DE19538559C2 - Stützlager für eine mit magnetischen Lagern gelagerte Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stützlager zur Verwendung in Ver­ bindung mit einer drehbaren Welle, welche normalerweise durch primäre Radiallager derart gelagert wird, daß sie um eine vorgegebene Drehachse drehbar ist, wobei für die rotierende Welle in den primären Lagern ein Mindest-Betriebsarbeitsspalt vorgesehen ist.

Speziell befaßt sich die Erfindung mit einem hydrodynamischen Luft-Radiallager zum Einsatz als Stützlager bzw. Hilfslager.

Das Stützlager gemäß vorliegender Erfindung ist besonders ge­ eignet als Stütz- bzw. Hilfslager in Verbindung mit elek­ trisch betätigten und elektronisch gesteuerten magnetischen Radiallagern, obwohl es auch für den Einsatz in Verbindung mit Kugellagern oder anderen Fluidfilm-Lagern geeignet ist.

Stützlager werden in einer Maschine in Verbindung mit magne­ tischen Lagern verwendet, um zu verhindern, daß eine Welle nicht-rotierende Bauteile berührt. Wenn die Maschine abge­ schaltet ist und die Welle sich nicht dreht, liegt sie auf den Stützlagern auf. Ehe die Welle sich zu drehen beginnt, heben die magnetischen Lager die Welle durch magnetische Kräfte schwebend nach oben bis zu einer vorgegebenen Dreh­ achse von den Stützlagern ab. Diese Drehachse ist typischer­ weise durch den geometrischen Mittelpunkt der magnetischen Lager definiert. Die magnetischen Lager halten die Welle wäh­ rend des normalen Betriebes auf ihrer vorgegebenen Drehachse oder in der Nähe derselben. Für den Fall, daß die magne­ tischen Lager wegen eines Ausfalls der elektronischen Steuerung oder der Stromversorgung versagen, übernehmen die Stützlager die Lagerung der rotierenden Welle.

Da die rotierende Welle nicht in Kontakt mit den Bauteilen der magnetischen Lager gelangt, tritt an diesen kein mecha­ nischer Verschleiß auf, so daß sie eine hohe Lebensdauer haben. Aus diesem Grunde sind magnetische Lager besonders für solche Anwendungen geeignet, in denen die Wartungszeiten teuer sind und in denen die Lager an schwer zu erreichenden Stellen montiert werden müssen. Magnetische Lager sind außer­ dem für die Lagerung von mit hoher Drehzahl laufenden Wellen sowie für solche Anwendungen geeignet, in denen die Reibungs­ verluste auf ein Minimum reduziert werden müssen.

Normalerweise werden für magnetische Lager Kugellager als Stütz- bzw. Hilfslager verwendet. Kugellager sind jedoch mit den Betriebsbedingungen, die zur Wahl von magnetischen Lagern als Hauptlagern geführt haben, nicht besonders kompatibel. Insbesondere sind Kugellager im allgemeinen nicht für die La­ gerung von mit hoher Drehzahl laufenden Wellen geeignet, was teilweise auf die von den Kugeln bzw. den Wälzelementen er­ zeugte Reibung zurückzuführen ist. Zur Vermeidung einer kon­ tinuierlichen Belastung durch Reibungskräfte und zur Vermei­ dung eines kontinuierlichen Verschleißes der Wälzelemente während des normalen Betriebes sind Kugellager im allgemeinen derart angeordnet, daß ihre Mittelpunkte mit der vorgegebenen Drehachse zusammenfallen, so daß sie bei störungsfrei arbei­ tenden magnetischen Lagern passive Bauelemente darstellen. Für den Fall, daß die magnetischen Lager versagen, fällt die Welle aus der Position, die sie in ihrem Schwebezustand ein­ nimmt nach unten und erfaßt die inneren Lagerringe der als Stützlager dienenden Kugellager. Dabei werden die Kugeln und die Lagerringe aufgrund der sich ergebenden Beschleunigung und der Stoßkräfte einer Gleitbewegung unterworfen und un­ terliegen einem Verschleiß. Während dieser Verschleiß der Ku­ gellager in einigen Fällen akzeptabel sein kann, da die Ku­ gellager den Rest der Maschinen gegen Schäden schützen, ist im allgemeinen eine Fortsetzung der Drehbewegung der Welle mit der ursprünglichen Betriebsdrehzahl wegen des kontinuier­ lichen Verschleißes der Wälzelemente und der daraus resul­ tierenden Abwälzreibung, die höher ist als die normale Rei­ bung, nicht praktikabel. Ein vorzeitiger Verschleiß der Wälzelemente bedeutet außerdem, daß die als Stützlager dienenden Kugellager häufig ersetzt werden müssen, nachdem sie ihre Hilfs- bzw. Stützfunktion erfüllt haben. Wenn also ein Versagen der magnetischen Lager auf ein elektrisches, nicht maschinenbezogenes Problem zurückzuführen ist, muß also mit anderen Worten die im übrigen einwandfrei funktionierende Maschine stillgesetzt werden, um die Stützlager zu ersetzen.

