DE2153180A1 - Magnetische lagerung, insbesondere freischwebende aufhaengung fuer einen axial gestreckten rotor mit vertikaler drehachse - Google Patents

Description

DORNIER AG
Friedrichshafen

Reg. 2315

Magnetische Lagerung, insbesondere freischwebende Aufhängung fUr einen axial gestreckten Rotor mit vertikaler Drehachse

(Zusatz zu Patentanmeldung P 21 39 614.5)

Das Hauptpatent betrifft eine berührungslose magnetische Lagerung eines axial gestreckten Rotors mit im wesentlichen senkrechter Drehachse, bei d»r der Rotor unter einem geregelten Elektromagneten freischwebend aufgehängt ist, die Querlagerung durch ein hydraulisch gedämpftes Permanentmagnetsystem erreicht wird und ein zusätzliches elektromagnetisches Dämpfersystem zur Dämpfung der hochfrequenten Eigenschwingungsformen eingesetzt ist.

Ein solcher axial gestreckter Rotor weist eine Längserstreckung in Drehachsenrichtung auf, die größer ist als seine radialen Abmessungen, wie es z. B. bei Gas-Ultra-Zentrifugen der Fall ist. FUr die freischwebende magnetische Aufhängung eines solchen Rotors muß dieser ganz oder teilweise aus ferromagnetische!! Material bestehen. Bei der Ausbildung nach dem Hauptpatent ist als Tragmagnet für die vertikale Aufhängung des Rotors ein Elektromagnet vorgesehen, wobei durch ein elektrisches Regelsystem der Abstand zwischen Tragmagnet und Rotor auf konstante« Wert gehalten wird.

Eine derartige geregelte Lagerung wird kurz als aktive Lagerung bezeichnet, im Gegensatz zur sogenannten passiven Lagerung, bei der keine Regelung erfolgt·

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Nach einem Merkmal des Hauptpatentes ist der für die vertikale Aufhängung des Rotors gegenüber dem ortsfesten Tragmagnetsystea angeordnete ferromagnetische Tragkörper des Rotors als Kalotte ausgebildet. Ib Ausfuhrungsbeispiel des Hauptpatentes ist für die Querlagerung des Rotors ein an sich bekanntes öihydraulisches Peraanent-Mognetsy— stern eingesetzt, der Rotor in der Querrichtung also passiv gelagert· Außerdem ist ein elektromagnetisches Dämpfersystem zur Dämpfung der

P hochfrequenten Kreiselbewegungen des Rotors vorgesehen·

In der Praxis sind nun n»u^ Randbedingungen gestellt worden und Erschwernisse aufgetreten. Dies gilt nicht nur für hosogene Rotoren, sondern ganz besonders ftfr den Fall inhomogener Rotoren, die Überkritisch betrieben werden, so daß die Ausbildung nach dem Hauptpatent den erhöhten Anforderungen nicht mehr in allen Fällen genügt. Als inhomogene Rotoren werden solche Rotoren bezeichnet, deren axiale Erstreckung durch biegsame oder gelenkige Zwischenstucke unterteilt ist· Eine solche Unterteilung erfolgt bei Gas-Ultra-Zentrifugen z. B. durch Falten im Rotormantel· Derartige Rotoren werden auch als mehr-

. stückige Rotoren bezeichnet.

Bei axial gestreckten Rotoren und besonders bei den erwähnten mehrstöckigen Rotoren müssen beim Durchfahren der biegekritischen Drehzahlen sehr hohe Querlagerkräfte aufgebracht werden. Das ist bei passiven Lagern ober nicht mehr möglich. Hinzu kommt noch, daß bei passiver Lagerung Teile des Hagnetsystems mit den hohen Drehazhlen im Betrieb mitrotieren und daher festigkeitsmäfiig so stark beansprucht werden, daß aufwendige Armierungen erforderlich sind. Ferner sind Teile des Magnetsystems in ölgefüllte und gekapselte Gehäuseteile eingebettet, um eine Dämpfung zu erzielen· Bei Defekten kann dieses öl austreten,

