DE1967086B2 - Magnetische Lagerung - Google Patents

Description

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-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. 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-Stabilisierungeinrichtung wenigstens zwei berührungslose Fühler aufweist, die Abweichungen 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 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 Schwingbewegungen des Rotors in radialer Richtung dämpft

Nach dem Hauptpatent können sowohl stillstehende als auch schnell umlaufende Rotoren berührungslos magnetisch gelagert werden, und zwar auch gestreckte Rotoren und insbesondere solche mit vertikaler Drehachse. Bei diesen kann der Rotor wie ein oberhalb seines Schwerpunktes gelagerter Körper aufgehängt sein.

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.

Durch die Ausführung nach dem Hauptpatent wird also eine vollständig berührungsfreie Lagerung für den Rotor geschaffen, wobei es besonders vorteilhaft ist, daß der Rotor auch eine gestreckte Form haben kann. Dies ermöglicht gegenüber Lagern, die nur abgeplattete Rotoren lagern können, eine erhebliche Erweiterung des Anwendungsbereiches. Ferner sind die erreichbaren Drehzahlen außerordentlich hoch, weil die »Lagerverluste«, d. h. der Widerstand gegen Drehung, sehr gering ist und alle sonstigen bei hohen Drehzahlen auftretenden Probleme zu lösen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, die magnetische Lagerung nach dem Hauptpatent derart weiterzuentwickeln, daß die Drehzahlen auch bei gestreckten Rotoren sehr hoch gewählt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zusätzlich zu den für die Festlegung der radialen Freiheitsgrade des Rotors notwendigen Querlagern eine magnetische Radial-Stabilisierungseinrichtung in einer von den Rotorenden in Abstand befindlichen horizontalen Ebene angeordnet ist.

Die zusätzliche Radial-Stabilisierungseinrichtung kann besonders bevorzugte zur Unterdrückung von Biegeschwingungen des Rotors ausgebildet und angeordnet sein.

Durch diese Maßnahmen kann die obere Begrenzung '< in der Drehzahl, die bei gestreckten Rotoren normalerweise in der biegekritischen Drehzahl liegt, ausgeschaltet oder zumindest weit hinausgeschoben werden. Die Tatsache, daß durch ein berührungsfreies magnetisches Lager Biegeschwingungen des Rotors unterdrückt κι werden können, erstaunt, wenn man bedenkt, welche Kräfte zur Biegung des Rotors notwendig sind und welche im Vergleich dazu geringen Kräfte von einer magnetischen Radiai-Stabilisierungseinrichtung aufgebracht werden können. Da jedoch die magnetische r> Radial-Stabilisierungseinrichtung stets wirksam ist und eine hohe Ansprechempfindlichkeit und gute Rückstell- und Dämpfungseigenschaften besitzt, die sich den Sehwingungscharakteristika des Rotors genau anpassen, kann die Entstehung von Biegeschwingungen schon im Keim erstickt werden, so daß es zu der gefiirchtetert Aufschaukelung durch Resonanz nicht kommen kann. Es können also gemäß der Erfindung längs des Rotors statt zweier beliebig viele Lager angeordnet sein, wobei diese Lager sowohl als reine Radiallager als auch als r> kombinierte Trag- und Radiallager ausgebildet sein können. Erfindungsgemäß sollen dabei zumindest die mittleren Lager magnetische Radial-Stabilisierungseinrichtungen sein. Man erreicht mit dieser mehr als zweifachen Lagerung einen sicheren Lauf des Rotors bis w zu einer Drehzahl, die bei gegebener Baulänge des Rotors und nur zweifacher Lagerung ohne Bruchgefahr des Rotors aufgrund seiner ersten biegekritischen Drehzahl nicht erzielt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der r> Zeichnung im schematischen Längsschnitt dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

In der Zeichnung ist in einem den Stator bildenden Vakuumkessel 1 ein Rotor 202 koaxial zur Kesselachse angeordnet. Kessel und Rotor sind als rohrförmige -tu Hohlzylinder ausgeführt. Der Kessel 1 besteht aus nicht-magnetischem, der Rotor 202 aus ferromagnetischem Werkstoff. In vertikaler Richtung wird das Rotorgewicht von einem Axialstabilisierungsmagneten bzw. Tragmagneten 8 gehalten, der als ringförmigen 4ί Permanentmagnet ausgebildet ist. Er erzeugt ein statisches, rotationssymmetrisches Magnetfeld mit vertikaler, das Rotorgewicht aufnehmender Komponente und ist beispielsweise axial magnetisiert. Der Axial-Stabilisierungsmagnet erzeugt also ein den Rotor nur in ■>(> axialer Richtung stabilisierendes Magnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung. Die axialen Kräfte des Axial-Stabilisierungsmagneten 8 sowie die Lagerkräfte der Elektromagneten von Radial-Stabilisierungseinrichtungen werden unmittelbar von dem >^r> beispielsweise aus Stahl bestehenden Rotorzylinder 202 aufgenommen. Insgesamt sind in der Zeichnung drei Radial-Stabilisierungseinrichtungen vorgesehen, die je ein (beispielsweise in zwei Radialebenen wirkendes) Steuergerät mit einem Verstärker 12 und einem «> Phasenschieber 13 und Radial-Stabilisierungsmagnete 4, 204 besitzen.

Als berührungslose Wegaufnehmer bzw. Fühler 5,205 sind für jede Stabilisierungseinrichtung Feldplatten vorgesehen, deren elektrischer Widerstand abhängig t» von der die Feldplatten durchsetzenden magnetischen Feldstärke ist. Durch radiale Rotorbewegungen werden Magnetfeldänderungen und damit in den FeldDlatten auch Widerstandsänderungen erzeugt. Die daraus gewinnbaren, lageabhängigen Meßsignale dienen nach Verstärkung und Phasenschiebung in dem Steuergerät (Verstärker 12 und Phasenschieber 13) zur Erzeugung der zur radialen Lagerung des Rotors 202 notwendigen Magnetfelder durch die den Feldplatten zugeordneten Radial-Stabilisierungsmagnete 4,204.

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 Radial-Stabiiisierungsmagnete 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 Richtung dämpft. Bei dem oberen Lager, bei dem der mit dem oberen Rotorende zusammenwirkende Axial-Stabilisierungsmagnet 8 und der Radial-Stabilisierungsmagnet dicht beieinander angeordnet sind, beeinflussen die Magnetfelder des Radial-Stabilisierungsmagneten 4 die radialen Komponenten der Magnetfelder des Axial-Stabilisierungsmagneten 8 in der Weise, daß die Rotorachse in der vorgegebenen, zentrischen Lage gehalten wird und Schwingbewegungen des Rotors gedämpft werden. Es findet also dort eine Vormagnetisierung des Radial-Stabilisierungsmagneten 4 durch das Magnetfeld des Permanentmagneten 8 statt. Die Vormagnetisierung für die als Feldplatten ausgebildeten Fühler 5 (Wegaufnehmer) wird durch das zur Rotorachse radialsymmetrische Magnetfeld des Tragmagneten erzeugt. Überhaupt sind diese Halbleiterbauelemente in solchen horizontalen Ebenen angeordnet, in denen sich die Magnetfeldstärke in Abhängigkeit von der horizontalen Position des Rotors ändert. Es kann sich bei den Fühlern zum Halbleiterbauelemente wie Feldplatten, Magnetdioden, Magnettransistoren, Hallsonden usw. handeln.

Die beiden übrigen Radial-Stabilisierungseinrichtungen 204 entsprechen im wesentlichen dem oberen Lager 4, sind jedoch nicht mit einem Tragmagneten verbunden. Es werden ebenfalls Feldplatten als berührungslose Fühler (Wegaufnehmer) 205 benutzt, die im Spalt zwischen dem ferromagnetischen Rotor 202 und dem Radial-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 im Steuergerät (Verstärker 12 und Phasenschieber 13) entsprechend den radialen Lagern in der Hauptanmeldung.

Das untere Lager ist in der Nähe des unteren Rotorendes angeordnet. Im Mittelbereich des Rotors 204 wird dieser zusätzlich von einem dritten Radiallager gestützt, das in Aufbau und Funktion mit dem unteren Radiallager übereinstimmen kann. Diese dritte Radial-Stabilisierungseinrichtung wird in einer solchen Ebene zwischen den oberen und unteren Lagern 4, 204 angebracht, in der es die Unterdrückung der ersten biegekritischen Drehzahl des lediglich zweifach gelagerten Rotors bewirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. 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 wenigstens eine elektromagnetisch wirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung vorgesehen ist, die ^|(l von einem Steuergerät beaufschlagte Elektromagnete besitzt, die ferromagnetische Teile am Rotor beeinflussende Magnetfelder erzeugen, wobei nach Patent 17 50 602 der Axial-Stabilisierungsmagnet ein den Rotor nur in axialer Richtung stabilisieren- ^|r> des Magnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung besitzt und die dieser destabilisierenden Wirkung entgegenwirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung wenigstens zwei berührungslose Fühler aufweist, die Abweichungen des Rotors von -"> einer radialen Sollposotion 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-Kraftkom- ^M ponente erzeugen, die den durch Kreiselwirkung des Rotors entstehenden Rotorauslenkungen entgegenwirkt und alle Schwingungsbewegungen des Rotors in radialer Richtung dämpft, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den für die ^r> Festlegung der radialen Freiheitsgrade des Rotors (202) notwendigen Querlagern (4,204) eine magnetische Radial-Stabilisierungseinrichtung (204) in einer von den Rotorenden in Abstand befindlichen horizontalen Ebene angeordnet ist. ■»< >

2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Radial-Stabilisierungseinrichtung (204) zur Unterdrückung von Biegeschwingungen des Rotors (202) ausgebildet und angeordnet ist. ·* ^r>