DE2151916B2

DE2151916B2 - Magnetische Lagerung für eine senkrechte WeUe

Info

Publication number: DE2151916B2
Application number: DE2151916A
Authority: DE
Inventors: Helmut Vernon Habermann (Frankreich)
Original assignee: Europeenne De Propulsion Sa Puteaux Hauts-De-Seine (frankreich) Ste
Current assignee: Europeenne De Propulsion Sa Puteaux Hauts-De-Seine (frankreich) Ste
Priority date: 1970-10-22
Filing date: 1971-10-19
Publication date: 1979-08-16
Also published as: DE2151916A1; DE2151916C3; FR2110581A5; GB1370666A; US3731984A

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung für eine schnell laufende senkrechte Welle mit je einem oberen und einem unteren koaxialen Magnetlager, die die Welle derart aufnehmen, daß das obere Magnetlager auf die Welle eine nach oben gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine koaxial zur Lagerachse angeordnete Spule aufweist, die in einem feststehenden '. Spulengehäuse untergebracht ist und deren Speisung durch einen axialen induktiven Positionsgeber geregelt ist, welcher die Axiallage der Welle erfaßt, wobei die Regelung derart erfolgt, daß der axiale Lagerli/tspalt konstant bleibt, und das untere Magnetlager auf die

in Welle eine nach unten gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine koaxial zur Lagerachse angeordnete Ringspule aufweist, die in einem Spulengehäuse untergebracht ist, wobei da¹· Spulengehäuse des unteren Magnetlagers einen Querschnitt aufweist, der die Form

is eines nach oben offenen U hat und unter einem Polring angeordnet ist, der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach unten geöffneten U hat, das Spulengehäuse des oberen Magnetlagers einen Querschnitt aufweist, der die Form

.'o eines nach unten geöffneten U hat und über einem Polring angeordnet ist, der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat, und die einander gegenüberstehenden Teile der Spulengehäuse und der Polringe mit

ΐϊ gegeneinander weisenden Zähnen ausgerüstet sind.

Eine magnetische .Lagerung dieser Art für schnell laufende senkrechte Wellen besitzt geringste Reibungsverluste sowie eine verhältnismäßig große Lagersteifigkeit in axialer Richtung, jedoch eine geringere

«ι Lagersteifigkeit in radialer Richtung. Solche Wellenlagerungen finden mit Vorteil in Zentrifugen, insbesondere in Ultrazentrifugen Verwendung. Das gegenüber dem Axialspiel größere Radialspiel ist erwünscht, um das von der Welle getragene rotierende System mit

i") verhältnismäßig geringen mechanischen Kräften durch die Resonanzdrehzahlen fahren zu können.

Eine magnetische Lagerung der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise aus der US-PS 34 74 852 bekannt. Die dort beschriebene Wcüeniagerung ist mit einem oberen und einem unteren Magnetlager ausgerüstet, die zugleich stabilisierende Kräfte in radialer Richtung und gegeneinander wirkende, stabilisierende Kräfte in axialer Richtung ausüben. Ein axialer Positionsgeber, verbunden mit einem auf die Verlage-

r, rungsgeschwindigkeit ansprechenden Geber, kontrollieren die Speisespannungen der Spulen der Elektromagneten der beiden Magnetlager. Diese Lagerung ermöglicht zwar ein eng begrenztes Axialspiel, sie ist jedoch nicht dafür geeignet, sich Längenänderungen der

ν» Welle anzupassen bzw. eine bestimmte axiale Steifigkeit auch bei Änderungen in der Wellenlänge aufrechtzuerhalten.

Auch aus der US-PS 34 90 816 ist eine magnetische Lagerung für eine senkrechte Welle mit einem oberen

r> und einem unteren Magnetlager bekannt, die an den Enden der Welle angeordnet sind. Jedes Lager weist zwei Spulen auf. Die Speisespannung der einen Spule jedes Magnetlagers wird von einem axialen Positionsgeber gesteuert, während die Speisespannung der zweiten

6(i Spule duFch einen auf die Verlagerungsgeschwindigkeit ansprechenden Geber gesteuert wird. Eine solche Lagerung erlaubt eine Stabilisierung der axialen Positionierung der Welle. Aber auch diese bekannte Ausführungsform kann möglichen Längenänderungen

(>"> der Welle nicht Rechnung tragen.

Da !.ich der magnetische Kraftfluß zwischen dem Spulenkern des Lagers und dem Polring des rotierenden Systems mit größer werdendem Luftspalt zwischen

diesen Teilen stark vermindert, nimmt auch die axiale Steifigkeit der bekannten Lager mit zunehmendem Axialspiel der Welle erheblich ab. Eine für viele Anwendungsfälle in axialer Richtung ausreichende Steifigkeit der Wellenlagerung ist daher nur dann -> gegeben, wenn der axiale Spalt zwischen den Spulenkernen der Lager und den diesen gegenüberliegenden Polringen des Wellensystems äußerst gering ist Größenordnungsi,läßig sind dabei Spaltweiten von etwa 0,1 mm erforderlich. Bei derart geringen Spaltwei- in ten sind Längenänderungen der Welle praktisch nicht mehr zulässig. Dehnt sich die Welle aus, stößt die Lagerung an, wird sie kürzer, nimmt die axiale Steifigkeit der Lagerung stark ab.

Insbesondere bei schnell laufenden Zentrifugen, die mit Drehzahlen bis zu 100 000 Umdrehungen pro Minute arbeiten, treten Verformungen des rotierenden Zentrifugenkörpers auf, die zu dessen Durchmesserzunahme und zu einer entsprechenden Verkürzung der Welle führen. Die stärksten Dimens-onsänderungen treten beim Durchfahren der kritischen Drehzahlen au» und können zu einer Wellenverkürzung bis beispielsweise 2 mm führen. Diesem Zahlenbeispiel ist ohne weiteres entnehmbar, daß eine solche Wellenverkürzung, gemessen an dem geforderten Axialspiel der >s Welle von etwa 0,1 mm zu einer unverhältnismäßig großen Verbreiterung des Luftspaltes der Magnetlagerung führt, die eine entsprechende Abnahme der axialen Steifigkeit der Lagerung zur Folge hat

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine jo magnetische Lagerung der eingangs bezeichneten Art derart zu verbessern, daß das geforderte Verhältnis zwischen einer verhältnismäßig großen Lagersteifigkeit in axialer Richtung und einer niedrigeren Lagersteifigkeit in radialer Richtung auch bei Längenänderungen der Welle aufrecht erhalten werden kann, d. h, daß bei solchen Längenänderungen der axiale Luftspalt der Lagerungen konstant gehalten werden kann, so daß die Steifigkeit der Lagerung in axialer Richtung unverändert bleibt. in

Diese Aufgabe wird für eine magnetische Lagerung der betreffenden Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Spulengehäuse des unteren Magnetlagers axial gleitend gegen ein Rückholglied in einem feststehenden Lagergehäuse montiert ist, und daß ein axialer induktiver Positionsgeber am unteren Wellenende vorgesehen ist, der die Speisespannung der Ringspule des unteren Magnetlagers derart regelt, daß der axiale Lagerluftspalt konstant bleibt

Diese Ausbildung des unteren Magnetlagers stellt praktisch eine funktionsmäßige Hintereinanderschaltung zweier Kraft-Weg-abhängiger Elemente dar, von denen das eine, nämlich das eigentliche magnetische Lager, eine sehr stfrke Abhängigkeit der Kraft vom Verschiebungsweg aufweist, das andere aber in seinem Kraftverhalten verhältnismäßig unabhängig vom Weg gehalten werden kann. Diese Maßnahme ermöglicht es, das magnetische Lager durch entsprechend geregelte Stromaufnahme auch bei Änderung der Wellenlänge keine Relativbewegung zwischen Welle und Spulenge- oo häuse des Magnetlagers ausführen zu lassen, so daß die gesamte Längenänderung der Welle von dem elastischen Rückholglied aufgefangen wird. Damit sind Längenänderungen der Welle möglich, ohne auf die berührungsfreie, magnetische Lagerung der Welle unter 6b konstanten Bedingungen verzichten zu müssen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie deren Verwendung sind in den Unteransprüchen beansprucht

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen im einzelnen näher beschrieben. Es stellen dar

F i g. 1 einen schematischen Axialschnitt durch die magnetische Lagerung einer vertikal angeordneten Welle;

F i g. 2 ein beispielhaftes Schaltbild für ein Magnetlager einer Lagerung nach F i g. 1 und

F i g. 3 eine Einzelheit der Magnetlager nach F i g. 1 in vergrößertem Maßstab.

Die in F i g 1 schematisch dargestellte magnetische Lagerung besitzt zwei koaxiale Magnetlager 1 und 2, in denen die beiden Enden einer senkrechten Welle 3 gelagert sind.

Die Welle 3 trägt im gewählten Anwendungsbeispiel der Erfindung eine schnell laufende Trommel 4 einer Zentrifuge oder Ultrazentrifuge. Der Antrieb der Trommel erfolgt durch nicht dargestellte Antriebsmittel wie z. B. einen Elektromotor, dessp,- Rotor sich im Trommelmantei befinden kann.

Das obere Magnetlager I übt auf die Welle 3 eine nach oben gerichtete Axialkraft aus. Dieses Lager besitzt mindestens eine Spule 5, deren Speisung von einem zugehörigen Positionsgeber 6 gesteuert wird, der die Axiallage der Welle 3 erfaßt, so daß der Luftspalt des Lagers konstant bleibt Das untere Magnetlager 2 übt auf die Welle 3 eine nach unten gerichtete Axialkraft aus.

Die beiden Magnetlager 1 und 2 sind so ausgebildet, daß sie auf die Welle 3 auch Radialkräfte ausüben, welche die Welle bei einer Ausslenkung in die koaxiale Mittelstellung zurückzuführen versuchen.

Das obere Magnetlager t besitzt vorteilhaft eine einzige koaxiale Ringspule 5, die in einem metallischen Spulengehäuse 7 untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U aufweist

Das Metallgehäuse 7 ist über einem Polrwg 8 angeordnet, der fest mit der Welle 3 bzw. der Trommel 4 verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat

Das untere Magnetlager 2 übt eine nach unten gerichtete Kraft auf die Welle 3 aus. Das Magnetlager besitzt eine koaxiale Ringspule 12, die in einem in Drehrichtung festen metallischen Spulengehäuse 13 untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat. Das Spulengehäuse 13 ist unter einem Polring 14 angeordnet, der fest mit der Welle 3 oder der Trommel 4 verbunden ist und dessen Querschnitt die Forn? eines nach unten offenen U hat

Bei den oberen oder unteren Magnetlagern 1 und 2 fällt die Achse der Ringspule (5 oder 12) zusammen mit der Ac!,se des entsprechenden Spulengehäuses (7 oder 13). Da nun diese Spulengehäuse im Querschnitt U-förmig sind, wird Jer magnetische Fluß gezwungen, um den die Spule aufnehmenden ringförmigen Raum zu laufen, wobei magnetische Nord- und Südpole entstehen, wie für das obere Magnetlager 1 in Fig. 1 angedeutet ist. Der äußere Umfangsteil des zugehörigen Polringes (8 oder 14) besitzt also während der Drehung immer die gleiche Polarität. Wenn die Achsen von Lager und Sp¹¹Ie fluchten, dann ist demnach die Induktion an jedem beliebigen Punkt des Polringes während seiner Drehung konstant. Hieraus ergibt sich, daß das magnetische Reibungsmoment auf einen Minimalwert reduziert ist.

Zur Aufnahme von Längenänderungen der von Welle 3 und Trommel 4 gebildeten Einheit wahrem· des

Betriebes ist das Spulengehäuse 13, welches die Ringspule 12 des unteren Magnetlagers 2 aufnimmt, axial gleitend in einem feststehenden Lagergehäuse 15 aufgenommen und wird durch eine Feder 15a nach oben zu gedrückt. Zur Begrenzung des Hubes des Spulengehäuses 13 nach unten ist ein Anschlag 15ö vorgesehen. Ein Positionsgeber 16 ist am unteren Wcllenende angeordnet. Er steuert die Speisung der Ringspule 12 so, daß der Luftspalt des unteren Magnetlagers 2 konstant bleibt

Die Positionsgeber (6,16) sind induktive Geber.

In Fig. 2 ist schematisch ein elektronischer Regelkreis zur Lagepositionierung eines Magnetlagers dargestellt, der als Beispiel zwischen den Posilionsgeber 6 und die Ringspule 5 des oberen Magnetlagers 1 geschaltet ist.

Die Spule des induktiven Gebers 6 wird von einer

Wechsclslmmniirllr 17 ppsnrkl nnrl rla«; r^phprai.ic-

gangssignal wird von einer Schaltung verarbeitet, in der seriell ein Filterglied 18. ein Phasenschieber 19 und ein Verstärker 20 angeordnet sind, der zusätzlich von einer Gleichspannungsquelle 21 eine Gleichspannung erhält, die proportional zum scheinbaren Gewicht der von Welle 3 und Trommel 4 gebildeten Einheit ist. Der Verstärker 20 speist direkt die Ringspule 5 des Magnetlagers 1.

