DE2139614A1

DE2139614A1 - Magnetische lagerung, insbesondere freischwebende aufhaengung fuer einen axial gestreckten rotor mit vertikaler drehachse

Info

Publication number: DE2139614A1
Application number: DE19712139614
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Ing Boehringer; Johann Gansohr; Fridolin Sorg; Friedrich Dipl Ing Strauss
Original assignee: DORNIER AG
Current assignee: DORNIER AG
Priority date: 1971-08-07
Filing date: 1971-08-07
Publication date: 1973-05-30
Also published as: IT961725B; GB1382300A; NL7209341A

Description

DO R HI K Ä AG
Friedrichshafen

lieg. 23Ο4

"Magnetische Lagerung, insbesondere freischwebende Aufhängung für einen axial gestreckten •lotor mit vertikaler Drehachse"

Die Patentanmeldung betrifft die berührungslose, magnetische Lagerung eines axial gestreckten Jtotors mit im wesentlichen senkrechter Drehachse, bei der der Ilotor unter einem gesteuerten Elektromagneten freischwebend aufgehängt ist und die Querlagerung durch an sich bekannte aktive oder passive Magnetsysteme erreicht wird. Dabei ist unter einem axial gestreckten Rotor ein Hotor zu verstehen, dessen Längsstreckung größer ist als seine itadialachse. Als Beispiel seien Gas-Ultrazentrifugen genannt. Die maximale Drehzahl der Rotoren wird bei einem derartigen System nicht mehr durch die Lagerung selbst begrenzt, sondern praktisch durch die Festigkeit des Jtotorraaterials, so daß wesentlich höhere Umlaufgeschwindigkeiten erreicht werden können als bei kugel- oder rollengelagerten Rotoren.

Da, insbesondere beim Betrieb in evakuierten Räumen kaum mehr Reibungsverluste auftreten, ist bei magnetischer Lagerung die notwendige Antriebsleistung entsprechend gering; zu dem

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erübrigt sich ein Kühlkreislauf fUr das Lagersystem, außerdem sind ölgeschmierte Lager in Gas-Ultrazentrifugen wenig brauchbar, weil beim Absturz des Rotors die notwendigen Schmiermittel in den Gaskreislauf gelangen und dort Verunreinigungen und Verschleiß verursachen. Um solche Fehlerquellen zu vermeiden, wären bei mechanischer Lagerung aufwendige Schmiermittel, d.h. Spezialöle notwendig, die aber wiederum sehr kostspielig sind.

Es ist bereits eine magnetische Lagerung bekannt geworden (US-Patentschrift 2 733 857), bei der ein Zentrifugenrotor frei schwebend unter einem Elektromagneten aufgehängt ist. Dabei handelt es sich um einen Rotor, dessen radiale Abmessungen groß sind im Vergleich zu seiner axialen Höhe. Nach den Kreiselgesetzen dreht ein hochdrehbares, gestrecktes Element auf die Dauer stets um die Achse des höchsten Trägheitsmomentes. Wenn ein Rotor nicht um die Achse seines größten Trägheitsmomentes dreht, genügt die geringste Störung, um ihn zur Rotation um die Achse des größten Trägheitsmomentes zu zwingen. Da ein gestreckter Rotor nach Kreiselgesetzen kein stabiles Betriebsverhalten zeigt, sind Einrichtungen notwendig, um die Präzessions- und Nutationsbewegungen des Rotors ausreichend zu dämpfen.

Bs ist weiterhin eine magnetische Lagerung bekannt geworden (OS 1 750 602), bei der das Rotorgewicht von einen oder mehreren Permanentmagneten aufgenommen wird, die auf ferromagnetische Teile des Rotors einwirken. Bei diesem System kann aber ein konstanter vertikaler Arbeitspunkt nicht garantiert werden, da es

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sich hier um ein passives, ungeregeltes System handelt. Das Einhalten einer konstanten Höhe des Rotors ist aber für den einwandfreien Betrieb Voraussetzung.

Aufgab· der Erfindung ist, einen axial gestreckten Rotor auf exakt konstanter Höhe berührungsfrei und mit möglichst geringen Verlusten zu lagern und durch geeignete Mittel eine Querlagerung zu erreichen, die ein stabiles Verhalten der Zentrifuge so-

»i J₃^/Stillstand, als auch bei hohen Drehzahlen garantiert. £f Ist durch Erfindungen zwar bekannt, die Rotoren magnetisch vertikal aufzuhängen, aber mechanisch quer zu führen (siehe z. B. deutsche Patentschrift 872 137). Hierbei machen sich aber noch ein hoher Ölverbrauch und Reibung nachteilig bemerkbar. Das Lager wird dabei nur durch Magnetkraft entlastet.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der für die vertikale Aufhängung des Rotors gegen-, über dem Magnetsystem angeordnete Tragkörper als Kalotte mit einem der maximalen Nutations- bzw. Präzessionsbewegung des Rotors entsprechenden Radius ausgebildet ist, und daß an einem Rotorende,, in einem Wirkabstand eine Dämpfungseinrichtung für Nutationsbewegungen angeordnet ist.

