DE1933031A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen,magnetischen Lagerung sowohl stillstehender als auch schnell umlaufender,gestreckter Rotoren mit vertikaler Drehachse - Google Patents

Vorrichtung zur beruehrungslosen,magnetischen Lagerung sowohl stillstehender als auch schnell umlaufender,gestreckter Rotoren mit vertikaler Drehachse

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DE1933031A1 DE19691933031 DE1933031A DE1933031A1 DE 1933031 A1 DE1933031 A1 DE 1933031A1 DE 19691933031 DE19691933031 DE 19691933031 DE 1933031 A DE1933031 A DE 1933031A DE 1933031 A1 DE1933031 A1 DE 1933031A1
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Description

Anmeldung eines Zusatzpatents zur Hauptpatentanmeldung P 17 50 602«,4t angemeldet am 17» Mai 1968.
Patentbezeichnung : Vorrichtung zur berührungslosen, magnetischen
Lagerung sowohl stillstehender als auch schnell umlaufender, gestreckter Rotoren mit vertikaler Drehachse.
Patentanmelder t Ingenieur Karl Boden
567 Opladen, Königsberger Straße 26
Prof. Dr. Wilhelm G r ο t h 53 Bonn, Melbweg 38
Diplom-Ingenieur Dietrich Scheffer 5332 Oberkassel/Siegkreis, Gartenstraße 12
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Patentbe Schreibung.
Vorrichtung zur berührungslosen, magnetischen Lagerung sowohl stillstehender als auch schnell umlaufender, gestreckter Rotoren mit vertikaler Drehachse«
Die Hauptpatentanmeldung betrifft eine Vorrichtung, zur berührungslosen, magnetischen Lagerung sowohl stillstehender als auch schnell umlaufender, gestreckter Rotoren mit vertikaler Drehachse, wobei der Rotor wie ein oberhalb seines Schwerpunktes gelagerter Körper aufgehängt ist.
Nach der Hauptpatentanmeldung wird die berührungslose, magnetische Lagerung des Rotors dadurch erreicht, daß das Gewicht des mit ferromagnetischen Teilen versehenen Rotors durch statische, am oberen Ende des Rotors angreifende Magnetfelder eines Tragmagneten kompensiert wird und daß in horizontaler Richtung die vorgegebene, zentrische Lage der Rotorachse und die Dämpfung von Pendel-, Präzessions- und Nutationsbewegungen - Schwingbewegungen '- des Rotors durch an beiden Rotorenden in horizontaler Richtung wirkende Hagnetfelder radial gerichteter Elektromagnete - Stabilisierungsmagnete - erreicht wird, die von berührungslosen Wegaufnehmern gesteuert werden, wobei von den berührungslosen Wegaufnehmern sowohl translatorische Verschiebungen der Rotorachse aus einer vorgegebenen, zentrischen Lage als auch Schwingbewegungen der Achse des Rotors gemessen werden, diese Meßwerte in nachfolgenden elektronischen Zwischengliedern - Verstärker und
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Phasenschieber - verstärkt und zeitlich so phasenverschoben werden, daß die daraus in den zugeordneten Stabilisierungsmagneten erzeugten Magnetfelder und die aus diesen resultierenden Magnetkräfte in zwei Komponenten zerlegbar sind, von denen die Komponente der Stabilisierungsmagnetkräfte, die phasengleich zur Bewegung des Rotors ist, eine translatorische Verschiebung der Rotorachse aus ihrer vorgegebenen, zentrischen Lage rückgängig macht, während die zweite Komponente der Stabilisierungsmagnetkräfte jeder Schwingbewegung des Rotors gegenüber zeitlich um eine viertel Schwingungsperiode vorauseilend phasenverschoben ist und damit die Schwingbewegung der Rotorachse dämpft.
