DE19937579A1 - Auxiliary bearing for magnetically suspended rotor comprises ring of magnetostrictive material or shape memory material surrounding rotor with gap between - Google Patents

Auxiliary bearing for magnetically suspended rotor comprises ring of magnetostrictive material or shape memory material surrounding rotor with gap between

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    • F16C32/044—Active magnetic bearings
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Abstract

The auxiliary bearing for a magnetically suspended rotor (4) comprises a ring (2) of magnetostrictive material or shape memory material. This surrounds the rotor with a gap DELTA x. Its inner surface (3) is coated with a lubricant and its outer surface with graphite.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft ein Hilfslager für einen magnetisch gelagerten Rotor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an auxiliary bearing for a magnetically mounted rotor according to the preamble of claim 1.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Magnetische Rotorlagerungen sind allgemein und zahlreich bekannt. Sie erlauben die Aufhängung eines Rotors in einem Stator ohne direkten Kontakt, somit sind keine Schmiermittel notwendig und die Reibungsverluste des Rotors sind sehr gering. Solche magnetischen Rotorlagerungen bestehen aus einem Elektromagneten, einem Rotor und einem Sensor, welcher die Position des Rotors kontrolliert und welcher über einen Kontroller die notwendige Spannung des Elektromagneten reguliert. Zusätzlich zur magnetischen Lagerung wird der Rotor mit einem Hilfslager versehen, welches Schäden am Rotor und am Stator im Falle eines Stromausfalls verhindern soll. Die Patentschriften US 4 982 126 und US 4 629 261 offenbaren derartige Hilfslager.Magnetic rotor bearings are generally and widely known. You allow the suspension of a rotor in a stator without direct contact, so there are none Lubricants are required and the friction losses of the rotor are very low. Such magnetic rotor bearings consist of an electromagnet, a rotor and a sensor which controls the position of the rotor and which uses a controller to supply the necessary voltage to the electromagnet regulated. In addition to the magnetic bearing, the rotor is equipped with an auxiliary bearing provide damage to the rotor and stator in the event of a power failure  should prevent. U.S. 4,982,126 and U.S. 4,629,261 disclose such auxiliary camps.

Die Patentschrift US 4 982 126 beschreibt ein Hilfslager, welches in Form von Ringen an einem Stator um einen Rotor angebracht ist. Diese Ringe weisen entweder radiale oder axiale Zwischenräume auf. Zwischen den Ringen des Stators und dem Rotor existiert ebenfalls ein kleiner Zwischenraum. Im Falle eines Stromausfalls oder einer unerwünschten Temperaturerhöhung des Rotors werden mit Hilfe eines Kontrollmechanismuses die Zwischenräume mit einem Fluid durchströmt. Das Fluid dient als Kühl- oder Schmiermittel und fängt den Rotor im Falle einer elektrischen Stromunterbrechung ab, ohne dass die Bewegung des Rotors signifikant gestört wird und ohne dass es zu einer Beschädigung kommt. Weiter ist das beschriebene Hilfslager mit einem Mittel versehen, um das Fluid abzuziehen und wiederzuverwerten. Ein Nachteil dieses Hilfslagers ist, dass die Aktivierung desselben nur mit sekundären elektromechanischen Kontrollmechanismen, die auf einen Magnetfeldverlust reagieren, möglich ist.The patent US 4 982 126 describes an auxiliary bearing, which in the form of Rings are attached to a stator around a rotor. These rings point either radial or axial gaps. Between the rings of the stator and the rotor also has a small gap. in case of a Power failure or an undesirable increase in temperature of the rotor with the help of a control mechanism the gaps with a fluid flows through. The fluid serves as a coolant or lubricant and traps the rotor in the In the event of an electrical power interruption, the movement of the Rotor is significantly disturbed and without causing damage. Furthermore, the auxiliary bearing described is provided with a means for the fluid deduct and recycle. A disadvantage of this auxiliary camp is that the Activation of the same only with secondary electromechanical Control mechanisms that react to a loss of magnetic field are possible.

