DE1967085B2 - Magnetic storage - Google Patents

Magnetic storage

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DE1967085B2 DE19691967085 DE1967085A DE1967085B2 DE 1967085 B2 DE1967085 B2 DE 1967085B2 DE 19691967085 DE19691967085 DE 19691967085 DE 1967085 A DE1967085 A DE 1967085A DE 1967085 B2 DE1967085 B2 DE 1967085B2
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Dietrich Dipl.-Ing. Dr.Rer.Nat. 7410 Reutlingen Scheffer
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Description

an geringe »magnetische Lagerreibung« diese Maßnahmen nicht brauchte.because of low "magnetic bearing friction", these measures did not need to be taken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die magnetische Lagerung nach dem Hauptpatent derart weiterzubilden, daß der Energiebedarf umi insbesondere der Widerstand gegen Drehung des Rotors weiter herabgesetzt werden kann.The object of the present invention is therefore the magnetic bearing according to the main patent in such a way to educate that the energy demand umi in particular the resistance to rotation of the rotor can be further reduced.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die Elektromagnete der Radial-Stabiiisierungseinrichtung nach Art eines Drehfeldstators nusgeführt sind.This object is achieved according to the present invention in that the electromagnets of Radial stabilization device in the manner of a rotating field stator are nut guided.

Gegenüber den Eirizelpolen, die von den einzelnen Elektromagneten gebildet werden, haben die Wicklungen eines Drehfeldstators einen wesentlich gleichmäßigeren und homogenen Übergang. Es hat sich herausgestellt, daß trotz dieses weicheren Überganges und der damit verbundenen weniger scharfen Trennung zwischen den einzelnen Polen sich die Radiallagerkräfte durchaus nicht erniedrigen. Der Einsatz eines Drehfeldstators in diesem Falle ist insofern ungewöhnlich, als Drehfeidstatoren ja dazu ausgebildet sind, Drehfefder, d. h. Wechselströme, aufzunehmen, während hier die einzelnen Wicklungen des Drehfeldstators mit pulsierenden Gleichströmen beaufschlagt werden, die von dem Steuergerät in Abhängigkeit von den Fühlersignalen erzeugt werden. Für eine übliche Ausführung mit zwei klar voneinander getrennten Lagerebenen, die meist vier Fühler besitzt, von denen sich jeweils zwei gegenüberliegen, ist ein Drehfeldstator erforderlich, wie er für einen Vierphasen-Wechselstrom gebraucht werden würde.The windings are opposite to the Eirizelpolen, which are formed by the individual electromagnets a rotating field stator a much more even and homogeneous transition. It turned out that despite this softer transition and the associated less sharp separation between the radial bearing forces are by no means reduced for the individual poles. The use of a rotating field stator in this case it is unusual that rotary spring stators are designed to produce rotary springs, d. H. Alternating currents, while here the individual windings of the rotating field stator are pulsating Direct currents are applied by the control unit as a function of the sensor signals be generated. For a common design with two clearly separated storage levels, the usually has four sensors, two of which are opposite each other, a rotating field stator is required, such as it would be needed for a four-phase alternating current.

Es kann jede bebliebige Bauart eines Drehfeldstators verwendet werden. Dies hat besondere Vorteile, weil sowohl die Entwicklung als auch die Herstellungsmethoden für Drehfeldstatoren derart fortgeschritten sind, daß hier mit einem Minimum an Herstellungs- und Entwicklungsaufwand eine ideale Radial-Stabilisierungseinrichtung geschaffen werden kann. Wegen der guten Homogenität des Magnetfeldes, die der Drehfeldstator in seiner erfindungsgemäßen Anwendung als Radial-Stabilisierungseinrichtung schafft, braucht der Rotor nicht mehr geblecht zu sein und kann beispielsweise aus einem ferromagnetischen Hohl- oder Vollzylinder bestehen.Any type of rotating field stator can be used. This has particular advantages because Both the development and the manufacturing methods for rotating field stators are so advanced that that here an ideal radial stabilization device with a minimum of manufacturing and development effort can be created. Because of the good homogeneity of the magnetic field created by the rotating field stator in its application according to the invention as a radial stabilization device, the needs Rotor no longer to be laminated and can, for example, made of a ferromagnetic hollow or Full cylinders exist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung im schematischen Längsschnitt dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawing in a schematic longitudinal section and is explained in more detail below.