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was zu unerwünschten Verunreinigungen des Gaskreislaufes in der Ga#- Ultra-Zentrifuge fuhrt. Außerdem ist eine magnetische Querlagerung in nur zwei Lagerebenen gegebenenfalls nicht ausreichend, insbesondere bei den oben genannten Überkritischen Rotoren. Unter Umstunden ist auch die Höhe der Querlagerebenen entlang der Rotorachse von Bedeutung.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, den Gegenstand des Hauptpatentes weiterzubilden und so zu verbessern, daß seine Verwendung auch unter den erschwerten Bedingungen einwandfrei möglich ist und dabei die obengenannten Schwierigkeiten vermieden werden. Das Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch die Kombination der elektrisch geregelten (aktiven) Vertikalaufhängung des Rotors mittels kalottenförmig ausgebildetem Tragkörper von großem Kalottenradius mit einer elektromagnetisch geregelten (aktiven) Lagerung des Rotors in radialer Richtung (Querlagerung) in mindestens zwei Lagerebenen· Diese Kombination und vor allem die Form des Tragkörpers ist für den Gegenstand der Erfindung wesentlich, denn nur auf diese Weise ist eine Entkoppelung zwischen dem TragmagnetsysteM der Vertikalaufhängung und dem Magnetsystem der Querlagerung erreichbar, d. h. es wird durch die Regelvorgänge in vertikaler Richtung keine Kraftkoaponente in der Querlagerrichtung hervorgerufen und umgekehrt bewirken Querbewegungen der Rotorachse keine Störungen in der Vertikallagerrichtung·

Im Gegensatz zur Erfindung wird bei einer bekannten magnetischen Rotorlagerung (P 17 50 602 bzw. P 19 33 031) die Vertikallagerung passiv, d. h. ungeregelt, ausgeführt, wogegen die Querlagerung aktiv erfolgt. Dieses System hat aber durch seine passive Aufhängung beträchtliche Nachteile. Bei der Verwendung von Permanentmagneten fur die Ver-

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tikcllogerung ist es mit vertretbarem Peraanentmognetvolumen nur möglich, begrenzt schwere Rotoren zu tragen. Bei passiver Vertikallagervng ist es grundsätzlich erforderlich, dcß die beiden miteinander zusammenwirkenden Teile des Vertikcllagersystems räumlich ineinender greifen. Durch Verwendung von ungeregelten Elektromagneten anstelle von Permanentmagneten ist es zwar möglich, schwerere Rotoren aufzuhängen, jedoch mUssen auch hier die Teile prinzipiell räumlich ineinander greifen.

^ In jedem Falle ergeben sich bei dieser Ausbildung der Vertikallagerung dezentralisierende. Kräfte fUr die Querlagerrichtung, die um so größer werden, je größer die aufzunehmenden Rotorgewichte sind. Es liegt elso eine sehr starke Verkopplung von Vertikal- und Querlagerrichtung vor· Ohne aktive Querachsenlagerung wUrde der Rotor, d. h. die ineinandergreifenden Teile des Magnetsystems, beim geringsten Ausweichen aus der Soll-Lage sofort gegenseitig, z. B. am inneren Rand des Tragmcgneten zum Anliegen kommen. Es sind also erhebliche Rcdiclkräfte notwendig, um den Rotor in seine Soll-Lage zu zwingen. Für auftretende Störkräfte in Querlagerrichtung müssen zudem Stabilisierungskräfte aufgebrecht werden. Bei dieser passiven Vertikalaufhängung ist zudem kein exckter

ψ vertikaler Arbeitspunkt garantiert. Eine genau definierte Höhenlage des Rotors ist jedoch in trennphysikalischer Hinsicht besonders wichtig. Vertikalschwingungen, die insbesondere bei inhomogenen Rotoren auftreten können, werden gegebenenfalls nicht ausreichend gedämpft. Aus diesem Grunde ist ein axial wirkender Antriebsmotor für einen derartigen Rotortyp ungeeignet.