Auch aus der Patentschrift US 4 629 261 ist ein Hilfslager für einen Rotor, welcher kontaktlos mit einem Elektromagneten gelagert ist, offenbart. Dieses Hilfslager besteht aus einer Buchse, welche um das Ende eines Rotors angeordnet ist und welche ein kegelförmiges Ende aufweist. Das Ende der Buchse ist entsprechend dem Ende des Rotors kegelförmig ausgebildet. Die Buchse ist axial verschiebbar. Ein Elektromagnet, welcher mit der Spannungsquelle des Elektromagneten der magnetischen Lagerung verbunden ist, ist ringförmig an der Buchse befestigt. Er hält die Buchse, entgegen der Spannung einer Feder, von dem konischen Ende des Rotors ab und es entsteht ein Zwischenraum zwischen den beiden konischen Enden. Sobald die Stromversorgung der magnetischen Lagerung unterbrochen ist, wird auch der Elektromagnet des Hilfslagers deaktiviert. Die vorgespannte Feder verschiebt dann die Buchse gegen das konische Ende des Rotors und der Zwischenraum verschwindet. Der Rotor wird auf diese Weise aufgefangen und es können keine Schäden am Rotor oder am Stator entstehen. Sobald die Spannungsversorgung wieder hergestellt ist, funktioniert die magnetische Lagerung des Rotors wieder. Auch der Elektromagnet des Hilfslagers wird wieder aktiviert und die Buchse wird durch den Elektromagneten vom konischen Ende des Rotors - wieder gegen die Spannung der Feder - weggezogen und die Hilfslagerung wird aufgehoben. In einer zweiten Ausführungsform dieses Hilfslagers ist der Elektromagnet durch ein hydraulisches oder pneumatisches Mittel ersetzt und dieses Mittel ist über ein Ventil mit der Stromversorgung des Elektromagneten der Rotorlagerung verbunden. Auf diese Weise kann es bei einer Stromunterbrechung eine Aktivierung des Hilfslagers bewirken. Die Anordnung der Buchse und der vorgespannten Feder bleibt gleich.From US Pat. No. 4,629,261 there is also an auxiliary bearing for a rotor, which is mounted contactless with an electromagnet, disclosed. This auxiliary camp consists of a bush which is arranged around the end of a rotor and which has a conical end. The end of the socket is corresponding the end of the rotor is conical. The bushing is axially displaceable. An electromagnet which is connected to the voltage source of the electromagnet magnetic bearing is connected, is attached in a ring to the socket. It stops the socket, against the tension of a spring, from the conical end of the Rotors off and there is a space between the two conical End up. As soon as the power supply to the magnetic storage is interrupted, the auxiliary bearing electromagnet is also deactivated. The preloaded spring then shifts the bushing against the conical end of the rotor and the The gap disappears. The rotor is caught this way and it there can be no damage to the rotor or the stator. As soon as the  When the power supply is restored, the magnetic bearing works of the rotor again. The electromagnet of the auxiliary bearing is also reactivated and the socket is held by the electromagnet from the conical end of the rotor - again against the tension of the spring - pulled away and the auxiliary bearing is canceled. In a second embodiment of this auxiliary bearing Electromagnet replaced by a hydraulic or pneumatic means and this Medium is via a valve with the power supply to the electromagnet Rotor bearing connected. In this way, there may be a power outage activate the auxiliary camp. The arrangement of the socket and the preloaded spring remains the same.