Hydrodynamische Luftlager, d. h. Fluidfilm-Lager, welche mit Luft als Stützmedium arbeiten, stellen als Hilfslager für ma­ gnetische Radiallager gegenüber Kugellagern eine attraktive Alternative dar. Ähnlich wie magnetische Lager sind Luftlager geeignet mit hoher Drehzahl laufende Wellen zu lagern. Luft­ lager erleiden beim Anlaufen und Stillsetzen der Welle einen Verschleiß, und zwar zunächst in der Phase ehe die Welle hy­ drodynamisch von der Innenfläche des Lagers abgehoben wird, und anschließend nachdem die Drehzahl der Welle auf einen Wert abgesunken ist, der nicht mehr ausreicht um die hydrody­ namisch entwickelte Schicht bzw. das Luftkissen aufrechtzuer­ halten. Luftlager unterliegen jedoch während des normalen Be­ triebes keinem Verschleiß, da die Welle auf einer Luftschicht bzw. einem Luftkissen läuft. Wenn sich die Welle mit einer Drehzahl dreht, die im Arbeitsbereich der Luftlager liegt, und wenn dann die magnetischen Lager versagen, entwickelt sich die hydrodynamische Schicht, wenn die Welle aus ihrer Schwebeposition absinkt, und die Luftlager beginnen, die ro­ tierende Welle auf einem Luftfilm zu lagern, ohne daß dabei ein ins Gewicht fallender Verschleiß auftritt. Für den Fall, daß die Zufuhr der elektrischen Energie zu den magnetischen Lagern wiederhergestellt wird, während die Welle sich noch dreht und von dem Luftfilm getragen wird, werden die Luftla­ ger erneut zu passiven Bauteilen, ohne daß sie einem zusätz­ lichen Verschleiß unterworfen worden wären. Da Luftlager ferner so konstruiert sind, daß sie zahlreiche Start/Stopp- Zyklen aushalten, sind sie ferner in der Lage, dem Verschleiß beim Stillsetzen der Welle wiederholt zu widerstehen, wenn die Welle wegen eines Versagens der magnetischen Lager still­ gesetzt werden muß, ohne daß damit häufige Wartungsarbeiten an der Maschine zum Ersetzen der Luft-Stützlager verbunden wären. Da die Betriebsreibung von Luftlagern relativ niedrig ist, bieten Luftlager außerdem die Möglichkeit für eine Fort­ setzung des Betriebes der Maschine mit einer Wellendrehzahl im Bereich der normalen Betriebsdrehzahl.

Trotz der vorstehend erläuterten möglichen Vorteile, die Luftlager gegenüber Kugellagern bieten, war der Einsatz von Luftlagern als Stützlagern für magnetische Lager bisher aus verschiedenen Gründen nur begrenzt erfolgreich. Der radiale Betriebs-Arbeitsspalt zwischen einer rotierenden Welle und einem Luftlager muß nämlich klein sein (beispielsweise 0,0002 bis 0,0005"" (0,005 bis 0,013 mm)), um einen stabilen Betrieb des Luftlagers zu erreichen und die Entwicklung einer Druck­ differenz zu ermöglichen, wie sie für die hydrodynamische Erzeugung des Luftfilms zwischen der rotierenden Welle und dem Inneren des Luftlagers erforderlich ist. Wenn der radiale Betriebs-Arbeitsspalt eines Luftlagers mit dem radialen Be­ triebs-Arbeitsspalt zwischen der rotierenden Welle und den Bauteilen des magnetischen Lagers verglichen wird (beispielsweise im allgemeinen 0,010" (0,254 mm oder mehr)), dann ist das Montieren des Luftlagers in der Weise, daß dieses bezüglich der vorgegebenen Drehachse zentriert ist, extrem schwierig. Außerdem muß der Positionsfehler der magne­ tischen Lager, wenn man davon ausgeht, daß die Luftlager er­ folgreich bezüglich der vorgegebenen Drehachse zentriert wurden, innerhalb des radialen Betriebs-Arbeitsspalts der Luftlager gehalten werden. Außerdem haben Luftlager und ma­ gnetische Lager die Tendenz, einander bei rotierender Welle zu stören bzw. zu "bekämpfen". Die hydrodynamischen Kräfte in einem Luftlager bewirken nämlich, daß sich die Welle bezüg­ lich des geometrischen Mittelpunktes des Lagers exzentrisch dreht. Während die magnetischen Lager die Welle auf ihrer vorgegebenen Drehachse oder in der Nähe derselben halten, versuchen die hydrodynamischen Kräfte in Luftlagern die Welle in eine bezüglich dieser Drehachse exzentrische Position zu bewegen. Dieser Unterschied in den Betriebscharakertistiken führt zu einem bedeutsamen Energieverlust in der Maschine. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Schwierig­ keiten einer Integration der Abmessungs- und Betriebs­ charakteristiken von Luftlagern und magnetischen Lagern die Verwendung von Luftlagern als Stützlager für magnetische La­ ger verhindert haben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Stützlager anzugeben, bei dem ein Fluidfilm-Lagerelement ein passives Bauteil ist, solange ma­ gnetische Radiallager eine rotierende Welle aktiv abstützen, und bei dem das Fluidfilm-Lagerelement die rotierende Welle für den Fall, daß die magnetischen Lager versagen, auf einem Luftfilm lagert.