Die Erfindung erschöpft sich nicht darin, die passive Vertikalaufhängung des hier als nachteilig erkannten Systems lediglich durch

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eine aktive Vertikal-Aufhängung zu ersetzen. Wesentlich ist, daß bei der Erfindung durch die Kombination der aktiven Vertikal-Aufhängung mit ihrem kalottenförmigen Tragkörper in Verbindung mit der aktiven Querlagerung eine vollständige Entkopplung zwischen Vertikal-und Querlagerrichtung erreicht wird. Damit werden sämtliche oben genannten Schwierigkeiten vermieden und es können auch inhomogene, überkritische Rotoren eingesetzt werden. Beim Durchfahren der biegekritischen Drehzahlen können ohne Schwierigkeit die notwendigen Querlagerkräfte aufgebracht werden. öldärapfer in den Lagerungen sind nicht erforderlich, da alle Rotorschwingungen auf elektrischem Wege gedämpft werden können. Es sind keine lagerspezifisch mitbewegten Teile mehr vorhanden.

Die Erfindung bietet für die Lagerung in beiden Richtungen, d. h, Vertikal- und Querrichtung, beträchtliche Vorteile. Zunächst ist in der Vertikalrichtung wahlweise je nach den Erfordernissen eine genaue Vorgabe des Arbeitspunktes möglich, wobei dieser Arbeitspunkt durch die Abstandsregelung konstant gehalten wird. Dies ist besonders wichtig, wenn infolge der hohen Drehzahlen im Betrieb Längenänderungen des Rotors auftreten und ausgeglichen werden müssen. Ferner ist es möglich, während des Hochlaufes und während des Nennbetriebes die Position des Rotors jederzeit bei Bedarf willkürlich oder selbsttätig zu verändern. Auch sehr hohe Rotorgewichte können hierbei ohne Schwierigkeiten aufgenommen werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, jederzeit in den vertikalen Regelkreis einzugreifen und die Dämpfung weitgehend beliebig einstellbar zu machen.

Die Querlagerung selbst kann je nach den Erfordernissen in beliebig vielen Lagerebenen durchgeführt werden, wobei gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung die einzelnen Lagerebenen entsprechend den

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regelungstechnischen Erfordernissen in ihrer Höhenlage entlang der Rotordrehachse angeordnet werden können. Von mehreren Querlagern kann ein Teil, wenigstens aber zwei, zur Quer fuhrung und Quer dämpfung eingesetzt sein, während die Übrigen Querlager nur zur Quer dämpfung herangezogen werden. Die Aufteilung der Aufgabe bzw. Einsatzzwecke fUr die einzelnen Querlager kann dabei mit großer Freizügigkeit ganz nach den jeweiligen Erforder-

^ nissen erfolgen» Dabei ist es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung möglich, die Querlagerung entweder mit diskreten, auf dem Umfang des Rotors verteilt angeordneten Einzelspulen oder auch mit Ringspulen durchzufuhren.

Ein anderes wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die statischen und dynamischen Lagereigenschaften nahezu beliebig einstellbar sind, denn es ist ohne Schwierigkeit möglich, z. B. in den Regelkreis der Querlagerung einzugreifen und dadurch die Dynamik des Querlagers zu verändern. So sind z. B. während des Hochlaufes insbesondere bei Überkritischen Rotoren unter Umständen Änderungen der

. Einspannbedingungen zum Durchfahren der biegekritischen Drehzahlen wünschenswert. Eine solche Änderung der Dynamik kann gegebenenfalls in einfacher Weise stetig oder stufenweise willkürlich oder selbsttätig, beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl, vorgenommen werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß man in der Wahl des elektrischen Antriebsmotors keinen prinzipiellen Beschränkungen hinsichtlich der Bauart unterworfen ist. Der Antriebemotor kann wahlweise axial oder radial auf den Rotor wirken. Die beim Antrieb durch Axialmotor z. B. beim Ein- und Ausschalten auftretenden Störgrößen können durch die aktive Lagerung ausgeregelt werden.