In der Zeichnung ist in einem Vakuumkessel 1 ein Rotor 2 koaxial zur Kesselachse angeordnet. Der Vakuumkessel 1 besteht im Bereich der Lager aus nicht-magnetischem Material. Der Rotor 2 besitzt an beiden Enden je einen Lagerring 11, 111 aus ferromagnetischem Material, ζ. B. aus Stahl. In vertikaler Richtung wird das Rotorgewicht zu je einem Anteil von Axial-Stabilisierungsmagneten bzw. Tragmagneten 8,108 gehalten, die als ringförmige Permanentmagnete ausgebildet sind. Sie erzeugen je ein statisches, rotationssymmetrisches Magnetfeld mit vertikaler, das Rotorgewicht aufnehmender Komponente und sind beispielsweise axial magnetisiert. Die Axial-Stabilisierungsmagnete erzeugen also ein den Rotor nur in axialer Richtung stabilisierendes Magnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung. Die axialen Kräfte der Axial-Stabilisierungsmagneie 8, 108 sowie die Lagerkräfte der Elektromagnete von Radial-Stabilisierungseinrichtungen werden an den Lagerzylinder des Rotors von den ferromagnetischen Ringen 11, 111 aufgenommen. Die schematisch dargestellten Radial-Stabilisierungseinrichtungen 4, 104 sind nach Art von Drehfeldstatoren ausgeführt. Als berührungslose Wegaufn.ehmer bzw. Fühler 5, 105 zur horizontalen, d. h. Radial-Lagerung des Rotors dienen Feldplatten, deren elektrischer Widerstand abhängig von der die Feldplatten durchsetzenden magnetischen Feldstärke ist. Durch radiale Rotorbewegungen werden Magnetfeldänderungen und damit in den Feidplatten auch Widerstandsänderungen erzeugt. Die daraus gewinnbaren, lageabhängigen Meßsignale dienen nach Verstärkung und Phasenschiebung in einem Steuergerät, das zur Radial-Stabilisierungseinrichtung gehört und einen Verstärker 12 und einen Phasenschieber 13 enthält, zur Erzeugung der zur radialen Lagerung des Rotors 2 notwendigen Magnetfelder durch die den Feldplatten zugeordneten Radial-Stabilisierungseinrichtungen 4, 104. Steuergerät und Verstärker sind entsprechend dem Hauptpatent aufgebaut und haben dementsprechend ein gleichstromgespeistes Steuergerät, das die elektrischen Signale der Fühler verstärkt und zeitlich in ihrer Phase verschoben als Ausgangssignale an die zugehörige Wicklung des Drehfeldstators derart abgibt, daß deren Magnetfelder am Rotor eine Rückstell-Kraftkomponente zur Zurückstellung des Rotors aus der abweichenden Position in die Sollposition und eine gegenüber der Rückstell-Kraftkomponente um eine viertel Schwingungsperiode vorauseilende phasenverschobene Dämpfungs-Kraftkomponente erzeugen, die den durch Kreiselwirkung des Rotors entstehenden Rotorauslenkungen entgegenwirkt und alle Schwingbewegungen des Rotors in radialer Ricntung dämpft. Die Magnetfelder der Radial-Stabilisierungseinrichtungen 4, 104 beeinflussen die radialen Komponenten der Magnetfelder der Axial-Stabilisierungsmagnete 8, 108 in der Weise, daß die Rotorachse in der vorgegebenen, zentrischen Lage gehalten wird und Schwingbewegungen des Rotors gedämpft werden.In the drawing, a rotor 2 is arranged in a vacuum vessel 1 coaxially to the vessel axis. Of the Vacuum vessel 1 consists of non-magnetic material in the area of the bearings. The rotor 2 has on Both ends have a bearing ring 11, 111 made of ferromagnetic material, ζ. B. made of steel. In vertical Direction, the rotor weight becomes a proportion of axial stabilization magnets or support magnets 8,108 held, which are designed as ring-shaped permanent magnets. They each generate a static, rotationally symmetrical magnetic field with a vertical component that absorbs the rotor weight and are for example axially magnetized. The axial stabilization magnets thus generate a magnetic field that stabilizes the rotor only in the axial direction with a destabilizing one Effect in the radial direction. The axial forces of the axial stabilization magnet 8, 108 and the bearing forces of the electromagnets of radial stabilizers are applied to the bearing cylinder of the Rotor from the ferromagnetic rings 11, 111 received. The radial stabilization devices shown schematically 4, 104 are designed in the manner of rotating field stators. As a non-contact transducer or sensors 5, 105 for the horizontal, d. H. Radial bearings of the rotor are used for field plates electrical resistance is dependent on the magnetic field strength penetrating the field plates. By Radial rotor movements become changes in the magnetic field and thus also changes in resistance in the field plates generated. The position-dependent measurement signals that can be obtained therefrom are used after amplification and Phase shift in a control unit belonging to the radial stabilization device and an amplifier 12 and a phase shifter 13 contains, for generating the necessary for the radial mounting of the rotor 2 Magnetic fields through the radial stabilization devices 4, 104 assigned to the field plates. Control device and amplifiers are constructed in accordance with the main patent and accordingly have a DC-fed Control unit that amplifies the electrical signals from the sensors and shifts their phase over time emits as output signals to the associated winding of the rotating field stator in such a way that its magnetic fields a restoring force component on the rotor for restoring the rotor from the deviating position in the target position and an oscillation period by a quarter compared to the restoring force component Generate leading phase-shifted damping force component, which is caused by the gyroscopic effect of the rotor counteracts rotor deflections and all oscillating movements of the rotor in radial direction damps. Influence the magnetic fields of the radial stabilization devices 4, 104 the radial components of the magnetic fields of the axial stabilization magnets 8, 108 in such a way that the rotor axis is held in the specified, central position and oscillating movements of the rotor be dampened.

