DE19715356A1

DE19715356A1 - Vorrichtung zur Lagerung von schnelldrehenden Rotoren

Info

Publication number: DE19715356A1
Application number: DE1997115356
Authority: DE
Inventors: Frank Dr Taeubner; Johannes Pytlik
Original assignee: Wtz Motoren & Maschforsch GmbH
Current assignee: Wtz Motoren & Maschforsch GmbH
Priority date: 1997-04-12
Filing date: 1997-04-12
Publication date: 1998-10-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung von schnell drehenden Rotoren mit vertikaler Achse unter Verwendung von Dauermagneten. Die Vorrichtung zur Lagerung findet Anwendung bei Schwungrädern, Zentrifugen, rotierenden Kreiseln und Motoren, bei denen hohe Drehzahlen erreicht und die Reibung des Lagers stark reduziert werden soll.

Es wurde bekannt, daß eine stabile Lagerung eines frei schweben den Körpers nur durch Kräfte zwischen Permanentmagneten nicht möglich ist (Thoerem von Braunbek Z. Physik (112) S. 753, 1939).

Für einen Rotor bedeutet das, daß ein axial stabiles Lager aus Permanentmagneten den Rotor radial destabilisiert oder eine radiale stabile Magnetlagerung den Rotor axial destabilisiert. Diese Zusammenhänge der Steifigkeiten von Lagern aus Permanent magneten sind sowohl theoretisch als auch experimentell belegt. Es wurde nachgewiesen, daß auch durch die Kombination mehrerer Lager keine Stabilität erreicht werden kann (Yonnet, J.-P.: IEEE Trans. Magn., Vo. MAG 17 No 1 p. 1169-1173).

Da jedoch für viele Anwendungsfälle mit hohen Anforderungen normale mechanische Kugellager versagen, wurden Lösungen für eine frei schwebende Lagerung durch die Verwendung von aktiv geregelten Magnetlagern (Schweizer, G.; Traxler, A.; Bleuler, H. Magnetlager, Springer-Verlag) oder von mindestens einem diamagnetischen Element zum Beispiel in Form eines Supraleiters gemeinsam mit passiven Magnetlagern geschaffen (Bornemann, H. J. u. a.: Konferenz-Einzelberichte Supra leitung und Tieftemperaturtechnik 1994, Düsseldorf, VDI-Verlag S. 315-326).

Aktive Magnetlager sind technisch anspruchsvolle Bauteile mit einer elektronischen Steuerung, die außerdem im Betrieb zusätz liche Energie benötigen. In den Anwendungsfällen, in denen es auf eine möglichst verlustarme Lagerung ankommt, wie zum Beispiel für Schwungradenergiespeicher oder Drallräder in Satelliten, sind aktive Magnetlager daher sehr schlecht geeignet.

Passive Magnetlager mit Supraleitern kommen ohne diese Regelung aus. Jedoch haben sie den Nachteil, daß der Supraleiter ständig auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehalten werden muß. Das ist nur bei größeren stationären Anlagen mit einem ständigen Service einfach möglich. Weiterhin haben solche Anord nungen den Nachteil hoher Kosten, da bereits für ein relativ geringes Rotorgewicht die Aufwendungen für das supraleitende Material beträchtlich sind (Tsuchimoto, M.: Honma, T.: IEEE Transaktions on Applied Superconductivity Band 4 (1994) Heft 4, S. 211-215).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur stabilen Lagerung von schnelldrehenden Rotoren vorzuschlagen, die einfach und kostengünstig hergestellt und unterhalten werden kann und die trotz hoher Drehzahlen nur geringe Reibungsverluste aufweist.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Lagerung von schnell drehenden Rotoren mit einer vertikalen Achse vorgeschlagen, die aus einem Axiallager, einem Radiallager und einem Hilfslager besteht. Das Axiallager besteht aus zwei sich in axialer Richtung abstoßenden Ringen aus Dauermagneten, wobei die als axiale Stei figkeit SA bezeichnete Komponente der Kraft auf den Rotor in axialer Richtung nach der axialen Verschiebung aufweist. Das Radiallager besteht aus zwei sich in radial er Richtung abstoßen den konzentrischen Ringen aus Dauermagneten, das eine axiale Steifigkeit SR aufweist, wobei der Betrag von SR kleiner als der Betrag von SA ist. Das Hilfslager ist so angeordnet, daß nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl so abgeschaltet wird, daß der Rotor vom Hilfslager getrennt wird und sich berührungslos bewegt.