Diese Aufgabe wird bei einem Stützlager der eingangs ange­ gebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Stützlager ein Gehäuse mit einer inneren Oberfläche aufweist, daß in dem Gehäuse ein Lagerelement angeordnet ist, das das Lagerelement eine äußere Oberfläche und Abstützeinrichtungen aufweist, um die Welle, wenn sie sich dreht und nicht durch die primären Lager abgestützt wird, durch einen Fluidfilm ab­ zustützen, daß zwischen der Welle und den Abstützein­ richtungen ein maximaler radialer Betriebsarbeitsspalt vor­ gesehen ist und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die Drehung des Lagerelements bezüglich des Gehäuses zu be­ schränken und gleichzeitig ein radiales Schwimmen des Lagerelements bezüglich des Gehäuses in radialer Richtung über einen maximalen radialen Arbeitsspalt zu gestatten, und daß die Summe der Abmessungen des maximalen radialen Arbeits­ spalts und des maximalen radialen Betriebsarbeitsspalts kleiner ist als der radiale Mindest-Betriebsarbeitsspalt der primären Lager, derart, daß das Lagerelement die Welle ab­ stützt und verhindert, daß die Welle nicht-rotierende Bau­ teile berührt, wenn sie nicht von den primären Lagern ge­ tragen wird.

Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß das Lager­ element derart mit einem Spiel in dem Gehäuse gehaltert ist, daß es bei rotierender, durch die magnetischen Lager gela­ gerter Welle in radialer Richtung in dem Gehäuse "schwimmen" kann.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stützlagers be­ steht darin, daß eine Drehbewegung des Fluidfilm-Lager­ elements derart eingeschränkt wird, daß die Entwicklung einer Luft-Stützschicht ermöglicht wird, wenn die rotierende Welle nicht von den magnetischen Lagern gelagert wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nach­ stehen anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer typischen zu einer Drehbewegung antreibbaren Welle, die normaler­ weise durch elektronisch gesteuerte magnetische Radiallager gelagert wird und der ein er­ findungsgemäßes Stützlager zugeordnet ist;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Stütz­ lagers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Stützlagers gemäß Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht auf das Stützlager gemäß der Erfindung, gesehen von der Linie 4-4 in Fig. 1, wobei einzelne Teile geschnitten sind;

Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4;

Fig. 6 eine der Darstellung gemäß Fig. 5 ähnliche Dar­ stellung, wobei jedoch die Welle in einer Position dargestellt ist, in der sie von den magnetischen Lagern drehbar gelagert wird;

Fig. 7 eine der Darstellung gem. Fig. 5 ähnliche Dar­ stellung, wobei jedoch die Welle in einer Position dargestellt ist, in der sie von dem Stützlager drehbar gelagert wird;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Aus­ führungsform eines Lagerelements eines Stütz­ lagers gemäß der Erfindung und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines Stützlagers gemäß der Erfindung.

Während in der Zeichnung und in der nachfolgenden Be­ schreibung gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele darge­ stellt sind und detailliert erläutert werden, versteht es sich, daß hinsichtlich der konstruktiven Realisierung der Er­ findung zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Er­ gänzungen bestehen und daß die Erfindung keineswegs auf die nachstehend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt werden soll.

Zum Zwecke der Erläuterung ist ein Hilfs- bzw. Stützlager 10 gemäß der Erfindung in Fig. 1 in Verbindung mit einer zu einer Drehbewegung andrehbaren Welle 11 gezeigt, die nor­ malerweise durch zwei oder mehr elektrisch betätigte und elektronisch gesteuerte primäre magnetische Radiallager 12 getragen wird. Das Stützlager 10 ist außerdem zur Verwendung in Verbindung mit anderen primären Radiallagern, beispiels­ weise Luft-Radiallagern geeignet. Der Einfachheit halber sind in Fig. 1 lediglich ein Stützlager 10 und ein primäres ma­ gnetisches Radiallager 12 gezeigt. Für den Fall, daß das primäre magnetische Radiallager 12 versagt, und zwar aufgrund eines Fehlers in der elektrischen Energieversorgung oder in der elektrischen Steuerung für dieses Lager, trägt das Stütz­ lager an der betreffenden Stelle die rotierende Welle.

Wie Fig. 2 zeigt, ist das erfindungsgemäße Stützlager 10 ein in spezieller Weise ausgestaltetes Luft-Radiallager und um­ faßt ein Gehäuse 13 und ein hydrodynamisches bzw. ein Fluid­ film-Lagerelement 14, welches in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse 13 ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und mit einem einstückig angeformten Flansch 15 versehen, der von einem Ende des Gehäuses 13 in radialer Richtung nach außen vorsteht. Der Flansch 15 besitzt winkelmäßig im Abstand voneinander angeordnete Öffnungen 16 zur Aufnahme von Be­ festigungsschrauben 17 oder dergleichen (siehe Fig. 1) zur Montage des Stützlagers 10 in einer die Welle 11 umfassenden Maschine. Das Stützlager 10 umfaßt ferner eine ringförmige Schraubenfeder 18 (Fig. 3), die zwischen dem Lagerelement 14 und dem Gehäuse 13 angeordnet ist, sowie weiter unten noch näher zu beschreibende Einrichtungen zum Begrenzen einer Drehbewegung des Lagerelementes 14 in dem Gehäuse 13.