Die erfindungsgemäße Ausführung der Radial-Stabilisierungseinrichtungen als Drehfeldstatoren eignet sich besonders gut für die beschriebene Ausführung mit Vormagnetisierung durch das Magnetfeld des Axial-Stabilisierungsmagneten. The embodiment of the radial stabilization devices according to the invention as a rotating field stators is particularly suitable for the described embodiment with Pre-magnetization by the magnetic field of the axial stabilization magnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Magnetische Lagerung eines mit ferromagnetischen Teilen versehenen Rotors an einem feststehenden Teil ohne Berührung zwischen diesen, wobei am feststehenden Teil wenigstens ein Axial-Stabilisierungsmagnet angeordnet ist, der ein Magnetfeld mit einer axialen Komponente erzeugt, wobei wenigens eine elektromagnetisch wirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung vorgesehen ist, die von einem Steuergerät beaufschlagte Elektromagnet besitzt, die ferromagnetische Teile am Rotor beeinflussende Magnetfelder erzeugen, wobei nach Patent 17 50 602.4 der Axial-Stabilisierungsmagnet ein den Rotor nur in axialer Richtung stabilisierendes Magnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung besitzt und die dieser destabilisierenden Wirkung entgegengewirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung wenigstens zwei berührungslose Fühler aufweist, die Abweichungen des Rotors von einer radialen Sollposition messen und elektrische Signale abgeben, die von dem gleichstromgespeisten Steuergerät verstärkt und zeitlich in ihrer Phase verschoben als Ausgangssignale an die Elektromagnete abgegeben werden, deren Magnetfelder am Rotor eine Rückstell-Kraftkomponente zur Zurückstellung des Rotors aus der abweichenden Position in die Sollposition und eine gegenüber der Rückstell-Kraftkomponente um eine viertel Schwingungsperiode vorauseilende Dämpfungs-Kraftkomponente erzeugen, die den durch Kreiselwirkung des Rotors entstehenden Rotorauslenkungen entgegenwirkt und alle Schwingungsbewegungen des Rotors in radialer Richtung dämpft, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete der Radial-Stabilisierungseinrichtung (4, 104) nach Art eines Drehfeldstators ausgeführt sind.Magnetic mounting of a rotor provided with ferromagnetic parts on a stationary one Part without contact between them, with at least one axial stabilization magnet on the fixed part is arranged, which generates a magnetic field with an axial component, with at least one electromagnetically acting radial stabilization device is provided, which has acted upon by a control unit electromagnet, the ferromagnetic parts on the rotor generate influencing magnetic fields, according to patent 17 50 602.4 the axial stabilization magnet a magnetic field stabilizing the rotor only in the axial direction with a destabilizing effect in possesses radial direction and this destabilizing effect counteracting radial stabilization device has at least two contactless sensors, the deviations of the rotor Measure from a radial setpoint position and emit electrical signals that are supplied by the direct current Control unit amplified and shifted in phase as output signals to the Electromagnets are released, the magnetic fields of which have a restoring force component on the rotor to reset the rotor from the deviating position to the target position and one opposite The damping force component leading the restoring force component by a quarter oscillation period generate the rotor deflections caused by the gyroscopic effect of the rotor counteracts and dampens all vibratory movements of the rotor in the radial direction, characterized in that the electromagnets of the radial stabilization device (4, 104) are designed in the manner of a rotating field stator. 4040 Das Hauptpatent betrifft eine magnetische Lagerung eines mit ferromagnetischen Teilen versehenen Rotors an einem feststehenden Teil ohne Berührung zwischen diesen, wobei am feststehenden Teil wenigstens ein Axial-Stabilisierungsmagnel angeordnet ist, der ein Magnetfeld mit einer axialen Komponente erzeugt, wobei wenigtens eine elektromagnetisch wirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung vorgesehen ist, die von einem Steuergerät beaufschlagte Elektromagnete besitzt, die ferromagnetische Teile am Rotor beeinflussende Magnetfelder erzeugen. Gemäß dem Hauptpatent ist vorgeschlagen worden, daß der Axial-Stabilisierungsmagnet ein den Rotor nur in axialer Richtung stabilisierendes Magnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung besitzt und daß die dieser destabilisierenden Wirkung entgegenwirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung wenigtens zwei berührungslose Fühler aufweist, die Aoweichungen des Rotors von einer radialen Sollposition messen und elektrische Signale abgeben, die von dem gleichstrom-gespeisten Steuergerät verstärkt und zeitlich in ihrer Phase verschoben als Ausgangssignale an die Elektromagnete abgegeben werden, deren Magnetfelder am Rotor eine b5 Rückstell-Kraftkomponente zur Zurückstellung des Rotors aus der abweichenden Position in die Sollposition und eine gegenüber der Rückstell-Kraftkomponen-The main patent relates to a magnetic mounting of a rotor provided with ferromagnetic parts on a fixed part without contact between them, with at least one axial stabilization magnet being arranged on the fixed part, which generates a magnetic field with an axial component, with at least one electromagnetically acting radial stabilization device is provided, which has acted upon by a control unit electromagnets that generate magnetic fields influencing ferromagnetic parts on the rotor. According to the main patent, it has been proposed that the axial stabilization magnet has a magnetic field which stabilizes the rotor only in the axial direction and has a destabilizing effect in the radial direction, and that the radial stabilization device counteracting this destabilizing effect has at least two contactless sensors, the Aoweichungen the rotor of one measuring radial desired position and emit electrical signals, amplifies the supplied direct current from the control unit and time-shifted in phase as the output signals are supplied to the electromagnets, the magnetic fields on the rotor a b5 restoring force component for resetting the rotor from the deviated position to the desired position and one opposite the restoring force component 4545 5050 5555 60 te um eine viertel Schwingungsperiode vorauseilende Dämpfungs-Kraftkomponente erzeugen, die den durch Kreiselwirkung des Rotors entstehenden Rctorauslenkungen entgegenwirkt und alle Schwingbewegungen des Rotors in radialer Richtung dämpft. 60 te generate a damping force component leading by a quarter oscillation period, which counteracts the Rctor deflections caused by the gyroscopic effect of the rotor and dampens all oscillating movements of the rotor in the radial direction. Nach dem Hauptpatent können sowohl stillstehende als auch schnell umlaufende Rotoren berührungslos magnetisch gelagert werden, und zwar auch gestreckte und insbesondere solche mit vertikaler Drehachse. Bei diesen kann der Rotor wie ein oberhalb seines Schwerpunktes gelagerter Körper aufgehängt sein.According to the main patent, both stationary and rapidly rotating rotors can be without contact be magnetically supported, including stretched ones and especially those with a vertical axis of rotation. at The rotor can be suspended from this like a body mounted above its center of gravity. Bei der Lagerung eines Rotors mit vertikaler Drehachse kann das Gewicht des mit ferromagnetischen Teilen versehenen Rotors durch statische, am oberen Ende des Rotors angreifende Magnetfelder des Axialstabilisierungsmagneten, der in diesem Falle als Tragmagnet wirkt, kompensiert werden. In horizontaler Richtung wird die vorgegebene zentrische Lage der Rotorachse und die Dämpfung von Pendel-, Präzessions- und Nutationsbewegungen, d. h. Schwingbewegungen, des Rotors durch die an beiden Rotorenden in horizontaler Richtung wirkenden Magnetfelder radial gerichteter Elektromagnete der Radialstabilisierungseinrichtungen erreicht. Diese Radialstabilisierungseinrichtungen werden von berührungslosen Fühlern gesteuert, die in der eingangs beschriebenen Weise die radialen Rotorabweichungen messen und für die Rückstellung und Dämpfung sorgen. Im Hauptpatent sind als berührungslose Fühler induktive, kapazitive oder lichtelektrische Wegaufnehmer erwähnt. Die Axialstabilisierungsmagnete arbeiten mit einer Unstetigkeit im ferromagnetischen Material des Rotors, beispielsweise einer Schulter oder einer Stirnfläche, zusammen und erzeugen vorteilhaft ein über den Luftspalt zwischen Axialstabilisierungsmagnet und Rotor homogenes Tragmagnetfeld. Besonders vorteilhaft sind Permanentmagneten, die beispielsweise als den Rotor umgebende Permanentmagnetringe oder in Rotorteile hineinragende Stabmagneten ausgebildet sein können.When mounting a rotor with a vertical axis of rotation, the weight of the rotor, which is provided with ferromagnetic parts, can be compensated for by static magnetic fields of the axial stabilization magnet, which in this case acts as a supporting magnet, acting on the upper end of the rotor. In the horizontal direction, the specified central position of the rotor axis and the damping of pendulum, precession and nutation movements, ie oscillating movements, of the rotor are achieved by the magnetic fields of radially directed electromagnets of the radial stabilization devices acting in the horizontal direction at both rotor ends. These radial stabilization devices are controlled by non-contact sensors, which measure the radial rotor deviations in the manner described above and take care of resetting and damping. The main patent mentions inductive, capacitive or photoelectric displacement sensors as non-contact sensors. The axial stabilization magnets work together with a discontinuity in the ferromagnetic material of the rotor, for example a shoulder or an end face, and advantageously generate a homogeneous supporting magnetic field across the air gap between the axial stabilization magnet and the rotor. Permanent magnets, which can be designed, for example, as permanent magnet rings surrounding the rotor or as bar magnets protruding into rotor parts, are particularly advantageous. Das Hauptpatent schafft entsprechend seiner Aufgabenstellung eine magnetische Lagerung mit geringem Energiebedarf für den Betrieb der Lagerung und mit geringem Widerstand gegen Drehung des Rotors selbst bei hohen Drehzahlen. Dazu trägt die oben beschriebene Homogenität des Tragmagnetfeldes wesentlich bei. Die Elektromagnete der Radialstabilisierungseinrichtung sind bei der Ausführungsform des Hauptpatentes als Magnetspulen mit ferromagnetischen Kernen dargestellt. Wenn der Rotor Auslenkungen unterworfen ist, erzeugen die Elektromagnete in Abhängigkeit von den Fühlersignalen Magnetfelder, die über den Luftspaltumfang zwischen Rotor und Stator ungleich groß sind, um den Rotor wieder in seine vorgegebene Lage zurückzustellen und die Schwingungen zu dämpfen. Jede Magnetfeldänderung über den Luftspaltumfang erzeugt jedoch bei Drehung des Rotors Wirbelstrom- und Hystereseverluste, die den Rotor bremsen (»magnetisches Lagerreibung«) und ihn erwärmen. Dies ist besonders stark der Fall, wenn, wie bei dem Ausführungsbeispiel des Hauptpatentes, die Magnetfelder sich über den Luftspaltumfang sehr abrupt ändern. Dem wird zwar nach dem Hauptpatent durch Ausbildung der entsprechenden Rotorteile aus voneinander isolierten wirbelstrom- und hystereseverlustarmen übereinandergeschichteten Blechringen (Transformatorenblechen) entgegengewirkt, jedoch wäre es vorteilhaft, wenn man auch bei hohen AnforderungenThe main patent creates a magnetic storage with little in accordance with its task Energy requirement for the operation of the bearing and with little resistance to rotation of the rotor itself at high speeds. The above-described homogeneity of the supporting magnetic field contributes significantly to this. The electromagnets of the radial stabilization device are in the embodiment of the main patent shown as magnetic coils with ferromagnetic cores. When the rotor is subjected to deflections is, the electromagnets generate magnetic fields over the circumference of the air gap, depending on the sensor signals between the rotor and stator are unequal in size to bring the rotor back into its predetermined position reset and dampen the vibrations. Any change in the magnetic field across the circumference of the air gap however, when the rotor rotates, it generates eddy current and hysteresis losses that brake the rotor (»magnetic Bearing friction «) and heat it up. This is particularly the case when, as with that Embodiment of the main patent, the magnetic fields change very abruptly over the circumference of the air gap. This is true according to the main patent by training the corresponding rotor parts from each other insulated sheet metal rings stacked on top of one another with low eddy currents and low hysteresis loss (transformer sheets) counteracted, however, it would be advantageous if one were able to meet high demands
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