DE202010017611U1 - Electromagnetic thrust bearing - Google Patents
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Abstract
Elektromagnetisches Axiallager für eine Welle nach der Art eines Lorentzkraft-Lagers mit Permanentmagneten und einer diese umgebende Spule, die mit einer Energieversorgung verbunden ist, wobei im Lagerbereich am Umfang der Welle eine Vielzahl einzelner Permanentmagnete nebeneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, – dass die Spule (2) die Permanentmagnete (4) mit einem vorgegebenen Luftspalt fest stehend umgibt, und – dass die Spule (2) und die Permanentmagnete (4) von einem ferromagnetischen Joch (1, 3) umgeben sind.Electromagnetic axial bearing for a shaft in the manner of a Lorentz force bearing with permanent magnets and a coil surrounding them, which is connected to an energy supply, a large number of individual permanent magnets being arranged next to one another in the bearing area on the circumference of the shaft, characterized in that - the coil ( 2) surrounds the permanent magnets (4) in a fixed, fixed air gap, and - that the coil (2) and the permanent magnets (4) are surrounded by a ferromagnetic yoke (1, 3).
Description
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Axiallager für eine Welle nach der Art eines Lorentzkraft-Lagers mit Permanentmagneten und einer diese umgebende Spule, die mit einer Energieversorgung verbunden ist, wobei im Lagerbereich am Umfang der Welle eine Vielzahl einzelner Permanentmagnete nebeneinander angeordnet sind.The invention relates to an electromagnetic thrust bearing for a shaft in the manner of a Lorentz force bearing with permanent magnets and a surrounding coil, which is connected to a power supply, wherein in the storage area at the periphery of the shaft a plurality of individual permanent magnets are arranged side by side.
Elektromagnetische Axiallager für drehbar gelagerte Wellen dienen dazu, die Welle axial zu fixieren bzw. in gewissen Grenzen in axialer Richtung zu positionieren. An der Welle können dann zu tragende Lasten, z. B. Greifeinrichtungen, weitere Lager, o. dgl. befestigt werden, oder Prozesskräfte abgestützt werden.Electromagnetic thrust bearings for rotatably mounted shafts serve to axially fix the shaft or to position it within certain limits in the axial direction. On the shaft then loads to be carried, z. As gripping devices, other bearings, o. The like. Are attached, or process forces are supported.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von praktischen Ausführungsformen solcher elektromagnetischer Lager bekannt geworden. So ist die Welle bei einer Standard-Ausführung an der Lagerstelle mit einer radial hervor stehenden Scheibe ausgestattet, die beidseitig, d. h. am Umfang, durch fest stehende Elektromagnete zwischen diesen schwebend fixiert wird. Zur Ausbildung des benötigten Magnetfeldes mit einer ausreichenden Feldstärke ist jeder Elektromagnet mit einem Joch versehen. Ein Beispiel für ein solches Axiallager geht aus der
Der Nachteil eines solchen Axiallagers ist darin zu sehen, dass es prinzipbedingt instabil ist, einer Positionsregelung zur Kompensation dieser Instabilität bedarf und ständig mit Energie versorgt werden muss. Weitere Nachteile sind, dass die Demontage sich als äußerst schwierig gestaltet und die radial hervor stehende Scheibe aufgrund ihrer maximal zulässigen Festigkeit, die maximale Drehzahl der Welle begrenzt. Allerdings weist ein solches Axiallager bei kleinen Luftspalten, wenige 1/10 mm, eine hohe Tragkraft auf.The disadvantage of such a thrust bearing can be seen in the fact that it is inherently unstable, requires a position control to compensate for this instability and must be constantly supplied with energy. Other disadvantages are that the disassembly is extremely difficult and the radially projecting disc limits the maximum speed of the shaft due to their maximum allowable strength. However, such a thrust bearing with small air gaps, a few 1/10 mm, a high load capacity.
Bei einer Variante eines solchen Axiallagers werden ein Permanentmagnet und ein Elektromagnet in Form eines Hybridlagers miteinander kombiniert. Ein gemeinsames Joch umschließt dabei die radial hervor stehende Scheibe, so dass diese infolge der sich ausbildenden Magnetkräfte axial und radial fixiert wird.In a variant of such a thrust bearing, a permanent magnet and an electromagnet in the form of a hybrid bearing are combined. A common yoke encloses the radially projecting disc, so that it is fixed axially and radially as a result of the forming magnetic forces.
Ein solches Axiallager zeigt die gleichen Vor- und Nachteile wie das vorstehend beschriebene Axiallager.Such a thrust bearing shows the same advantages and disadvantages as the thrust bearing described above.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, in die Welle an deren Umfang Permanentmagnete einzulassen, die von fest stehenden Permanentmagneten umgeben werden. Ein solches Axiallager lässt sich einfach demontieren, jedoch ist es radial instabil, hat ein schlechtes Dämpfungsverhalten und weist eine geringe Drehzahlgrenze sowie Tragkraft auf. Die axiale Stabilität ist jedoch prinzipbedingt auch ohne Elektronik, Positionsregelung und Energiezufuhr gegeben.In principle, it is also possible to engage in the shaft at its periphery permanent magnets, which are surrounded by stationary permanent magnets. Such a thrust bearing can be easily disassembled, but it is radially unstable, has a poor damping behavior and has a low speed limit and carrying capacity. However, the axial stability is inherently given even without electronics, position control and power supply.