Das Lagerelement 14 besitzt gemäß Fig. 5 eine im wesentlichen zylindrische Außenfläche 19, welche gleitverschieblich von der im wesentlichen zylindrischen Innenfläche 20 des Gehäuses 13 aufgenommen wird. Das Innere 21 bzw. eine zentrale Öffnung des Lagerelements 14 ist derart ausgebildet, daß die ro­ tierende Welle 11 (Fig. 7) durch einen dünnen Luftfilm ge­ tragen wird, der sich hydrodynamisch zwischen dem Inneren 21 des Lagerelements 14 und der Mantelfläche 22 der rotierenden Welle 11 entwickelt. Das Innere 21 des Lagerelements 14 bildet vorzugsweise ein zylindrisches Lager, obwohl andere bekannte Lagerformen, wie z. B. symmetrische oder asymmetrische Lager mit bogenförmigen Flächen, die zu ver­ schiedenen hydrodynamischen Effekten führen, ebenfalls zur Verwendung bei dem Stützlager 10 geeignet sind. Das gezeigte Lagerelement 14 ist als einteiliges Element dargestellt; das Lagerelement 14 könnte jedoch alternativ durch Einpressen eines Einsatzes in das Lagerelement oder durch Anbringen einer Beschichtung auf einem Teil des Lagerelements herge­ stellt werden, derart, daß beispielsweise das Innere 21 des Lagerelements 14 gewisse Material- oder Verschleiß­ charakteristiken besitzt.

Mit der magnetisch schwebend gehalterten Welle 11 ist bezüg­ lich der Radiallager 12 ein radialer Mindest-Betriebsarbeits­ spalt 23 verknüpft. Ehe die Welle 11 zu rotieren beginnt, he­ ben die magnetischen Lager 12 die Welle schwebend bis zum Er­ reichen einer vorgegebenen Drehachse. Diese Drehachse geht typischerweise durch den geometrischen Mittelpunkt der magne­ tischen Lager. Die magnetischen Lager versuchen, die Welle während ihrer Drehbewegung auf dieser vorgegebenen Drehachse zu halten; die Welle hat jedoch die Tendenz unter dem Einfluß verschiedener Lastbedingungen, externer Störungen und Steuer­ signalfehler auszuwandern. Der Mindest-Arbeitsspalt 23, der der magnetisch schwebend gehalterten Welle 11 zugeordnet ist, ist der radiale Abstand bzw. die radiale Strecke, um die die Welle und ihre rotierenden Teile bezüglich der vorgegebenen Drehachse "auswandern" können, ehe es zu einem Kontakt mit der am nächsten angeordneten nicht-rotierenden Komponente kommt. Zum Zwecke der Erläuterung ist der radiale Mindestar­ beitsspalt 23 als mittlerer radialer Zwischenraum zwischen dem Außendurchmesser bzw. der Mantelfläche 22 der Welle 11 und dem Innendurchmesser bzw. der Innenfläche der ma­ gnetischen Lager 12 dargestellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Stützlager 10 in spezieller Weise so ausgebildet, daß sich zwischen dem Lagerelement 14 und dem Gehäuse 13 ein Spalt 24 bzw. ein Zwischenraum ergibt, der ein radiales "Schwimmen" des Lager­ elementes 14 bezüglich des Gehäuses 13 gestattet. Infolge­ dessen schwimmt das Lagerelement 14 mit der Welle 11, wenn letztere sich in einer Position in der Nähe ihrer vorge­ gebenen Drehachse dreht (siehe Fig. 6), und die Druck­ differenz die erforderlich ist, um die rotierende Welle 11 abzustützen, kann sich zwischen dem Inneren 21 des Lager­ elements 14 und der Mantelfläche 22 der Welle 11 nicht ent­ wickeln. Diesbezüglich sind also die Stützlager 14 (von denen nur eines gezeigt ist) bezüglich der Welle 11 passive Kompo­ nenten bzw. Bauteile, solange die magnetischen Lager 12 wirk­ sam arbeiten. Außerdem ist das Lagerelement 14 selbstaus­ richtend und muß bezüglich der vorgegebenen Drehachse nicht präzise positioniert werden, da es in der Lage ist, in dem Gehäuse 13 zu "schwimmen" und die vorgegebene Drehachse zu finden.

Bei der Realisierung der Erfindung ist ein maximaler radialer Spalt 24 (Fig. 5) bzw. ein radiales Spiel vorgesehen, inner­ halb dessen sich das Lagerelement 14 in radialer Richtung frei in dem Gehäuse 13 bewegen kann, ehe die Installation der Welle 11 erfolgt. Wie in der Zeichnung gezeigt, beträgt die Breite des maximalen radialen Spalts 24 die Hälfte der Differenz der Durchmesser der äußeren zylindrischen Ober­ fläche 19 des Lagerelements 14 und der inneren zylindrischen Oberfläche 20 des Gehäuses 13. Zwischen dem äußeren Durch­ messer bzw. der Mantelfläche 22 der Welle und dem Inneren 21 des Lagerelements 14 ist außerdem ein maximaler radialer Be­ triebsarbeitsspalt 25 (Fig. 6) vorgesehen. Das Stützlager 10 ist in spezieller Weise so gestaltet und dimensioniert, daß die Summe des maximalen radialen Spalts 24 bzw. des freien Spiels und des maximalen radialen Betriebsarbeitsspalts 25 kleiner ist als der radiale Mindest-Arbeitsspalt 23, der den magnetischen Lagern 12 zugeordnet ist. Diese Einschränkung hinsichtlich der Dimensionierung gewährleistet, daß die Stützlager 10 verhindern, daß die rotierende Welle 11 in Kon­ takt mit nicht-rotierenden Oberflächen gelangt, falls die ma­ gnetischen Lager 12 versagen. Außerdem gewährleistet die be­ schriebene Einschränkung hinsichtlich der Dimensionierung, daß die Welle 11 bei stehender Maschine und stillstehender Welle 11 auf den Stützlagern 10 aufliegt.