Der Nachteil des in der Patentschrift US 4 629 261 beschriebenen Hilfslagers ist ebenfalls darin zu sehen, dass die notfallmässige, mechanische Hilfslagerung des Rotors durch das Hilfslager nur durch sekundäre Vorrichtungen aktiviert werden kann.The disadvantage of the auxiliary bearing described in US Pat. No. 4,629,261 is can also be seen in the fact that the emergency mechanical auxiliary storage of the Rotor can be activated by the auxiliary camp only by secondary devices can.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist Ziel der Erfindung, eine Hilfslagerung zu konstruieren, welche diesen Nachteil überwindet. Es soll ein einfaches und kostengünstiges Hilfslager für einen mit einem Elektromagneten gelagerten Rotor geschaffen werden, welches im normalen Betrieb der Rotors einen Zwischenraum zwischen Rotor und Hilfslagerungsring aufweist. Dieses Hilfslager soll aber weiterhin ausreichend Sicherheit gewähren für den Fall, dass es zu einem Ausfall der elektromagnetischen Lagerung zum Beispiel durch eine Unterbrechung der Stromversorgung kommt. Der Rotor darf in diesem Fall nicht beschädigt werden. Er muss zuverlässig durch das Hilfslager abgefangen werden, d. h. es ist notwendig, dass das Hilfslager den Rotor radial ganz umfasst. Bei erneuter Aktivierung des Elektromagneten soll sich das Hilfslager in die Ruheposition zurückziehen, in dieser Position wieder einen gleich grossen Zwischenraum wie zwischen magnetischem Lager und Rotor lassen und erst wieder bei einer nächsten Störung eingreifen. The aim of the invention is to construct an auxiliary bearing which has this disadvantage overcomes. It is supposed to be a simple and inexpensive auxiliary camp for one with one Electromagnet mounted rotor can be created, which in normal operation the rotor has a space between the rotor and the auxiliary bearing ring. However, this auxiliary camp should continue to provide sufficient security in the event that it is due to a failure of electromagnetic storage for example there is an interruption in the power supply. In this case, the rotor must not to be damaged. It must be reliably intercepted by the auxiliary camp, d. H. it is necessary that the auxiliary bearing completely surrounds the rotor radially. At Reactivation of the electromagnet should move the auxiliary bearing to the rest position pull back, in this position again a space of the same size as between the magnetic bearing and the rotor and only again at the next one Intervene.  

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe bei einem Hilfslager für einen magnetisch aufgehängten Rotor, welcher mit einem Zwischenraum vom Rotor getrennt ist, dadurch gelöst, dass das Hilfslager aus mindestens einem Hilfslagerungsring aus einem magnetostriktiven Material oder einer magnetischen Formgedächnis Legierung besteht, der den Rotor vollständig umgibt. Der sich zusammenziehende Ring verhindert das Herunterfallen des Rotors und ermöglicht durch die selbstschmierenden Eigenschaften der Innenseite des Hilfslagerungsringes den störungsfreien Weiterlauf des Rotors.According to the invention, the task of an auxiliary bearing for a magnetic suspended rotor, which is separated from the rotor with a gap, solved in that the auxiliary bearing from at least one auxiliary bearing ring a magnetostrictive material or a magnetic shape memory Alloy exists that completely surrounds the rotor. The contracting Ring prevents the rotor from falling and allows through the self-lubricating properties of the inside of the auxiliary bearing ring trouble-free rotation of the rotor.

Ein Vorteil der Erfindung ist die simple Anordnung, die keinen zusätzlichen Sensor benötigt. Das autonome System ermöglicht im weiteren das schonende und zuverlässige Auffangen des Rotors, was den Verschleiss beträchtlich verringert und dadurch die Lebenserwartung erhöht. Dies führt zu einer deutlichen Kostenreduktion des Systems im Vergleich zu früheren, ähnlichen Systemen.An advantage of the invention is the simple arrangement, which has no additional sensor needed. The autonomous system also enables gentle and reliable catching of the rotor, which considerably reduces wear and tear thereby increasing life expectancy. This leads to a significant cost reduction of the system compared to previous, similar systems.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Hilfslagers mit dem Hilfslagerungsring im ausgedehnten Zustand bei aktivem Elektromagneten und Fig. 1 shows a section through an embodiment of an auxiliary bearing according to the invention with the auxiliary bearing ring in the expanded state with an active electromagnet and

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Hilfslagers mit dem Hilfslagerungsring im zusammengezogenen Zustand bei deaktiviertem Elektromagneten. Fig. 2 shows a section through an embodiment of an auxiliary bearing according to the invention with the auxiliary bearing ring in the contracted state with the electromagnet deactivated.

Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Only the elements essential to the invention are shown.  