Aus der
Schließlich sind auch so genante Lorentzkraft-Lager bekannt, mit denen jedoch nur eine geringe bis mittlere Tragkraft bei höherer Drehzahlgrenze realisierbar ist. Grundsätzlich besteht ein solches Lager aus Permanentmagneten, die in den Umfang einer Welle eingelassen sind, die von einer fest stehenden Spule umgeben werden. Ein Beispiel hierfür zeigt die
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisches Axiallager von der Art eines Lorentzkraft-Lagers derart weiter zu bilden, dass es bei einfacher Herstellung eine deutlich höhere Kraftdichte und Tragkraft aufweist.The invention is based on the object of further developing an electromagnetic thrust bearing of the type of a Lorentz force bearing in such a way that it has a significantly higher force density and carrying capacity with simple production.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem elektromagnetischen Axiallager der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Spule die am Umfang der Welle angeordneten in einem vorgegebenen Luftspalt fest stehend umgibt, und dass die Spule und die Permanentmagnete von einem ferromagnetischen Joch ringförmig umgeben sind.The object underlying the invention is achieved in an electromagnetic thrust bearing of the type mentioned above in that a coil surrounding the circumference of the shaft in a predetermined air gap fixedly surrounds, and that the coil and the permanent magnets are surrounded annularly by a ferromagnetic yoke.
Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Axiallagers sind darin zu sehen, dass dieses sehr einfach montiert und demontiert werden kann und dass die Drehzahlgrenze sich nach oben verschiebt, da eine die Festigkeit begrenzende Scheibe am Umfang der Welle nicht mehr benötigt wird. Außerdem lässt sich die als Rotor dienende Welle ohne Demontage des Rotors oder des Stators ziehen, d. h. sehr leicht demontieren.The particular advantages of the axial bearing according to the invention can be seen in the fact that this can be very easily assembled and disassembled and that the speed limit moves upwards, since a disc limiting the strength is no longer needed on the circumference of the shaft. In addition, the shaft serving as a rotor can be pulled without dismantling the rotor or the stator, i. H. disassemble very easily.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass eine deutlich höhere Tragkraft und Kraftdichte sowie bessere axiale Stabilität gegenüber einem Lorentzkraft-Lager in Standardausführung erreicht wird.In particular, it has been shown that a significantly higher load capacity and force density and better axial stability over a standard Lorentz force bearing is achieved.
Durch die gute axiale Stabilität ohne negative Steifigkeit ergibt sich eine einfache Positionsregelung. The good axial stability without negative rigidity results in a simple position control.
Weiterhin gestatten die über einen weiten axialen Bereich des Luftspaltes konstanten Lagereigenschaften wesentlich gröbere Montagetoleranzen und somit eine kostengünstigere Fertigung.Furthermore, over a wide axial range of the air gap constant storage properties allow much coarser mounting tolerances and thus a more cost-effective production.
In Fortführung der Erfindung können die Permanentmagnete als Ringe radial magnetisiert, mit wechselnder Polung angeordnet sein, oder als Ringsegmente mit paralleler oder axialer Magnetisierung gestaltet sind.In continuation of the invention, the permanent magnets may be radially magnetized as rings, arranged with alternating polarity, or designed as ring segments with parallel or axial magnetization.
Besonders hohe Magnetkräfte werden erreicht, wenn die Permanentmagnete in Form einer Halbach-Magnet-Anordnung mit zirkumpolar umlaufender Polarisierung ausgeführt sind.Particularly high magnetic forces are achieved when the permanent magnets are designed in the form of a Halbach magnet arrangement with circumpolar circumferential polarization.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das ferromagnetische Joch aus einem Ringteil und sich daran seitlich anschließende Jochbeine, welche die Spule umschließen.In a further embodiment of the invention, the ferromagnetic yoke consists of a ring member and laterally adjoining yoke legs which enclose the coil.
Das Joch und die Jochbeine können geblecht ausgeführt sein, wobei die Bleche vorzugsweise aus den Materialien SiFe, SiFeCo oder SiFeP bestehen. Selbstverständlich können auch grundsätzlich auch andere ferromagnetische Materialien eingesetzt werden.The yoke and the yoke legs can be made of laminated material, wherein the sheets are preferably made of the materials SiFe, SiFeCo or SiFeP. Of course, other ferromagnetic materials can also be used in principle.
In einer Fortführung der Erfindung sind die Permanetmagnete bündig in den Umfang der Welle eingelassen.In a continuation of the invention, the permanent magnets are embedded flush in the circumference of the shaft.