Durch diese Maßnahme wird insbesondere erreicht, daß durch die aktive Vertikalregelung keine Kraftkomponente in Querlagerrichtung erzeugt wird, so daß Störeinflüsse infolge Verkoppelungen der Achsen dann nicht mehr auftreten. Die Form des Tragmagnetfeldes spielt eine sekundäre Holle.

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Der Nutationsdämpfer nützt die Tatsache aus, daß Nutationsbewegungen nach den Kreiselgesetzen Kreisschwingungen sind, so daß, wenn es gelingt, die Schwingungsamplitude in einer Querachsenrichtung wegzudämpfen, zwangsläufig auch die dazu orthogonale Amplitude der Kreisschwingung verschwindet.

3in derartiger Dämpfer arbeitet mit nur einem Stellglied, das an einem Ende des Rotors angebracht ist und in einer Querachsenrichtung wirkt.

Die weiteren Ausführungen der Erfindung bestehen darin, daß die Dämpfungseinrichtung für Nutationsbewegungen einachsig und an einem Ende auf den iiotor wirkt. Zur Quer lagerung des Rotors werden an sich bekannte, ö Hydraulische Därapferglieder mit Permanentmagnetsysteraen verwendet. Das Stellglied des Nutationsdämpfers kann aus einem einzigen Elektromagneten bestehen, der auf den ferromagnetischen Rotor oder auf ferromagnetische Teile desselben einwirkt.

Vorteilhafterweise besteht das Stellglied des Nutationsdämpfers aus zwei Elektromagneten, die am Rotorumfang um 180° versetzt an einem Rotorende angebracht sind und im Gegentakt angesteuert werden, wobei der Wegaufnehmer des Nutationsdämpfers zur weiteren Verbesserung des Dämpfungsverhaltens gegenüber dem Stellglied am Rotorumfang um einen bestimmten Winkel in Rotordrehrichtung versetzt angeordnet ist.

Ein weiteres erfinderisches Merkmal besteht darin, daß zui* V/egmessung für die Quer lagerung an sich bekannte induktive,

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kapazitive oder auch optische Sensoren eingesetzt werden, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, um die bei hohen Drehzahlen auftretende Rotorverdickung infolge der Materialspannung zu eliminieren.

Die bei axial gestreckten Rotoren zur Führung und Dämpfung der ilotoreigenschwingungsforraen notwendige Querlagerung wird berührungslos in mindestens zwei Ebenen mit an sich bekannten Magnetsystemen aktiv oder passiv ausgeführt.

Die Vorteile eines derartigen einachsigen Nutationsdämpfers bestehen darin, daß er s,ich durch besondere Einfachheit auszeichnet. Es besteht zudem die Möglichkeit, ihn kompakt in eineu Block zusammenzufassen, was insbesondere für den Einsatz der magnetischen Lagerung bei Gas-Ultrazentrifugen bedeutend ist, wo die Anlagen aus sehr vielen Einzelzentrifugen bestehen und durch derartige einfache Dämpferglieder erhebliche Einsparung gegenüber vollaktiven Querlagersystemen möglich sind. Die zur Querlagerung des Rotors angeordneten ölhydraulischen Dämpferglieder ergänzen sich mit dem Nutationsdämpfer gegenseitig, wobei die Hydraulik bei niedrigen Drehzahlen, der Nutationsdämpfer dagegen bei hohen Frequenzen wirksam ist.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Gas-Ultrazentrifuge beschrieben und anhand einer Skizze erläutert:

In einem feststehenden Gehäuse 1 ist ein Ytotor 2 einer Gas-Ultrazentrifuge angeordnet, der von einem im Ausführungsbeispiel schematisch angedeuteten Motor 3 angetrieben wird. Der

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Antrieb erfolgt über eine am Rotor 2 fest angeordnete Läufer-Scheibe 4. Dieses Antriebssystem ist an sich bekannt und braucht daher nicht weiter beschrieben zu werden. Der Zentrifugenrotor 2 läuft wegen der Verminderung der Gasreibung im Vakuum. Der evakuierte iaum zwischen Gehäuse 1 und Itotor 2 ist mit 5 bezeichnet.

Der totor 2 ist mittel eines Tragkörpers ß freischwebend unter dem Magnetsystem 7 aufgehängt. Die Art dieses Magnetsystems ist für die Erfindung ohne besondere Bedeutung. In der Zeichnung ist beispielsweise ein Topfmagnet dargestellt. Der \bstand zwischen dem Magnetsystem 7 und dem Tragkörper 6 v/ird mit an sich bekannten induktiven, kapazitiven oder optischen Wegaufnehmern erfaßt und als Istwert einem Hegler zugeleitet. Das Ausgangesignal dieses iieglers beeinflußt die Tragkraft des Magnetsystems 7 derart, daß ein als Sollwert vorgegebener Abstand genau eingehalten wird.

Der dem Magnetsystem 7 gegenüberliegend angeordnete Tragkörper G hat die Form einer Kalotte. Der tadius dieser Kalotte ist so groß gewählt, daß Schwankungen des Tragkörpers 6 bzw. des -lotors 2 gegenüber dem feststehenden Magnetsystem 7 praktisch keine Änderung des eingeregelten Abstandes hervorrufen, wie dies bei vollständig ebenem Tragkörper der Fall wäre. Der Radius der Kalottenkrütamung muß daher etwa der maximalen Nutations- bzw. Präzessionbewegung des itotors entsprechen.

iuine derartige Vertikalführung des itotors 2 hat den Vorteil, mögliche Störeinflüsse, wie sie beispielsweise Erschütterungen

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oder Rotorzugveränderungen durch den Antriebsmotor 3 hervorrufen, auszuregeln. Unterstützt wird dieser Vorteil durch die oben erwähnte Ausbildung des Magnetsystems 7 als Topfmagnet, wobei bei der Rotordrehung durch die aktive Lastaufnahme keine Wirbelströme induziert werden und eine entsprechend geringere Antriebsleistung ausreichend ist. Außerdem wird eine völlige Entkoppelung von Vertikal- und Querführung erreicht, da die aktive Vertikalregelung keine Kraftkomponente in Querlagerrichtung erzeugt.

Zur Querlagerung des Hotors 2 werden an sich bekannte Permanentmagnetsysteme eingesetzt, die in zwei Ebenen jeweils an den beiden Enden des Rotors 2 befestigt sind. Sie bestehen jeweils aus einem umlaufenden Jlingmagrneten S und einem -gegenüberliegend elastisch aufgehängten Ringmagneten -9. Die Rissgmagnete 9 sind zur Erzielung einer Dämpfung in ©!gefüllte und gekapselt© Gehäuse TO eingebaut,

Diese bekannte, auf hydraulischer Basis ivirkenden Dämpfungseinrichtungen zeigen im wesentlichen nur bei verhältnismäßig !niedrigen Drehzahlen eine ausreichende Wirksamkeit. Für die bei hohen Drehzahlen auftretenden hochfrequenten Schwingungsformen des itotors müssen sie zusätzlich eine ergänzende 7?inriehtung erhalten. Hierzu dient eine Därapfwngseinrichtung für Rotationsbewegungen. Diese Dämpfungseinrietitung besteht im wesentlichen aus dem Wegaufnehmer 11, Regler 12 und Stellglied 13. Der Wegaufnehraer 11 überwacht die durch Nutation bzw. Präzession verursachte Aus-

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wanderung des Motors 2. Dabei wird vom Regler 12 das als Elektromagnet ausgebildete Stellglied 13 derart angesteuert, daß durch das Einwirken des Elektromagneten auf die ferromagnetische Ilotorwandung die hochfrequenten Schwingungsformen gedämpft werden.

Diese Dämpfungseinrichtung 11, 12, 13 für Nutationsbewegungen ist nur an einem Uotorende erforderlich. Sie ist hier wie im Ausführungsbeispiel am unterem ^nde des Rotors 2 angeordnet. Die Wirkung der Dämpfungseinrichtung ist dabei nur in einer Querachsenrichtung. Es wird dabei davon ausgegangen, daß die Nutationsbewegungen (wie oben schon erwähnt)· nach den Kreiselgesetzen Kreisschwingungen sind, und es auf diese Weise möglich ist, zwangsläufig auch die orthogonale Amplitude einer Kreisschwingung zu dämpfen.

Nach einer in der Zeichnung nicht besonders dargestellten Ausbildungsform ist es möglich, in der Dämpfungseinrichtung statt nur eines Stellgliedes 13 zwei derartige Stellglieder gegeneinander um 180 versetzt anzuordnen und diese beiden Stellglieder im Gegentakt anzusteuern. Weiter ist es möglich (wie ebenfalls nicht besonders dargestellt ist) den Wegaufnehmer 11 gegenüber dem Stellglied 13 um einen bestimmten Winkel in Rotordrehrichtung versetzt auf dem Umfang anzuordnen. Dadurch wird eine weitere Verbesserung des DämpfungsVerhaltens erreicht. Die Größe des Winkels .ist abhängig vom Kreiselverhalten des Rotors.

Uiis die foeiia Betrieb infolge Fliehkraft auftretenden Ausdehnungen der '.totoffwand auf das Arbeiten der Dämpfungseinrichtung für die Nutationsbewegungen ohne Einflyss zu lassen, kann der

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Wegaufnehmer 11 als Brückenschaltung angeordnet, sein.

Derartig einachsig wirkend© DäsapfungseinrichtuBgen für NutationsbeweguBgen zeichnen sich durch besondere Einfachheit aus. lis besteht zudem die Möglichkeit, ihn kompakt in einem Block zusammenzufassen, was insbssondere für den Einsatz der magnetischen Lagerung bei Gas-Ultrazentrifug@2i bedeutend ist, wo die Anlagen aus sehr vielen Einze!zentrifugen bestehen und durch derartige einfache Dämpferglieder erhebliche Einsparungen gegenüber bisher bekannten vollaktiven Querlagersyst©men möglich sind.

Die oben beschriebene Magnetische Lagerung ist aber nicht nur auf die Anwendung bei Gas-TJltrazentrifugen beschränkt _g sondern ist, mit ihren Vorteilen, für Rotoren beliebiger Forsa g®·= eignet, wie z. B. auch für Turbomolekularpumpe!! oder Ki?©is©lgeräte, bei denen nach Bedarf ferromagnetische Teil© asu Rotor angebracht sind, auf welche die Magnetkräfte einwirken können. Dabei bleibt immer der besondere Vorteil erhalten, daß diese Anordnung vom Stillstand bis zu höchsten Frequenzen voll wirksam ist.

4. August 1971
ET 10/KjrAe

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Claims

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Reg, 2304

Patentansprüche ;

fly Magnetische Lagerung, insbesondere freischwebende Aufhängung für einen axial gestreckten, aus ferromagnetische!!! Material bestehenden oder mit ferromagnetischen Teilen versehener Rotor mit im wesentlichen vertikal angeordneter Drehachse, wobei der Abstand zwischen dem Rotor und dem Tragmagneten mittels eines elektrischen Re ge !systems auf einem konstanten Wert geltalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der für die vertikale Aufhängung des loiors (2) gegenüber de« Magnetsystem (7) angeordnete Tragkörper (G) als Kalotte mit einem der maximalen Nutations- bzw. Präzessionsbewegung des Rotors (2) entsprechenden Radius ausgebildet ist, und daß an einem Rotorende, in einem Wirkabstand eine Dämpfungseinrichtung (11, 12, 13) für Nutat ionsbewegungen angeordnet ist.
2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung für Nut at lonsbewegungen (H₁ 12, 13) einachsig und an einem Ende auf den Rotor (2) wirkt.
3. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Querlagerung des Rotors (2) zusätzlich an

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sich bekannte, hydraulische Dämpferglieder (10) mit Permanentmagnetsystemen (8, 9) angeordnet sind.
4. Magnetische Lagerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge-, kennzeichnet, daß das Stellglied (13) der Nutationsdampfungseinrichtung (11, 12, 13) aus einem einzigen Elektromagneten besteht, der auf den ferromagnetische!* Bot or (2) oder auf ferromagnetische Teile desselben einwirkt.
5. Magnetische Lagerung nach den Anspruches 1 bis 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (13) der NutatlsnüBsdämpfuEgseinrichtung (H₉ 12, 13) aus z®©i Elelsts"oiaag!a©t©m bastelst, die am Hotorissafang \am 180 versetzt asa ©Im©© Eotoresasäe aagebraslht und im Gegentakt ansteuerbar simsL

G. Magsietische Lagerungen nach dem Aasprüclbeß 1 htm 5_S dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnasser (11) der Muiatios&sdäepfungseinrichtung CH₉ 12, 13) zur" weiteren Verbessejpung des Dämpf^ngsverhaltens gegenüber dem Stellglied (13) asi Eotorumfang ua ainen bestimmten Winkel Ib Botordrehrictetiang versetzt angeordnet ist.

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