Es soll beispielsweise angenommen werden, daß der maximale radiale Spalt 24 bzw. das Spiel zwischen dem Lagerelement 14 und dem Gehäuse 13 0,005" (0,127 mm) beträgt, daß der maxi­ male radiale Betriebsarbeitsspalt 25 zwischen dem Lager­ element 14 und der Welle 11 0,0005" (0,0127 mm) beträgt und daß der radiale Mindestarbeitsspalt 23 zwischen der Welle 11 und den magnetischen Lagern 12 größer ist als 0,010" (0,254 mm). In diesem Fall beträgt die Summe aus dem maximalen radialen Spalt 24 und dem maximalen radialen Betriebs- Arbeitsspalt 25 0,0055" (0,14 mm) und ist kleiner als der radiale Betriebsarbeitsspalt 23 von 0,010" (0,254 mm). Ehe die Welle in den Schwebezustand gebracht wird, liegt sie in dem Stützlager 10 in einem Abstand von 0,0055" (0,14 mm) vom Mittelpunkt der magnetischen Lager 12 auf und hat einen Ab­ stand von mindestens 0,0045" (0,114 mm) von dem am dichtesten benachbarten nicht-rotierenden Teil. Solange die magnetischen Lager die Positionstoleranz der Welle 11 bezüglich der vorge­ gebenen Drehachse innerhalb eines Bereichs von +/-0,005" (0,127 mm) halten, ist die hydrodynamische Schicht, die sich zwischen dem Lagerelement 14 und der Welle 11 entwickelt, auf das Gewicht des Lagerelements zurückzuführen. Diese hydrody­ namische Schicht gestattet dem Lagerelement 14 ein Schwimmen in dem radialen Spalt 24 mit seiner Breite von 0,005" (0,127 mm), so daß das Lagerelement 14 bezüglich der Welle 11 ein passives Bauteil ist (vgl. beispielsweise Fig. 6).

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Stützlager 10 ferner so ausgebildet, daß es eine Drehbewegung des Lagerelements 14 bezüglich des Gehäuses 13 begrenzt bzw. verhindert. Für den Fall, daß die Welle 11 aus ihrem Schwebezustand herabfällt, fällt das Lagerelement 14 zusammen mit der Welle 11 (Fig. 7) nach unten. Um zu verhindern, daß das Lagerelement 14 zu ro­ tieren beginnt, nachdem es um eine Strecke nach unten ge­ fallen ist, die gleich dem freien radialen Spiel ist, so daß die Außenfläche 19 des Lagerelements 14 die Innenfläche 20 des Gehäuses 13 erfaßt, und nachdem sich die Welle in dem dimensionsmäßigen Betriebsspielraum des Fluidfilms befindet, gestattet das Lager 10 die Entwicklung des die Welle 11 tragenden hydrodynamischen Films zwischen der rotierenden Welle 11 und dem Inneren 21 des Lagerelements 14.

Im einzelnen sind an jedem der Enden des Gehäuses 13 radial nach innen vorstehende Teile bzw. Laschen 26 angeformt, die gleitverschieblich von Schlitzen 27 des Lagerelements 14 auf­ genommen werden, um die Drehbewegung des Lagerelements 14 be­ züglich des Gehäuses 13 zu begrenzen. Zusätzlich wird die Drehung des Lagerelements 13 bezüglich des Gehäuses 14 durch Laschen 28 begrenzt, die in axialer Richtung von den Enden des Lagerelements 14 abstehen und gleitverschieblich von Schlitzen 29 des Gehäuses 13 aufgenommen werden. Vorzugsweise sind die betrachteten Mittel zum Begrenzen der Drehung des Lagerelements 14 bezüglich des Gehäuses 13 so dimensioniert, daß sie das freie radiale Spiel des Lagerelements, welches durch den maximalen radialen Spalt 24 definiert ist, in dem Gehäuse nicht einschränken. Zu diesen Zweck ist der Abstand 30 (Fig. 4) zwischen den Kanten der Laschen 26 und 28 und den benachbarten Kanten der zugeordneten Schlitze 27 bzw. 29 größer als der maximale radiale Spalt 24. Für den Fall, daß das Spiel bzw. der Abstand 30 kleiner ist als der maximale radiale Spalt 24 wird der maximale radiale Spalt, in dem sich das Lagerelement 14 in dem Gehäuse 13 in radialer Richtung frei bewegen kann, durch diesen maximalen Abstand 30 be­ stimmt.

Wenn das Lagerelement 14 bei dem betrachteten Ausführungs­ beispiel so weit herabfällt, daß die Außenfläche 19 des Lagerelements 14 in Eingriff mit der Innenfläche 20 des Ge­ häuses 13 gelangt, und wenn die rotierende Welle 11 soweit herabfällt, daß sie sich in einem Abstand von 0,005" (0,127 mm) von dem Inneren 21 des Lagerelements 14 befindet, (vgl. beispielsweise Fig. 7) wird sich zwischen der Welle 11 und dem Inneren 21 des Lagerelements 14 die die Welle 11 tragende hydrodynamische Schicht entwickeln. Da die Be­ stimmung der tatsächlichen radialen Betriebs- und Arbeits­ spielräume von vielen Faktoren abhängig ist, wie z. B. vom Wellendurchmesser, von der Wellendrehzahl und von der be­ triebsmäßigen Belastung, dienen die als Beispiele angegebenen Abmessungen und Spaltbreiten lediglich der Erläuterung und stellen keine Richtlinien für die Planung oder einen Ersatz für die übliche Konstruktionspraxis dar.

Wenn die Stützlager 10 in Verbindung mit primären Luftlagern (nicht gezeigt) verwendet werden, kann die Welle 11 pneuma­ tisch von den Stützlagern 10 abgehoben werden, ehe sie zu rotieren beginnt; die Stützlager können aber die Welle auch so lange abstützen, bis sie eine vorgegebene Betriebsdrehzahl erreicht. Die oben definierten Dimensionierungsparameter, das heißt der radiale Mindestbetriebsspielraum, der maximale radiale Betriebsspielraum und der maximale radiale Spalt bleiben jedoch gültig.

Das Gehäuse 13 ist gemäß Fig. 3 der Zeichnung als geteiltes Gehäuse ausgebildet und speziell zur Verwendung in einer Maschine mit einem in axialer Richtung geteilten Gehäuse bzw. mit einem Gehäuse mit Halbschalen geeignet. Das Gehäuse 13 umfaßt zwei Gehäuseteile 13A und 13B sowie Zapfen 33 zum fluchtenden Ausrichten dieser beiden Gehäuseteile. An die beiden Gehäuseteile 13A, 13B sind Flansche 15A, 15B ein­ stückig angeformt und an Maschinenflanschen 15C bzw. 15D ge­ sichert. Öffnungen 34A und 34B (Fig. 4) in den Gehäuseteilen 13A und 13B dienen der Aufnahme der Zapfen 33. Wenn die beiden Maschinenflansche 15C und 15D zusammengebaut werden, treffen sich die Gehäuseteile 13A und 13B in einer Ebene, welche im wesentlichen mit einer Ebene durch die geometrische Mitte der Welle 11 zusammenfällt. Die beiden Gehäuseteile können identisch ausgebildet sein oder nahezu identisch mit der Ausnahme, daß die Öffnungen 34a so ausgebildet sein können, daß sie die Zapfen 33 stramm aufnehmen, während die Öffnungen 34B so ausgebildet sind, daß sie die Zapfen jeweils gleitverschieblich aufnehmen. Das Stützlager 10 wird zu­ sammengebaut, indem einfach die beiden Maschinenflansche 15C, 15D, daß heißt die beiden Gehäuseteile 13A, 13B in radialer Richtung gegen das Lagerelement 14 bewegt werden, wobei die Zapfen 33 in Eingriff mit den Öffnungen 34A und 34B gebracht werden. Die Kanten der Laschen 26, 28 und der Schlitze 27, 29 sind so ausgebildet, daß die Laschen von den Schlitzen aufge­ nommen werden wenn die Gehäuseteile 13A und 13B zusammenge­ baut werden.

Die ringförmige Schraubenfeder 18 (Fig. 5) zieht sich um das Lagerelement 14 zusammen und ist in einer Ringnut 35 in der Innenfläche des Gehäuses 13 angeordnet. Die Tiefe der Ringnut 35 ist geringer als die Dicke bzw. der Durchmesser der Schraubenfeder 18, derart, daß die Schraubenfeder 18 gegen die Außenfläche 19 des Lagerelements 14 vorgespannt wird. Die Schraubenfeder 18 ist so ausgebildet, daß sie die Tendenz hat, das Lagerelement 14 in dem Gehäuse 13 zu zentrieren, wo­ bei das Lagerelement 14 jedoch seine Fähigkeit behält, sich in dem Gehäuse 13 in radialer Richtung zu bewegen. Wenn die Stützlager 10 die rotierende Welle 11 tragen, trägt die Steifigkeit der Schraubenfeder 18 zur Steifigkeits­ charakteristik des hydrodynamischen Lagers bei.

Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 8 gezeigt ist, ist das Innere 21 des Lagerelements 14 in Form eines bekannten Folienlagers 36 ausgebildet. Das Folienlager 36 kann in Form eines Einsatzes ausgebildet sein, welcher wie gezeigt in dem Lagerelement 14 angeordnet ist oder einstückig mit dem Lagerelement ausgebildet sein. Ein typisches Folien­ lager umfaßt im allgemeinen rechteckige blattförmige Elemente 37 aus einem dünnen elastischen Material. Die Blätter bzw. Folien werden mit einer schwachen Krümmung hergestellt und in Umfangsrichtung im Abstand voneinander rings um die im we­ sentlichen zylindrische Innenfläche 38 angeordnet, wobei ein Ende jeder Folie an der Innenfläche 38 gesichert ist. Die ge­ sicherten Folien erstrecken sich in Umfangsrichtung und liegen über ein oder mehreren benachbarten Folien. Die genaue Ausbildung und Dicke der Folien bzw. der blattförmigen Elemente, die gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden, beeinflußt den maximalen radialen Betriebs-Arbeitsspalt 25 der Welle 11 in dem Folienlager. Für die Zwecke der vor­ liegenden Erfindung kann die effektive Foliendicke als die maximale Gesamtdicke der Folie definiert werden, die durch irgendeine radiale Linie hindurchgeht, wenn die Folien gegen die Innenfläche 38 zusammengepreßt werden. Der maximale radiale Betriebs-Arbeitsspalt 25 wird in diesem Fall durch die Hälfte der Differenz zwischen dem Durchmesser der Innen­ fläche 38 und dem Durchmesser der Mantelfläche 22 der rotierenden Welle 11 abzüglich der wirksamen Foliendicke be­ stimmt.

Bei einem weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiel, welches besonders für die Fälle geeignet ist, in denen das Gehäuse 13 ein einstückiges Gehäuse ist, ist das Lagerelement 14 gemäß Fig. 9 dadurch drehbeweglich bezüglich des Gehäuses 13 ge­ sichert, daß zusammenwirkende Permanentmagnetringe 39, 40 vorgesehen sind, die an dem Gehäuse 13 bzw. an dem Lager­ element 14 befestigt sind. Der Permanentmagnetring 39 ist mit in Umfangsrichtung verlaufenden magnetischen Segmenten ver­ sehen, die alternierend aufeinanderfolgende Magnetpole bilden und an der Innenseite 20 des Gehäuses 13 befestigt. Der Permanentmagnetring 40 ist mit einer gleichen Anzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden magnetischen Segmenten versehen, die alternierende magnetische Pole bilden. Jedes Segment des Ringes 40 ist an der Außenfläche 19 des Lagerelements 14 ge­ sichert und erstreckt sich über denselben Bogen wie ein ent­ sprechendes Segment des Permanentmagnetringes 39, welches die entgegengesetzte magnetische Polarität hat. Wenn das Lager­ element 14 in dem Gehäuse 13 angeordnet ist, sind die Permanentmagnetringe 39, 40 konzentrisch zueinander ange­ ordnet, so daß die magnetischen Anzugs- und Rückstoßkräfte zwischen den Segmenten der Ringe zusammenwirken, um das Lagerelement 14 in dem Gehäuse 13 in der Nähe der vorge­ gebenen Drehachse zu zentrieren und um ein freies Heraus­ drehen des Lagerelements 14 aus einer magnetisch stabilen Winkelposition einzuschränken. Bei der dargestellten Ausge­ staltung, bei der jeder der Permanentmagnetringe 39, 40 vier magnetische Segmente besitzt, gibt es zwei magnetisch stabile Positionen, die das Lagerelement 14 einnehmen könnte, nämlich die gezeigte Position und eine gegenüber dieser Position um 180° verdrehte Position. Wenn sich das Lagerelement 14 aus einer stabilen Position herauszudrehen beginnt, bewirken die magnetischen Kräfte eine Rückkehr des Ringes in die stabile Position. Die Permanentmagnetringe 39, 40 könnten auch mit in axialer Richtung alternierenden magnetischen Segmenten ausge­ bildet werden, und zwar zusätzlich zu den in Umfangsrichtung alternierenden magnetischen Segmenten, um eine axiale Be­ wegung des Lagerelements 14 bezüglich des Gehäuses 13 einzu­ schränken bzw. zu verhindern. Gemäß einer Alternative ist es nicht erforderlich, daß sich die magnetischen Segmente an­ einander abstützen, um einen geschlossen Ring zu bilden.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß gemäß der Erfindung ein neues und verbessertes Stützlager ge­ schaffen wird, in dem ein Fluidfilm-Lagerelement 14 bezüglich einer rotierenden Welle 11 so lange ein passives Bauteil dar­ stellt, wie magnetische Lager 12 wirksam sind, um die rotierende Welle zu tragen, während das Fluidfilm-Lager­ element die rotierende Welle dann auf einem Luftkissen hydro­ dynamisch abstützt, wenn die magnetischen Lager versagen. Folglich ist das Stützlager in der Lage, die rotierende Welle kontinuierlich zu tragen und einen wiederholten Stillsetzver­ schleiß auszuhalten, wie er mit einem Versagen der magne­ tischen Lager verbunden sein kann, ohne daß eine häufige Wartung der Maschine zum Ersetzen der als Luftlager ausge­ bildeten Stützlager erforderlich wäre.

Claims (10)

1. Stützlager zur Verwendung in Verbindung mit einer dreh­ baren Welle, welche normalerweise durch primäre Radiallager derart gelagert wird, daß sie um eine vorge­ gebene Drehachse drehbar ist, wobei für die rotierende Welle in den primären Lagern ein Mindest-Betriebs­ arbeitsspalt vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (10) ein Gehäuse (13) mit einer inneren Oberfläche (20) aufweist, daß in dem Gehäuse (13) ein Lagerelement (14) angeordnet ist, daß das Lagerelement (14) eine äußere Oberfläche (19) und Abstützein­ richtungen (21; 37, 38) aufweist, um die Welle (11), wenn sie sich dreht und nicht durch die primären Lager (12) abgestützt wird, durch einen Fluidfilm abzustützen, daß zwischen der Welle (11) und den Abstützeinrichtungen ein maximaler radialer Betriebsarbeitsspalt (25) vorgesehen ist und daß Einrichtungen (26, 27, 28, 29; 39, 40) vorgesehen sind, um die Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) zu beschränken und gleich­ zeitig ein radiales Schwimmen des Lagerelements (14) be­ züglich des Gehäuses (13) in radialer Richtung über einen maximalen radialen Arbeitsspalt (24) zu gestatten, und daß die Summe der Abmessungen des maximalen radialen Arbeitsspalts (24) und des maximalen radialen Betriebs­ arbeitsspalts (25) kleiner ist als der radiale Mindest- Betriebsarbeitsspalt (23) der primären Lager (12), der­ art, daß das Lagerelement (14) die Welle (11) abstützt und verhindert, daß die Welle (11) nicht-rotierende Bau­ teile berührt, wenn sie nicht von den primären Lagern (12) getragen wird.

2. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) zwei Gehäuseteile (13A, 13B) aufweist, die in einer die vorgegebene Achse enthaltenden Ebene passend miteinander verbindbar sind, und daß Ver­ bindungseinrichtungen (33, 34A, 34B) vorgesehen sind, um die Gehäuseteile (13A, 13B) axial fluchtend lösbar mit­ einander zu verbinden, derart, daß das Gehäuse (13) durch radiales Abziehen der Gehäuseteile (13A, 13B) in entgegengesetzte Richtungen von dem Lagerelement (14) entfernt werden kann.

3. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Schraubenfeder (18) vorgesehen ist, daß das Gehäuse in seiner inneren Oberfläche (20) mit einer Ringnut (35) versehen ist und daß die Schraubenfeder (18) in der Ringnut (35) angeordnet ist und derart in Eingriff mit der äußeren Oberfläche (19) des Lager­ elements (14) steht, daß das Lagerelement (14) in dem maximalen radialen Arbeitsspalt (24) entgegen der Feder­ kraft der Schraubenfeder (18) radial beweglich ist.

4. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützeinrichtungen zum Abstützen der Welle (11) eine im wesentlichen zylindrische innere Lagerfläche (21) umfassen.

5. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützeinrichtungen zum Abstützen der Welle (11) eine im wesentlichen zylindrische innere Oberfläche (38) und mehrere einander überlappende blattförmige Folien (37) umfassen, wobei jede Folie (37) mindestens zwei Enden hat, wobei die Folien (37) in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnet und an der inneren Ober­ fläche (38) gesichert sind und sich ausgehend von dieser inneren Oberfläche (38) im wesentlichen in Umfangs­ richtung längs dieser inneren Oberfläche (38) er­ strecken, und daß jede Folie (37) so ausgebildet ist, daß mindestens ein Ende dieser Folie (37) über min­ destens einem Teil einer weiteren, sich in Umfangs­ richtung erstreckenden Folie (37) liegt.

6. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einschränken der Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) erste und zweite magnetische Segmente (Permanentmagnetringe 39, 40) entgegengesetzter magnetischer Polarität umfassen, wobei das erste Segment an dem Lagerelement (14) und das zweite Segment an dem Gehäuse (13) befestigt ist und in Umfangsrichtung mit dem ersten Segment fluchtet, derart, daß sich die Segmente gegenseitig magnetisch anziehen.

7. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einschränken der Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) einen ersten und einen zweiten Permanentmagnetring (39, 40) umfassen, daß jeder der Permanentmagnetringe (39, 40) mehrere in Umfangsrichtung im Abstand voneinander vorge­ sehene Segmente aufweist, die mit alternierender magne­ tischer Polarität aufeinanderfolgen, daß der erste Permanentmagnetring (39) an dem Gehäuse (13) befestigt ist, daß der zweite Permanentmagnetring (40) an dem Lagerelement (14) befestigt ist und daß diejenigen Seg­ mente des ersten Permanentmagnetringes (39), die eine erste magnetische Polarität aufweisen, in Umfangs­ richtung fluchtend zu denjenigen Segmenten des zweiten Permanentmagnetringes (40) ausgerichtet sind, die die entgegengesetzte magnetische Polarität aufweisen.

8. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einschränken der Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) min­ destens ein Element (26) umfassen, welches von dem Ge­ häuse (13) absteht, und daß das Lagerelement (14) min­ destens eine Aussparung (27) zur gleitverschieblichen Aufnahme des von dem Gehäuse (13) abstehenden Elements (26) aufweist.

9. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einschränken der Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) min­ destens ein von dem Lagerelement (14) abstehendes Element (28) aufweisen und daß das Gehäuse (13) min­ destens eine Ausnehmung (29) zur gleitverschieblichen Aufnahme des von dem Lagerelement (14) abstehenden Elements (28) aufweist.

10. Stützlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die primären Radiallager als magnetische Radiallager (12) ausgebildet sind.