Der Gegenstand der vorliegenden Zusatzpatentanmeldung bezieht sich auf besondere Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Hauptpatentanmeldung. Es soll - neben den Vorteilen der Hauptpatentanmeldung -erreicht werden, daß der Aufbau des Rotors und der Lager vereinfacht wird. Außerdem wird durch die Verbesserung der Homogenität der zur Lagerung verwendeten Hagnetfelder eine weitgehende Verminderung von Wirbelstrom- und Hystereseverlusten im Rotor erzielt. Ferner wird bezweckt, die maximal mögliche Drehzahl des Rotors zu erhöhen oder aber die Baulänge des Rotors zu vergrößern, was bisher bei zweifacher Lagerung des Rotors durch seine erste biegekritische Drehzahl begrenzt i
Erfindungegemäß erfolgt die horizontale Lagerung des Rotors am oberen Rotorende dadurch, daß die Stabilieierungsinagnete im Magnetfeld des Tragmagneten angeordnet werden und daher auf Grund ihrer Wirkungsweise entsprechend der Hauptpatentanmeldung in der Lage sind, die horizontale Komponente des Magnetfeldes des Tragmagneten in der Weise zu beeinflussen, daß die Rotorachse in der vorgegebenen, zentrischen Lage gehalten wird und Schwingbewegungen des Rotors gedämpft werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Stabilisierungsmagnete nach Art eines Drehfeldstator· ausgeführt. In einer weiteren Ausfüh-
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rungsform der Erfindung werden die dem Lagerzylinder des Rotors gegenüberstehenden Pole der Stabilisierungsmagnete ähnlich den bei Gleichstrommotoren üblichen Polblechen ausgebildet, die einen großen Teil des Lagerzylinderumfanges umschließen. Auf Grund der hierdurch erzielten· Erhöhung der Homogenität des Magnetfeldes und der daraus resultierenden Verminderung der Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Lagerzylinder des Rotors kann auf die in der Hauptpatentanmeldung beschriebene, aufwendigere Ausführung des ferromagnetischen Lagerzylinders in Form eines Paketes dünner Transformatorblechringe oder in Form von weichmagnetischem, keramischem Preßmaterial mit Metallummantelung verzichtet werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Lagerzylinder (11) des Rotors aus ferromagnetischem Werkstoff wie z. B. Stahl.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein dem oberen Lager gleiches, aus Trag- und Stabilisierungsmagneten bestehendes und mit dem Lagerzylinder zusammenwirkendes Lager als unteres Lager für den Rotor verwendet, so daß das Rotorgewicht zu je einem Anteil am oberen und am unteren Rotorende aufgenommen wird· Durch Veränderung der vertikalen Position der unteren Trag- und Stabilisierungsmagnete gegenüber dem Lagerzylinder (111) am unteren Rotorende können die auf das obere und untere Lager entfallenden Anteile der Tragkräfte weitgehend variiert werden. Wird der vom unteren Lager aufzunehmende Anteil der Tragkräfte auf Null reduziert, so dient das Magnetfeld des unteren Tragmagneten nur noch im Zusammenwirken mit dem Magnetfeld der Stabilisierungsmagnete zur horizontalen Lagerung der Rotorachse und zur Dämpfung von Schwingbewegungen des Rotors. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die horizontale Lagerung am unteren Rotorende ohne Tragmagneten lediglich durch Stabilisierungsmagnete im Zusammenwirken mit dem unteren Lagerzylinder (111) des Rotors.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wirkt das untere Lager
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auf eine beliebige horizontale Ebene des Rotors ein, mit Ausnahme der Wirkungsebene des oberen Lagers, wobei der Rotor in jeder horizontalen Lagerebene mit einem ferromagnetischen Lagerzylinder versehen sein muß.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden längs des Rotors statt zweier beliebig viele Lager gemäß der Zusatzerfindung angeordnet, wobei diese Lager sowohl als reine Radiallager als auch als kombinierte Trag- und Radiallager ausgebildet sein können. Man erreicht mit dieser mehr als zweifachen Lagerung einen sicheren Lauf des Rotors bis zu einer Drehzahl, die bei gegebener Baulänge des Rotors und nur zweifacher Lagerung ohne Bruchgefahr des Rotors auf Grund seiner ersten biegekritischen Drehzahl nicht erzielt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht der Rotor im wesentlichen aus einem ferromagnetischen Hohl- oder Vollzylinder. Bei einem derartigen Rotor können alle oben beschriebenen Lagerungsmöglichkeiten angewendet werden. Es erübrigt sich eine besondere Formgebung der Rotorenden, sowie ein zusätzlicher Anbau von Deckeln für Lagerzwecke, da der Rotorzylinder selbst als Lagerelement dient» Der weiteren Gestaltung des Rotors sind keine Grenzen gesetzt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden bei einem zweifach gelagerten Rotor die beiden horizontalen Lagerebenen so angeordnet, daß die Stabilisierungsmagnete eines der Lager im Magnetfeld des Tragmagneten über demselben und die Stabilisierungsmagnete des anderen Lagers im Magnetfeld des Tragmagneten unterhalb desselben angebracht sind« Die unterhalb des Tragmagneten befindlichen Stabilisierungsmagnete wirken gemeinsam mit dem Tragmagneten in der oben beschriebenen Weise und halten dadurch den Rotor in dieser, Lagerebene in seiner vorgegebenen, zentrischen Lage. Die oberhalb des Tragmagneten sitzenden Stabilisierungsmagnete ermöglichen durch Beeinflussung des Magnetfeldes des Tragmagneten eine Veränderung der vertikalen Magnetflußdichte im Luftspalt am oberen Rotorende und erzeugen dadurch
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im Zusammenwirken mit den unterhalb des Tragmagneten angeordneten Stabilisierungsmagneten ein zur Vertikalen normales Moment, das Schwingbewegungen des Rotors, deren Drehvektoren in der Horizontalen liegen, unterbindet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden als berührungslose Wegaufnehmer statt der in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen Wegaufnehmer Halbleiterbauelemente wie Feldplatten, Magnetdioden, Magnettransistoren, Hallsonden usw. verwendet, deren elektrische Kenngrößen durch Magnetfelder beeinflußbar sind. Diese Halbleiterbauelemente sind in solchen horizontalen Ebenen angeordnet, in denen sich die Magnetfeldstärke in Abhängigkeit von der horizontalen Position des Rotors ändert, was z. B. bei dem zur Rotorachse radialsymmetrischen Magnetfeld des Tragmagneten oder den durch.Vormagnetisierung erzeugten Magnetfeldern der Stabilisierungsmagnete der Pail ist. Die magnetfeldabhängigen Halbleiterbauelemente haben gleichzeitig den Vorteil, daß sie als berührungslose Wegaufnehmer außerhalb eines den Rotor umgebenden Vakuumkessels angeordnet werden können.
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JL
In den Zeichnungen sind vier Ausführungsbeispiele dargestellt.
In Abb. 1 ist in einem Vakuumkessel (i) ein Rotor (2) koaxial zur Kesselachse angeordnet. Der Vakuumkessel (1) besteht im Bereich der Lager aus nichtmagnetischem Material. Der Rotor (2) besitzt an beiden Enden je einen Lagerring (11) und (Hl) aus ferromagne ti schein Material. In vertikaler Richtung wird das Rotorgewicht zu je einem Anteil von Tragmagneten (β/108) gehalten, die als ringförmige Permanentmagnete mit Magnetfeldern entsprechend der Hauptpatentanmeldung ausgebildet sind. Die Tragkräfte der Tragmagnete (8/10Θ) sowie die Lagerkräfte der Stabilisierungsmagnete (4/104) werden an den Lagerzylindern des Rotors von den ferromagnetisehen Ringen (11/111) aufgenommen. Als berührungslose Wegaufnehmer (5/105) zur horizontalen Lagerung des" Rotors dienen Feldplatten, deren elektrischer Widerstand abhängig von der die Feldplatten durchsetzenden magnetischen Feldstärke ist. Durch horizontale Rotorbewegungen werden Magnetfeldänderungen und damit in den Feldplatten auch Widerstandsänderungen erzeugt. Die daraus gewinnbaren, lageabhängigen Meßsignale dienen nach Verstärkung und Phasenschiebung in Verstärker (12) und Phasenschieber (13) entsprechend der Hauptpatentanmeldung zur Erzeugung der zur horizontalen Lagerung des Rotors (2) notwendigen Magnetfelder durch die den Feldplatten zugeordneten Stabilisierungsmagnete (4/104). Die Magnetfelder der Stabilisierungsmagnete (4/104) beeinflussen die horizontalen Komponenten der Magnetfelder der Tragmagnete (θ/108) in der Weise, daß entsprechend der Hauptpatentanmeldung die Rotorachse in der vorgegebenen, zentrischen Lage gehalten wird und Schwingbewegungen des Rotors gedämpft werden. "
Die Ausführungsform nach Abb. 2 unterscheidet sich von Abb. 1 dadurch, daß Kessel (1) und Rotor (202) als rohrförmige Hohlzylinder ausgeführt sind. Der Kessel (1) besteht aus nichtmagnetischem, der Rotor (202) aus ferromagnetischem Werkstoff. Das Lager am oberen Rotorende entspricht in Aufbau und Funktion den in Abb. 1 dargestellten Lagern. Im unteren Lager werden ebenfalls Feldplatten, als berührungs-
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lose Wegaufnehmer (205) benutzt, die im Spalt zwischen dem ferromagnetischen Rotor (202) und den Stabilisierungsmagneten (204) angeordnet sind. Das zur Erzeugung der Meßsignale in den Feldplatten erforderliche Magnetfeld wird durch Vormagnetisierung der Stabilisierungsmagnete (204) aufgebaut. Die horizontale Lagerung des Rotors (202) am unteren Rotorende erfolgt nach Verstärkung und Phasenschiebung der Meßsignale in Verstärker (12) und Phasenschieber (13) entsprechend den horizontalen Lagern in der Hauptpatentanmeldung.
Bei dem Ausführungsbeispiel in Abb. J wird der Rotor (202) zusätzlich zu dem Aufbau nach Abbe 2 von einem dritten Radiallager gestützt, das in Aufbau und Punktion mit dem in Abb„ 2 beschriebenen unteren Lager übereinstimmt. Das dritte Radiallager wird in einer solchen Ebene zwischen den beiden Lagern der Abb· 2 angebracht, in der es die Unterdrückung der ersten biegekritischen Drehzahl des lediglich zweifach gelagerten Rotors bewirkt.
In Abb. 4 wird der Rotor (202) nur an seinem oberen Ende durch ein aus der Kombination eines Tragmagneten (β) mit in zwei verschiedenen horizontalen Ebenen liegenden Stabilisierungsmagneten (4) und (304) bestehenden Lager gehalten. Die Kombination Tragmagnet (θ) - Stabirk lisierungsmagnet (4)-Feldplatten (5) stimmt im Wesentlichen mit den oberen Lagern der in Abb. 1 bis Abb. 3 beschriebenen Anordnungen überein. Abb. 4 unterscheidet sich von den oberen Lagern der Abb. 1 bis Abb. 3 in Bezug auf die Kombination Tragmagnet (8)-Stabilisierungsmagnet (4)- Feldplatten (5) lediglich durch die Lage der Feldplatten, die hier im Spalt zwischen Stabilisierungsmagneten (4) und ferromagnetischem Rotor (202) angeordnet sind. Die im Magnetfeld des ■ Tragmagneten (θ) befindlichen Feldplatten (305) messen die Sohwingbewegungen der Stirnfläche des Rotors (202) als Funktion der Magnetfeldänderung. Die in den Feldplatten (305) erzeugten Meßsignale dienen nach Verstärkung und Phasensohiebung in Verstärker (12) und Phasenschieber (13) zur Erzeugung von Magnetfeldern in den Stabilisierungsmagneten (304)· die das Feld des Tragmagneten.(θ) in der Weise beeinflussen, daß die Sohwingbewegungen der Stirnfläche des Rotors unterbunden wardej^ 00/1100

Claims (12)

  1. Patentansprüche
    [ 1.JVorrichtung zur berührungslosen, magnetischen Lagerung sowohl stillstehender als auch schnell umlaufender, gestreckter Rotoren mit vertikaler Drehachse, wobei der Rotor wie ein oberhalb seines Schwerpunktes gelagerter Körper aufgehängt ist, nach der Hauptpatentanmeldung P 17 50 602.4,
    dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Rotorende die Stabilisierungsmagnete (4) das Magnetfeld des Tragmagneten (8) beeinflussen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsmagnete (4) des oberen Rotorendes nach Art eines Drehfeldstators ausgeführt sind. '
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsmagnete (4) des oberen Rotorendes nach Art der bei Gleichstrommotoren üblichen Polbleche ausgebildet sind.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 t dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzylinder (11) des oberen Rotorendes aus ferromagnetischem Material besteht.
  5. 5· Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das untere Lager wie das obere Lager ausgeführt ist.
    - II -
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  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß für das untere Lager kein Tragmagnet (1O8) sondern lediglich Stabilieierungsmagnete (104) verwendet werden.
  7. 7· Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzylinder (Hl) des unteren Rotorendes aus ferromagnetischem Material besteht*
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das untere horizontale Lager auf eine beliebige horizontale Ebene des Rotors (2/202) einwirkt, mit Ausnahme der Wirkungsebene des oberen horizontalen Lagers.
  9. 9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Rotors (2/202) eine beliebige Anzahl von Lagerebenen mit Merkmalen der Ansprüche 1 bis 8 des Zusatzpatentes angeordnet wird.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9 t dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) in den Lagerebenen mit ferromagnetischen Lagerzylindern (Hl) versehen ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (202) aus einem ferromagnetischen Hohlzylinder besteht.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (202) aus einem ferromagnetischen Vollzylinder besteht.
    - III -
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    13· Vorrichtung nach Anspruch 4 und/oder 11 oder 12, dadurch gekennze ic h η e t , daß am oberen Rotorende die Stabilisierungsmagnete (304) eines horizontalen Lagers oberhalb des Tragmagneten (β) angeordnet sind und die Stabilisierungsmagnete (4) des zweiten horizontalen Lagers unterhalb des Tragmagneten (θ).
    14· Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13»
    dadurch gekennzeichnet, daß als berührungslose Wegaufnehmer (5/1Ο5/2Ο5/3Ο5) an sich bekannte Halbleiterbauelemente verwendet werden, deren elektrische Kenngrößen durch Magnetfelder beeinflußbar sind.
    15o Vorrichtung nach Anspruch 14»
    dadurch gekennzeichnet, daß die als berührungslose Wegaufnehmer (5/1O5/2O5/3O5) verwendeten Halbleiterbauelemente in solchen horizontalen Ebenen angeordnet sind, in denen sich die Magnetfeldstärke in Abhängigkeit von der horizontalen Position des Rotors (2/202) ändert.
    Ö09882/1 198
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