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Anhand der Zeichnungen sei ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung nachstehend erläutert:
Figur 1 zeigt die vereinfachte Darstellung eines magnetisch gelagerten

Rotors im Axialschnitt

Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt zur Fig. 1 in der Lagerebene I nit diskreten Einzelspulen

Figur 3 zeigt eine Abwandlung der Figur 2 durch Verwendung einer Ringspule
Figur 4 zeigt eine Weiterbildung der Figur 1 fUr mehrstöckige Rotoren.

In der Figur 1 ist als Beispiel fUr einen Rotor wie im Hauptpatent eine Gas-Ultra-Zentrifuge dargestellt. In einem feststehenden Gehäuse 1 ist der Rotor 2 angeordnet. Der Rotor wird von einem schematisch angedeuteten Axialmotor 3 angetrieben. Der Antrieb erfolgt Über eine mit dem Rotor 2 fest verbundene Läuferscheibe 4. Dieses Antriebssystem ist an sich bekannt und braucht daher nicht näher beschrieben zu werden. Zur Verminderung der Gasreibung läuft der Zentrifugenrotor im Vakuum. Der evakuierte Raum zwischen Gehäuse 1 und Rotor 2 ist mit bezeichnet.

Der Rotor 2 ist mittels eines Tragkörpers 6 freischwebend unter dem Tragmagnetsystem 7 aufgehängt. Das Tragmagnetsystem 7 ist z. B. als Topfmagnet ausgebildet. Der Abstand zwischen dem Magnetsystem 7 und dem Tragkörper 6 wird durch einen an sich bekannten berUhrungslosen Wegaufnehmer 8 erfaßt und als Istwert dem Regler 9 zugeleitet. Durch ein an den Regler 9 angeschlossenes Eingabeglied 10 kann der jeweils gewünschte Abstand zwischen dem Tragkörper 6 und dem Magnetsystem 7 als Sollwert vorgegeben werden. Der Reglerausgang ist mit dem Spulensystem des Tragmagneten 7 verbunden. Die Ausbildung der Reglerschaltung

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ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird deshalb hier nicht näher beschrieben·

Der dee Tragaagnetsystea 7 gegenüberliegende Tragkörper 6 hat die Form einer Kalotte. Der Radius dieser Kalotte ist so groß gewählt, daß Pendelbewegungen des Rotors 2 gegenüber dem feststehenden Trageagnetsystem 7 praktisch keine Änderung des eingeregelten Abstandes hervorrufen. Dadurch wird eine völlige Entkopplung von Vertikal- und Querlagerung erreicht.

Die Querlagerung des Rotors 2 erfolgt in zwei Lagerebenen I und II. Im Gegensatz ζυ der Ausbildungsform des Hauptpatentes erfolgt die Querlagerung hier aktiv. In der Figur 1 ist der links der Drehachse dargestellte Teil in der Schnittrichtung A-A der Figur 2 angenommen, wogegen der in der Figur 1 rechts der Drehachse liegende Teil als in Richtung der Achse B-B der Figur 2 verlaufend dargestellt ist. In der Querlagerebene I sind die Wegaufnehmer 11a bzw. 11b fUr die beiden Achsrichtungen A und B vorgesehen. Nähere Ausfuhrungen Über die Anordnung der Wegaufnehmer in der Querlagerebene und ihre Verbindung mit dem zugeordneten Regler 12 α bzw. 12b sowie den Magnetspulen 13 werden W weiter unten anhand der Figur 2 bzw. 3 erläutert.

Die Querlagerung in der Lagerebene II erfolgt in entsprechender Weise. Dort sind die Wegaufnehmer mit 21a, 21b, die Regler mit 22a, 22b und die Hagnetspule mit 23 bezeichnet.

In der Figur 2 ist stark vereinfacht der Rotor 2 als Kreis in Querschnitt dargestellt. Die Achten des Querschnittes sind mit A-A bzw. B-B bezeichnet. Die bereits erwähnten Wegaufnehmer für die Achse A-A, nämlich die beiden Wegaufnehmer 11a, sind an ihren zugehörigen

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Regler 12α angeschlossen· Entsprechend fuhren vom Regler 12a auch die Anschlüsse zu den dieser Achse zugeordneten Magnetspulenpaar 13a. Analog ist die Anordnung des Wegaufnehmerpaares 13b mit dem zugehörigen Regler 12b fUr die Achse B-B ausgeführt. Auf Einzelheiten des Querachsenreglers braucht hier nicht näher eingegangen zu werden. Im vorliegenden Beispiel sind zwei diskrete Spulenpaare 13a bzw. 13b um 90 Grad am Rotorumfang gegeneinander versetzt angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern es können durchaus andere Spulenkombinationen und Anordnungen eingesetzt werden.