Die vorteilhafte Ausgestaltung wird in den Unteransprüchen näher beschrieben.

Sinnvollerweise ist das Hilfslager in Höhe des Axiallagers ange ordnet, um seine radiale Instabilität zu kompensieren.

Das Hilfslager ist entsprechend des 2. Anspruchs als mechanisches Lager ausgeformt, das mechanisch vom Rotor getrennt werden kann. Sobald die Drehzahl einen bestimmten Wert überschreitet, kann das Hilfslager in der Fig. 1 durch Absenken entfernt werden, wobei der Rotor durch sein gyroskopisches Moment weiterhin in seiner stabilen Mittelposition verbleibt. Das Eintreten dieses überraschenden Effektes erfolgt bei kleineren Drehzahlen, wenn der gegenseitige Abstand der Lager und ihr Abstand vom Schwer punkt des Rotors möglichst gering gewählt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung entsteht durch die Verwendung eines Gasdruck- oder Luftdrucklagers als Hilfslager. Hierbei erfolgt ein Abschalten nach Erreichen des stabilen Drehzahlbereiches einfach durch die Wegnahme des Gas druckes. Vorteilhafterweise sind keine beweglichen mechanischen Teile erforderlich.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung entsteht durch die Verwendung eines aktiv geregelten Magnetlagers als Hilfslager. Hierbei erfolgt ein Abschalten nach Erreichen des stabilen Drehzahlbereiches elektronisch. Vorteilhafterweise kann diese Anordnung bei allen Drehzahlen im Vakuum betrieben werden, ohne daß bewegliche mechanische Teile erforderlich sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung entsteht durch die Zusammenfassung von Radiallager und Axiallager zu einer Anordnung aus drei Ringen aus Permanentmagneten entspre chend dem 5. Anspruch. Eine schematische Darstellung einer sol chen Anordnung ist in Fig. 2 gegeben. Hierbei läßt sich ein besonders kompakter Aufbau des Lagers erreichen.

Entsprechend Anspruch 6 lassen sich die Anordnungen in gleicher Weise realisieren, wenn die Permanentmagneten des Axiallagers und/oder der innere Ring des Radiallagers durch Scheiben aus Permanentmagnetmaterial ersetzt werden. Das hat zur Folge, daß der Außenradius der Magnete reduziert werden kann, wodurch höhere Drehzahlen ohne Reduzierung des Gewichtes des Rotors erreicht werden können.

Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung sind:

- Die Magnetlageranordnung reduziert die Reibungsverluste bei der Rotation auf einen sehr kleinen Wert, da kein me chanischer Kontakt zwischen Rotor und Lager erforderlich ist und auch die Wirbelstromverluste durch sich verändernde magnetische Flüsse äußerst gering gehalten werden können.
- Es lassen sich sehr hohe Drehzahlen erreichen, ohne daß die Anforderungen an die Auswuchtgüte des Rotors steigt, da der überkritische Drehzahlbereich genutzt wird.
- Die Kosten für das Lager sind gering, da nur drei oder vier Ringe aus Permanentmagneten und ein Hilfslager erforderlich sind.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

Dabei zeigen

Fig. 1 Schema eines Magnetlagers entsprechend Anspruch 1

Fig. 2 Schema eines Magnetlagers entsprechend Anspruch 1 u. 5

Fig. 3 Schnittzeichnung des ersten Ausführungsbeispiels

Fig. 6 Schaltung des mechanischen Hilfslagers durch hydrau lischen Druck

Fig. 7 Schaltung des mechanischen Hilfslagers durch einen Elektromagneten

Fig. 8 Verwendung eines Luftlagers als Hilfslager

Fig. 9 Verwendung eines elektromagnetischen Lagers als Hilfslager

Fig. 10 Schnittzeichnung des zweiten Ausführungsbeispiels

Fig. 11 Schnittzeichnung des dritten Ausführungsbeispiels.