Weiterhin können die Permanentmagnete zu deren mechanischen Fixierung mit einer diese umgebenden Bandage versehen sein, wodurch auch höhere Drehzahlen völlig problemlos realisiert werden können. Die Bandage kann aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) bestehen.Furthermore, the permanent magnets may be provided for their mechanical fixation with a surrounding bandage, whereby even higher speeds can be realized without any problems. The bandage may consist of a carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
In einer weiteren Fortführung der Erfindung ist die Spule direkt in einen Spulenwickelkörper gewickelt, der die Permanentmagnete in einem vorgegebenen Abstand, einen Luftspalt frei haltend, umgibt.In a further continuation of the invention, the coil is wound directly into a coil winding body which surrounds the permanent magnets at a predetermined distance, keeping an air gap free.
Die Spule kann auch wild gewickelt sein, was den Fertigungsaufwand reduziert.The coil can also be wound wildly, which reduces the manufacturing effort.
In das Axiallager kann weiterhin ein axialer Positionssensor integriert sein, der zusätzlich mit einer Positionsregelung für das Axiallager gekoppelt werden kann.In the thrust bearing, an axial position sensor can be further integrated, which can be additionally coupled with a position control for the thrust bearing.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Positionsregelung mit einer elektronischen Schwingungsdämpfung gekoppelt.In a further embodiment, the position control is coupled with an electronic vibration damping.
In einer alternativen Ausführungsform sind die nebeneinander in den Umfang der Welle eingelassenen Permanentmagnete über einem Eisenrückschluss in der Welle angeordnet. Diese Ausführungsform kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn die Welle aus einem nichtmagnetischen Material besteht.In an alternative embodiment, the permanent magnets embedded next to one another in the circumference of the shaft are arranged above an iron yoke in the shaft. This embodiment is used in particular when the shaft consists of a non-magnetic material.
Zur Aufnahme und Kompensation einer statischen Last, wie einer Gewichtskraft, ist es zusätzlich möglich, seitlich am Joch zusätzliche Permanentmagnete vorzusehen, die gegenüber einem an der Welle ausgebildeten Wellenansatz angeordnet sind.For receiving and compensating for a static load, such as a weight force, it is additionally possible to provide additional permanent magnets on the side of the yoke which are arranged opposite a shaft extension formed on the shaft.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show:
Das Axiallager befindet sich in einem Bauteil und umschließt eine drehbar zu fixierende Welle
Das Axiallager enthält eine Vielzahl einzelner Permanentmagnete
Um ein unbeabsichtigtes Lösen der Permanentmagnete
Die Permanentmagnete
Besonders hohe Magnetkräfte werden erreicht, wenn die Permanentmagnete
Die Permanentmagnete
Das ferromagnetische Joch
Die über einen Anschluss mit einer Energiequelle zu verbindende Spule
Durch eine Ansteuerung der Spule
In das Axiallager kann weiterhin ein Sensor
Das erfindungsgemäße Axiallager gestattet eine vergleichsweise einfache Montage und Demontage und erreicht eine deutlich höhere Tragkraft und Kraftdichte gegenüber einem Lorentzkraft-Lager in Standardausführung.The thrust bearing according to the invention allows a comparatively simple assembly and disassembly and achieves a significantly higher load capacity and force density compared to a standard Lorentz force bearing.
In
Bei dieser ergänzenden Ausführung mit den zusätzlichen Permanentmagneten
Der besondere Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, dass das Axiallager nur noch die Gleichgewichtslage stabilisieren und die zentrische Position halten muss, weil die Gewichtskraft durch die Permanentmagnete
Es versteht sich, dass diese Alternative mit den zusätzlichen Permanentmagneten
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Jochyoke
- 22
- SpuleKitchen sink
- 33
- Jochbeinecheekbones
- 44
- Permanentmagnetepermanent magnets
- 55
- Bandagebandage
- 66
- Wellewave
- 77
- SpulenwickelkörperCoil bobbin
- 88th
- Sensorsensor
- 99
- EisenrückschlussIron yoke
- 1010
- Permanentmagnetepermanent magnets
- 1111
- Pfad der magnetischen FlussdichtePath of magnetic flux density
- 1212
- Wellenabsatzshaft shoulder
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20120516 |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE LIPPERT, STACHOW & PARTNER, DE |
|
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MECATRONIX AG, DE Free format text: FORMER OWNER: MECATRONIX GMBH, 64291 DARMSTADT, DE Effective date: 20130703 Owner name: APPLIED MATERIALS, INC. (N.D.GES.D. STAATES DE, US Free format text: FORMER OWNER: MECATRONIX GMBH, 64291 DARMSTADT, DE Effective date: 20130703 |
|
R082 | Change of representative |
Effective date: 20130703 Representative=s name: ZIMMERMANN & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE Effective date: 20130716 Representative=s name: ZIMMERMANN & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE Effective date: 20130703 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20130910 |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: APPLIED MATERIALS, INC. (N.D.GES.D. STAATES DE, US Free format text: FORMER OWNER: MECATRONIX AG, 64291 DARMSTADT, DE |
|
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |