DE2114040C3 - Magnetische Lagerung - Google Patents

Description

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Das Hauptpatent betrifft eine magnetische Lagerung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Infolge der Maßnahmen, die im Hauptpatent angeführt sind, können die Lagerwiderstände sehr gering gehalten werden, so daß, wenn der Rotor selbst keine wesentliche mechanische Arbeit zu leisten hat, relativ geringe Antriebsleistungen für den Drehantrieb des Rotors ausreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb für den eingangs erwähnten Rotor zu schaffen, der möglichst einfach aufgebaut ist und in seiner Bauausführung und Anordnung der magnetischen Lagerung nach dem Hauptpatent gut angepaßt ist

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst

Die Magnetfelder, die infolge der Ausgangssignale des Steuergerätes gebildet werden, überlagern sich mit den Magnetfeldern, die durch den Antriebs-Mehrphasenwechselstrom erzeugt werden. Das resultierende magnetische Feld wirkt auf dieselben ferromagnetischen Teile am Rotor ein und bewirkt gleichzeitig die notwendige Stabilisierung und den Antrieb. Der Rotor läuft dabei meist als Kombination zwischen Hysterese- und Wirbelstromläufer, wobei sich die einzelnen Antriebsanteile je nach Material und Aufbau der ferromagnetischen Teile richten.

Vorzugsweise entspricht die Phasenzahl des Mehrphasenwechselstroms der Anzahl der Polpaare der Elektromagnete. Beispielsweise kann bei einem vierpoligen Aufbau der Elektromagnet der im Hauptpatent als besonders vorteilhaft beschrieben ist ein Zweiphasenwechselstrom verwendet werden.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird zwischen dem Steuergerät und der Quelle des Mehrphasenwechselstroms eine an sich bekannte Trenneinrichtung zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit angeordnet Dadurch wird verhindert daß der u. U. sehr viel stärkere Mehrphasenwechselstrom das Steuergerät beeinflußt. Derartige Trenneinrichtungen sind bekannt. Es kann beispielsweise ein Trenntransformator verwendet werden.

Bei der Verwendung der Elektromagnete zum Antrieb des Rotors können die Elektromagnete eine Mehrphasenwicklung nach Art eines Drehfeldstators besitzen. Diese bereits vorgeschlagene Ausbildung der Elektromagnete ist u. a. wegen des vorteilhaften magnetischen Feldverlaufes bei der Anwendung als Antrieb besonders vorteilhatt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Rotor mit magnetischer Lagerung und seiner Antriebseinrichtung.

In der Zeichnung ist ein Rotor 11 mit im wesentlichen vertikaler Drehachse in einem feststehenden Teil 12 gelagert. Das feststehende Teil 12 bildet ein Gehäuse, das den Rotor vollständig dicht umschließen kann. Es besteht zumindest im Bereich der oberen und unteren Lager 13, 14 aus nicht magnetischem Material. Der Rotor 11 kann beispielsweise der Läufer einer Axial-Vakuumpumpe nach dem Holweck-Prinzip sein. Zur Vereinfachung der Darstellung sind jedoch die nicht zur Erfindung gehörenden Teile an Läufer und Gehäuse weggelassen. Die oberen und unteren, abgebrochen dargestellten Enden des Gehäuses können die Ein- und Auslässe bilden.

Obwohl der Rotor in seinem zylindrischen Mittelteil aus beliebigem Material bestehen kann, ist er jedoch beim vorliegenden Beispiel einstückig aus ferromagnetischem Material hergestellt.

Das obere Lager 13 besitzt einen Axial-Stabilisierungsmagneten 21, der außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist. Er ist ringförmig ausgebildet und umfaßt

in einer horizontalen Ebene das Gehäuse und damit das obere Rotorende 15. Der Axial-Stabilisierungsmagnet kann beliebig als Permanentmagnet oder Elektromagaet ausgebildet sein, es sollte jedoch darauf geachtet werden, daß er ein zur Rotorachse rotationssymmetrisches Magnetfeld erzeugt und daß das Magnetfeld Anteile parallel zur Rotorachse onthält

Der Axial-Stabilisierungsmagnet arbeitet mit den ferromagnetischen Teilen am oberen Rotorende 15 zusammen. Dadurch wird der Rotor in einer in vertikaler Richtung stabilen Lage gehalten. Dazu reicht ein gleichbleibendes Magnetfeld aus. Wenn hier von »gleichbleibend« gesprochen ist, so soll damit eingeschlossen sein, daß das Magnetfeld des Axial-Stabilisierungsmagneten sich bei kleinen Verschiebungen des Rotors selbstverständlich durch die Rückwirkung des Rotors leicht verändert Bei Ausführung als Elektromagnet ist auch eine Veränderung des Magnetfeldes zur Justierung der Höhenlage des Rotors möglich.

Im Bereich des Axial-Stabilisierungsmagneten 21 sind am Gehäuse berührungslose Fühler 28 angeordnet. Als Fühler 28 dienen in diesem Beispiel Feldplatten, die in einem Bereich angeordnet sind, in dem sie von dem Magnetfeld der Axial-Stabilisierungsmagneten 21 durchflossen sind. Diese an sich bekannten Feldplatten sind Halbleiterbauelemente, deren elektrischer Widerstand von der sie durchsetzenden magnetischen Feldstärke abhängt Sie zeigen die horizontalen Positionsveränderungen des Rotors an und setzen sie in Fühlersignale um, die einem Steuergerät 31 zugeführt werden. Das Steuergerät, das hier nicht im einzelnen beschrieben werden soll, besitzt einen Verstärker und einen Phasenschieber, der die von den Fühlern kommenden Signale in Ausgangssignale umsetzt. Diese Ausgangssignale sind den Fühlersignalen um einen Betrag zwischen Null und einer viertel Schwingungsperiode der Fühlersignale vorauseilend phasenverschoben, wobei der Betrag der Phasenverschiebung mit der Frequenz der Fühlersignale wächst. Die Ausgangssignale des Steuergerätes 31 werden über eine Trenneinrichtung 50 den Elektromagneten 25 zugeführt. Die Trenneinrichtung kann beispielsweise ein an sich bekannter Trenntransformator sein. Über die Trenneinrichtung 50 wird den Elektromagneten 25 von einem Mehrphasenwechselstromgenerator 51 ein Mehrphasenwechselstrom zugeführt. Dadurch entsteht in den Elektromagneten 25 ein Drehfeld, das auf die im Bereich der Elektromagnete 25 liegenden ferromagnetischen Teile am Rotor einwirkt und diesea nach Art eines Hystereseläufers mit asynchronem Anlauf mitnimmt.

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Die Frequenz des Mehrphasenwechselstromes entspricht der Drehzahl des Rotors oder ist, je nach der Polzahl der Elektromagnete, ein Vielfaches davon. Das von den Elektromagneten 25 erzeugte Magnetfeld ist also eine Überlagerung vcn einem Drehfeld und den Auswirkungen der auf die einzelnen Pole oder Polgruppen einwirkenden Ausgangssignalen des Steuergerätes 31.

Obwohl die Elektromagnete i-.n vorliegenden Falle zur Verdeutlichung der Darstellung als Einzelmagnete dargestellt sind, wobei vorzugsweise insgesamt vier Elektromagnete mit zugehörigen Fühlern vorgesehen sind, sollten jedoch Maßnahmen ergriffen werden, um das von ihnen erzeugte magnetische Feld so homogen wie möglich zu gestalten, um die Wirbelstrom- und Hystereseverluste bei der Drehung des Rotors so klein wie möglich zu halten. Dazu könnten beispielsweise die Elektromagnete mit den jeweiligen Sektor nahezu vollständig überdeckenden Polschuhen ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft sind jedoch die Elektromagnete mit einer Mehrphasenwicklung nach Art eines Drehfeldstators ausgebildet. Dabei wird bei einfachstem Aufbau ein sehr homogenes Feld erzeugt, das die Verluste und die Rotorerwärmung niedrig hält. Der Mehrphasenwechselstrom kann dabei durch die gleichen Wicklungen laufen wie die Ausgangssignale des Steuergerätes 31, es können jedoch auch getrennte, jedoch räumlich vereinigte Wicklungen · verwendet werden.

Das Lager 14 besitzt ebenfalls Fühler 28, ein Steuergerät 31 und Elektromagnete 23', die (bis auf die Auslegung) mit den am oberen Lager verwendeten Elektromagneten übereinstimmen können. Es ist selbstverständlich auch denkbar, den Mehrphasenwechselstrom den Elektromagneten 25' oder mehreren Elektromagneten zuzuführen. Es ist noch zu beachten, daß das feststehende Teil 12 im Bereich der Elektromagnete 25 aus einem nicht leitenden Material bestehen sollte, um Wirbelströme zu vermeiden. Es ist jedoch auch möglich, die Wicklungen innerhalb des Gehäuses anzuordnen, wobei dann diese Forderung nicht beachtet zu werden braucht. Es ist vorteilhaft, wenn die Phasenzahl des Mehrphasenwechselsiromes gleich der Zahl der Polpaare der Elektromagnete ist. Im vorliegenden Falle, wo insgesamt vier Pole und zwei Polpaare vorhanden sind, ist ein Zweiphasenwechselstrom angebracht. Grundsätzlich kann aber der Mehrphasenwechselstrom jede beliebige Phasenzahl haben, die größer als 1 ist, wenn Selbstanlauf erwünscht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Magnetische Lagerung eines mit ferromagiretischen 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 Ό 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 stabilisierendes Magnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung besitzt und daii die dieser destabilisierenden Wirkung entgegenwirkende 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 Schwingbewegungen des Rotors in radialer Richtung dämpft, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Rotors (11) die Elektromagnete (25) wenigstens einer Radial-Stabilisierungseinrichtung zur Aufnahme eines Mehrphasenvechselstromes mit einer der gewünschten Drehzahl des Rotors (11) im wesentlichen entsprechenden Frequenz bzw. eines Vielfachen davon ausgebildet sind und den Rotor (11) nach Art eines Hysterese- bzw. Wirbelstrommotors antreiben.

2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenzahl des Mehrphasenwechselstromes der Anzahl der Polpaare der Elektromagnete (25) entspricht.

3. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuergerät (31) und der Quelle (51) des Mehrphasenwechselstromes eine an sich bekannte Trenneinrichtung (50) zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit angeordnet ist.

4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete (25) eine Mehrphasenwicklung nach Art eines Drehfeldstators besitzen.