Für die Permanentmagnete sind Seltenerd-Magnetmaterialien mit einer Remanenzflußdichte von annähernd 1 Tesla geeignet. Es bietet sich an, axial magnetisierte Ringe zu verwenden, da diese eine bessere Gleichmäßigkeit der Magnetisierung im Vergleich zu radial magnetisierten Ringen erreichen.

Erstes Beispiel

Das erste Ausführungsbeispiel ist entsprechend den Ansprüchen 1 und 2 gestaltet. In der Fig. 3 ist eine Schnittzeichnung des Ausführungsbeispiels enthalten. Das Magnetlager wurde für die Aufnahme eines Schwungrades 21 mit einem Elektromotor 22 ausgelegt. Um einen Schutz des Elektromotors vor Beschädi gung im Fall eines unkontrollierten Abbremsens des Rotors 5 zu gewährleisten, wurden zwei mechanische Notlauflager 23 und 24 unmittelbar an beiden Seiten des Läufers angebracht. Diese erwiesen sich ebenfalls als hilfreich bei der Justierung der Lager während des Zusammenbaus des Systems.

Die charakteristischen Größen des Rotors 5 und der Lager sind im folgenden angeführt:

Rotor
Masse: 4,996 kg

Trägheitsmomente
polar: 0,0795 kg m²
tangential: 0,0601 kg m²

Überraschend wurde gefunden, daß bei Drehzahlen von größer als 6500 Umdrehungen pro Minute der Rotor 5 eine stabile Lage ein nimmt. Das Hilfslager 6 in der Schnittzeichnung Fig. 3 kann durch geeignete Mechanismen an den Rotor 5 geführt werden.

Möglich ist eine Realisierung durch die Nutzung von hydraulischem Öldruck 7, wie Fig. 6 darstellt.

In Fig. 7 ist eine Schaltung des Hilfslagers 6 durch einen Elek tromagneten 8, der mit einer Feder 9 vorgespannt wird, als weitere Möglichkeit ausgeführt. Sobald der Bereich der stabilen Rotation erreicht ist, kann der Elektromagnet 8 abgeschaltet werden und die Feder 9 bewirkt ein Freigeben des Rotors 5. In beiden Fällen dreht sich das mechanische Kugellager auch nach dem Abschalten des Hilfslagers 6 mit dem Rotor 5 mit.

In Fig. 8 und Fig. 9 sind zwei weitere Möglichkeiten für die Ausgestaltung des Hilfslagers 6 durch die Nutzung eines Luftla gers 10 entsprechend Anspruch 3 oder ein elektromagnetisches Lager bestehend aus vier Elektromagneten 8, mindestens zwei Sensoren 11 und einer elektronischen Regelung 12 entsprechend Anspruch 4 dargestellt.

Eine weitere einfache Möglichkeit der Ausgestaltung des Hilfsla gers 6 besteht darin, durch einen Elektromagneten den Rotor 5 in axialer Richtung zu verschieben, so daß bei eingeschaltetem Stromfluß durch den Magneten ein mechanischer Kontakt des Rotors 5 mit dem fest angeordneten Hilfslager 6 gegeben ist. Sobald die stabile Drehzahl erreicht ist, wird der Stromfluß abgeschal tet und damit bewegt sich der Rotor 5 in axialer Richtung und wird frei gegeben.