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAY OF CARRYING OUT THE INVENTION

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Hilfslagerung 5. Ein Elektromagnet 1 erzeugt ein elektromagnetisches Feld und hält dadurch einen Rotor 4 mit einem Aussenradius R1 praktisch reibungsfrei in einer vorgegebenen Position. Um den Rotor ist ein Hilfslagerungsring 2 angeordnet, welcher beispielsweise aus einem magnetostriktiven Material oder einer magnetischen Formgedächnis-Legierung bestehen kann. Das magnetostricitve Material wie auch die magnetische Formgedächnis-Legierung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ursprungsgrösse des Materials durch elektromagnetische Einflüsse verändert werden kann, d. h. dass der Hilfslagerungsring 2 seinen Durchmesser bei wegfallendem Magnetfeld verringert. Bei aktivem Magnetfeld befindet sich der Hilfslagerungsring 2 in einem erweiterten Zustand mit einem Radius R2, so dass ein Zwischenraum Δx zwischen dem Rotor 4 und Hilfslagerungsring 2 existiert. Der Rotor 4 ist üblicherweise aus einer magnetischen Metalllegierung hergestellt. Zur Verbesserung der Funktionalität ist eine reibungshemmende, selbstschmierende Innenschicht 3 an der Innenseite des Hilfslagerungsringes 2 angebracht. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Graphitschicht handeln. Fig. 1 shows a schematic section through an embodiment of an inventive auxiliary storage 5. An electromagnet 1 generates an electromagnetic field and thereby holds a rotor 4 with an outer radius R 1 practically frictionless in a predetermined position. An auxiliary bearing ring 2 is arranged around the rotor, which can consist, for example, of a magnetostrictive material or a magnetic shape memory alloy. The magnetostricitve material as well as the magnetic shape memory alloy is characterized by the fact that the original size of the material can be changed by electromagnetic influences, ie that the auxiliary bearing ring 2 reduces its diameter when the magnetic field disappears. When the magnetic field is active, the auxiliary bearing ring 2 is in an expanded state with a radius R 2 , so that there is a space Δx between the rotor 4 and the auxiliary bearing ring 2 . The rotor 4 is usually made of a magnetic metal alloy. To improve the functionality, a friction-inhibiting, self-lubricating inner layer 3 is attached to the inside of the auxiliary bearing ring 2 . This can be a graphite layer, for example.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das gleiche Ausführungsbeispiel wie in Fig. 1 mit durch unvorhergesehene Umstände deaktiviertem Elektromagneten 1. Durch die Deaktivierung hat sich der Hilfslagerungsring 2 zusammengezogen. In diesem Zustand entspricht der Innenradius R2b des Hilfslagerungsringes 2 dem Aussenradius R1 des Rotors 4, so dass sich Hilfslagerungsring 2 und Rotor 4 berühren. Das fehlende elektromagnetische Feld führt bei dem aus magnetostriktiven Material hergestellten Hilfslagerungsring 2 zu einer beinahe verzögerungsfreien Kontraktion, so dass der Rotor 4 durch die Kontraktion des Hilfslagerungsringes 2 am Verlassen seiner ursprünglichen Position gehindert wird und durch die entstehende mechanische Lagerung zwischen dem Rotor 4 und der selbstschmierenden Innenschicht 3 des Hilfslagerungsrings 2, störungsfrei weiterlaufen kann. Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 ist der Hilfslagerungsring 2 an einem nicht dargestellten Gehäuse aufgehängt oder auf andere Art und Weise an dem Gehäuse befestigt. FIG. 2 shows a section through the same exemplary embodiment as in FIG. 1 with the electromagnet 1 deactivated due to unforeseen circumstances. The auxiliary bearing ring 2 has contracted due to the deactivation. In this state, the inner radius R 2b of the auxiliary bearing ring 2 corresponds to the outer radius R 1 of the rotor 4 , so that the auxiliary bearing ring 2 and the rotor 4 touch. The lack of an electromagnetic field in the auxiliary bearing ring 2 made of magnetostrictive material leads to an almost instantaneous contraction, so that the rotor 4 is prevented from leaving its original position by the contraction of the auxiliary bearing ring 2 and by the resulting mechanical bearing between the rotor 4 and the self-lubricating one Inner layer 3 of the auxiliary bearing ring 2 can continue to run without problems. Both in Fig. 1 and in FIG. 2, the auxiliary support ring 2 is suspended from a not shown housing or otherwise secured manner on the housing.

Beispielhaft kann angeführt werden, dass ein Rotor 4 eine vertikale Distanz Δx von 0.2 mm in 6 ms zurücklegt, ein Hilfslagerungsring 2 mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Kontraktion von 0.2% in einem 1.0 T Magnetfeld, hingegen nur 0.8 ms braucht, um sich soweit zusammenzuziehen, dass der Hilfslagerungsring 2 einen Innenradius R2b aufweist, der dem Aussenradius R1 des Rotors 4 entspricht, und sich Rotor 4 und Hilfslagerungsring 2 berühren. Die obengenannten Ziele der Prävention des Verlassens der Ursprungsposition von Rotor 4 und das störungsfreie Weiterlaufen desselben werden dadurch erreicht.As an example, it can be stated that a rotor 4 covers a vertical distance Δx of 0.2 mm in 6 ms, an auxiliary bearing ring 2 with a diameter of 200 mm and a contraction of 0.2% in a 1.0 T magnetic field, on the other hand, only needs 0.8 ms so far that the auxiliary bearing ring 2 has an inner radius R 2b , which corresponds to the outer radius R 1 of the rotor 4 , and the rotor 4 and the auxiliary bearing ring 2 touch. The above-mentioned goals of preventing the rotor 4 from leaving the original position and continuing to run smoothly are thereby achieved.

Ein Vorteil der Erfindung ist die simple Anordnung, die keinen zusätzlichen Sensor benötigt. Das autonome System ermöglicht im weiteren das schonende und zuverlässige Auffangen des Rotors, was den Verschleiss beträchtlich verringert und dadurch die Lebenserwartung erhöht. Dies führt zu einer deutlichen Kostenreduktion des Systems im Vergleich zu früheren, ähnlichen Systemen. An advantage of the invention is the simple arrangement, which has no additional sensor needed. The autonomous system also enables gentle and reliable catching of the rotor, which considerably reduces wear and tear thereby increasing life expectancy. This leads to a significant cost reduction of the system compared to previous, similar systems.  

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SIGN LIST

11

Elektromagnet
Electromagnet

22nd

Hilfslagerungsring
Auxiliary bearing ring

33rd

Selbstschmierende Innenschicht
Self-lubricating inner layer

44th

Rotor
rotor

55

Hilfslagerung
Δx Zwischenraum
R1 Auxiliary storage
Δx space
R 1

Radius des Rotors Radius of the rotor

44th

R2 R 2

Innenradius des Hilfslagerungsringes Inner radius of the auxiliary bearing ring

22nd

im ausgedehnten Zustand
R2b in the expanded state
R 2b

Innenradius des Hilfslagerungsringes Inner radius of the auxiliary bearing ring

22nd

im zusammengezogenen Zustand
in the contracted state

Claims (3)

1. Hilfslager (5) für einen magnetisch aufgehängten Rotor (4), das durch einen Zwischenraum (Δx) vom Rotor (4) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfslager (5) aus mindestens einem Hilfslagerungsring (2) aus einem magnetostriktiven Material oder einer magnetischen Formgedächnis Legierung besteht, der den Rotor (4) vollständig umgibt.1. Auxiliary bearing ( 5 ) for a magnetically suspended rotor ( 4 ) which is separated from the rotor ( 4 ) by a space (Δx), characterized in that the auxiliary bearing ( 5 ) consists of at least one auxiliary bearing ring ( 2 ) made of a magnetostrictive material or a magnetic shape memory alloy, which completely surrounds the rotor ( 4 ). 2. Hilfslagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rotor (4) zugewandte Fläche des Hilfshalterungsringes (2) eine reibungsvermindernde Innenschicht (3) aufweist.2. Auxiliary bearing according to claim 1, characterized in that the rotor ( 4 ) facing surface of the auxiliary mounting ring ( 2 ) has a friction-reducing inner layer ( 3 ). 3. Hilfslagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rotor (4) zugewandte Fläche des Hilfshalterungsringes (2) mit Graphit beschichtet ist.3. Auxiliary bearing according to claim 2, characterized in that the rotor ( 4 ) facing surface of the auxiliary mounting ring ( 2 ) is coated with graphite.
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