Teilmagneten be-• teilt.

8. Magnetische Lagerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Axial-Stabilisierungsmagnet (8) als ein in ein hohles Teil des Rotors (2) hineinragender Stabmagnet ausgebildet ist.

9. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche \ bis 8, bei der die Radial-Stabilisierungseinrichtung in einer radialen Ebene vier am feststehenden Teil (1, 15) angebrachte Elektromagnete besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Elektromagnete eir Fühler (5) so zugeordnet ist, daß er die Rotorauslenkung in Richtung der Magnetkraft des jeweiligen Elektromagneten ^fühlt.

10. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) wenigstens im Bereich des Axial-Stabilisierungsmagneten (8) einen Ring aus ferromagnetischem Material (9,11) besitzt.

11. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ende des Rotors (2) als Hohlzylinder aus ferromagneüschem Material abgebildet ist.

12. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Radial-Stabilisierungseinrichtungen zusammenwirkende ferromagnetische Teil (9) des Rotors aus voneinander isolierten, wirbelstrom- und hystereseverlustarmen, übereinandergeschichteten Blechringen (Transformatorenblechen) besteht, die durch ringförmige Rotorteile (11) gehalten sind.

13. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Radial-Stabilisierungseinrichtungen zusammenwirkende ferromagnetische Teil (9) des Rotors aus weichmagnetischem, keramischem Preßmaterial mit einer Ummantelung besteht.

14. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete (4) und/oder Fühler (5) wenigstens einer der Radial-Stabilisicrungseinrichtungen in ein hohl ausgebildetes Rotorende hineinragen.

15. Magnetische Lagerung nach einem dei Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daC sich zwischen den Elektromagneten (4) und der Rotorenden gasdichte Hülsen (3) aus nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitendem Material be finden.

16. Magnetische Lagerung nach einem de: Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dai die berührungslosen Fühler (5) an sich bekannt* induktive, kapazitive oder lichtelektrische Weg aufnehmer sind.