Um eine bessere Zentrierung der Magnetlager 1 und 2 zu bewirken, sind gemäß F i g. 3 die einander gegenüberstehenden Teile der Spulengehäuse 7 und 13 und der Polringe 8 und 14 mit gegeneinander weisenden Zähnen 22 versehen. Die Magnetlager 1 und 2 sind bevorzugt so ausgelegt, daß sie weit vom magnetischen ι Sättigungspunkt entfernt arbeiten, was relativ große Radialauslenkungen erlaubt, ohne deshalb die Axialkräfte zu schwächen.

Als Beispiel läßt sich bei einer zu lagernden Masse

von ca. IO kg eine magnetische Lagerung realisieren mit

κι einer Axialsteife, die einem l.agerspiel von ca. 0,1 mm entspricht, und mit einer Radialsteife, die einem l.agerspiel von ca. I mm entspricht.

Die magnetische Lagerung weist eine Reihe von Vorteilen auf, unter denen insbesondere folgende zu i'i nennen sind:

Mit ihr läßt sich eine Aufhängung erzielen, die eine große Steifigkeit in Axialrichtung und eine geringe Steifigkeit in Radialrichtung besitzt:

sie gestattet ohne Schwierigkeiten das Durchlaufen j'i kritischer Drehzahlen;

sie ist zuverlässig, robust und gegenüber aggressiver Atmosphäre unempfindlich;

sie erlaubt Längenänderungen der gelagerten Welle. ohne daß sich die Steifigkeitseigenschaften der beiden :> Magnetlager ändern;

sie erzeugt nur sehr geringe Reibungsmomente und weist keinerlei Berührungskontakt auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetische Lagerung für eine schnei! laufende senkrechte Welle mit je einem oberen und einem unteren koaxialen Magnetlager, die die Welle derart aufnehmen, daß das obere Magnetlager auf die Welle eine nach oben gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine koaxial zur Lagerachse angeordnete Spule aufweist, die in einem feststehenden Spulengehäuse untergebracht ist und deren Speisung durch einen axialen induktiven Positionsgeber geregelt ist, welcher die Axiallage der Welle erfaßt, wobei die Regelung derart erfolgt, daß der axiale Lagerluftspalt konstant bleibt, und das untere Magnetlager auf die Welle eine nach unten gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine koaxial zur Lagerachse angeordnete Ringspule aufweist, die in einem Spulengehäuse untergebracht ist, wobei das -Spulengehäuse des unteren Magnetlagers einen Querschnitt aufweist, der die Form eines nach oben offenen U hat und unter einem Polring angeordnet ist, der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U hat, das Spulengehäuse des oberen Magnetlagers einen Querschnitt aufweist, der die Form eines nach unten offene« U hat und über einem Polring angeordnet ist, der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat, und die einander gegenüberstehenden Teile der Spulengehäuse und der Polringe mn gegeneinander weisenden Zähnen ausgerüstet sind, daduich gekennzeichnet, daß das Spulengehäuse (JO, Ϊ3) des unteren Magnetlagers (2) axiai gleitend g*. en ein Rückholglied (isatin einem feststehenden Lagergehäuse (15) montiert ist und daß ein axialer induktiver Positionsgeber (16) am unteren Wellenende vorgesehen ist, der die Speisespannung der Ringspule (11, i2) des unteren Magnetlager derart regelt, daß der axiale Lagerluftspalt konstant bleibt.

2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule des induktiven Gebers (z. B. 6) von einer Wechselspannungsquelle (17) gespeist ist und das Ausgangssignal dieses Gebers in eine Schaltung eingeht, in der seriell ein Filterglied (18), ein Phasenkorrekturglied (19) und ein Verstärker angeordnet sind, der zusätzlich von einer Gleichspannungsquelle (21) eine zum Gewicht der gelagerten Welle proportionale Gleichspannung erhält und der direkt die Spule (z. B. 5) des z. B. oberen Magnetlager (1) speist.

3. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetlager derart ausgelegt sind, daß ihr Betriebspunkt weit vom Sättigungspunkt der Magnetisierung entfernt liegt.

4. Magnetische Lagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Lagerung einer Zentrifuge oder Ultrazentrifuge dient, wobei eine Zentrifugentrommel (4) über die Welle (3) gelagert ist.