Zweites Ausführungsbeispiel

Im zweiten Ausführungsbeispiel wurde eine vereinfachte Anordnung geschaffen, die bereits bei niedrigen Drehzahlen stabil rotiert. Dazu wurden, wie in Fig. 10 dargestellt, das Axial- und Radialla ger möglichst nahe an den Schwerpunkt des Rotors gebracht. Außer dem wurde das Lager nur aus drei Magnetringen 1, 2, 4 aufge baut. Die verwendeten Ringe entsprechen denen aus dem ersten Ausführungsbeispiel. Dadurch wurde erreicht, daß der Übergang zur stabilen Rotation bereits ab 500 Umdrehungen pro Minute erfolgt.

Daher kann das mechanische Hilfslager 6 ebenfalls vereinfacht werden. Es besteht nur aus einer Buchse und einem Wellenbereich mit guten Gleiteigenschaften 13. Nach dem Erreichen des stabi len Bereichs zentriert sich der Kreisel selbst und dadurch gibt das Hilfslager 6 den Rotor 5 frei. Dabei wird das Spiel zwischen Welle und Buchse so groß gewählt, daß im stabilen Drehzahlbereich keine Reibung zwischen Buchse und Welle auftritt.

In diesem Fall kann auf eine Schaltung von außen verzichtet werden.

Drittes Ausführungsbeispiel

Hier wurde entsprechend den Ansprüchen 1 und 7 für ein Schwung radspeichersystem mit einem im Vergleich zum ersten Ausführungs beispiel schwereren Rotor 5 ein System von vier Magnetringen als Axial- und Radiallager angeordnet. Um die Tragkraft des Axiallagers weiter zu erhöhen, wurde außerdem jeder Ring in eine Halbschale aus Eisen 14 eingebettet. Dadurch läßt sich die Steifigkeit des Lagers etwa verdoppeln. Auf Grund der somit höheren Steifigkeit des Axiallagers konnte auch die Steifigkeit des Radiallagers durch die Verwendung von vier Magnetringen erhöht werden. In der Fig. 11 ist eine Schnittzeichnung des Ausführungsbeispiels dargestellt.

Claims

1. Vorrichtung zur Lagerung von schnelldrehenden Rotoren mit verti kaler Achse unter Verwendung von Dauermagneten, dadurch gekenn zeichnet, daß ein aus zwei sich in axialer Richtung abstoßenden Ringen aus Dauermagneten bestehendes Axiallager (1, 2) angeordnet ist, das die als axiale Steifigkeit SA bezeichnete Komponente der Kraft auf den Rotor (5) in axialer Richtung nach der axialen Verschiebung aufweist, daß ein aus zwei sich in radialer Richtung abstoßenden, konzentrischen Ringen aus Dauermagneten bestehendem Radiallager (3, 4) angeordnet ist, das eine axiale Steifigkeit SR aufweist, wobei der Betrag von SR kleiner als der Betrag von SA ist und daß ein Hilfslager (6) angeordnet ist, das nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl so abgeschaltet wird, daß der Rotor (5) vom Hilfslager (6) getrennt wird und sich berüh rungslos bewegt.

2. Vorrichtung zur Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfslager (6) als mechanisches Lager ausgebildet wird, das beim Abschalten mechanisch vom Rotor (5) getrennt wird.

3. Vorrichtung zur Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfslager (6) als Gasdrucklager ausgebildet wird, das beim Abschalten durch Wegnahme des Gasdrucks vom Rotor (5) ge trennt wird.

4. Vorrichtung zur Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfslager (6) als elektromagnetisches Lager ausgebildet wird.

5. Vorrichtung zur Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Axiallager (12) und das Radiallager (3,4) so aufgebaut werden, daß beide nur aus insgesamt drei Permanentmagnetringen bestehen.

6. Vorrichtung zur Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Permanentmagnetringe des Axiallagers (12) und/oder an Stelle des inneren Permanentmagnetringes des Radial lagers (3, 4) Permanentmagnetscheiben angeordnet werden.

7. Vorrichtung zur Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der zwei Permanentmagnetringe des Axiallagers (12) und/oder an Stelle der zwei Permanentmagnetringe des Radial lagers (3, 4) Systeme aus mehr als zwei Permanentmagnetringen oder -scheiben angeordnet werden.