Die Figur 3 zeigt stark vereinfacht wiederum fUr eine Lagerebene - z. B. Lagerebene I - die Verwendung einer Ringspule 13 an Stelle der diskreten Einzelspulen gemäß Figur 2. Da die Anordnung der Wegaufnehmer und Regler völlig der Figur 2 entspricht, sind sie hier nur scheeatisch durch einen Regler 12 angedeutet.

Die Figur 4 zeigt einen mehrstöckigen Rotor 2, der z. B. durch Faltenbälge 2* in seiner Längsrichtung unterteilt ist. An diesem Beispiel soll gezeigt werden, daß eine Querlagerung injnehr als zwei Querlagerebenen möglich ist. Es sind hier die Lagerebene I, II, III, IV angedeutet. Selbstverständlich können noch mehr Lagerebenen erforderlich werden, wenn - wie durch die Bruchlinien im Rotor 2 angedeutet ist noch weitere Rotorglieder eingefügt werden. Der Einfachheit halber sind in den einzelnen Querlagerebenen lediglich die zugehörigen Spulen 13, 23, 33 und 43 angedeutet. Die Regeleinrichtungen für die Spulen und ihre Anordnung sind entsprechend der Figuren 1 bis 3 zu wählen. Sie sind hier der Einfachheit halber weggelassen« Ebenso ist

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hier nicht angezeigt, welche der Lagerebenen für die Querführung und Querdämpfung und welche der Lagerebenen nur fUr die Querdömpfung vorgesehen sind· Über die exakte Lage der Ringspulen in Höhe des Rotors bzw. entlang der Rotordrehachse macht die Figur 4 keine Aussage. Die Anordnung kann ganz nach den jeweiligen Erfordernissen erfolgen.

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Bau/ro

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Claims (1)

1. Reg. 2315

   PotentonsprUche;

   Magnetische Lagerung, insbesondere frei schwebende Aufhängung für einen axial gestreckten, aus ferromagnetischein Material bestehenden oder nit ferromagneti sehen Teilen versehenen Rotor mit im wesentlichen vertikal angeordneter Drehachse, wobei der Abstand zwischen den Rotor und den fragmagnet mittels eines elektrischen Regelsystemen auf einen konstanten Wert gehalten wird und der für die vertikale Aufhängung des Rotors gegenüber den Magnetsystem angeordnete Trag» körper als Kalotte ausgebildet ist (nach Patent P 21 39 614.5), gekennzeichnet durch die Kombination der elektrisch geregelten (aktiven) Vertikalaufhängung (7, 8, 9) des Rotors (2) mittels kalottenförmig ausgebildetem Tragkörper (6) von großem Kalottenradius mit einer elektromagnetisch geregelten (aktiven) Lagerung (11, 12, bzw. 21, 22, 23 in Fig. 1) des Rotors in radialer Richtung (Querlagerung) in mindestens zwei Lagerebenen (I bzw. II).

   2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Verwendung für beliebig mehrstöckige Rotoren.

   3. Nagnetische Lagerung noch Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch mehrfache Querlagerung von Rotoren (2) in entlang der Rotordrehachse angeordneten Lagerebenen (I, II, III, IV in Fig. 4).

   4. Magnetische Lagerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Querlager, mindestens aber zwei, zur Querführung und Querdämpfung,die übrigen Lager nur zur Querdämpfung eingesetzt sind.

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   5. Magnetischelagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Verwendung diskreter. Über den Rotorurafang verteilt angeordneter Einzelspulen (13a, 13b in Fig» 2) in den Querlagerebenen.

   6. Magnetische Lagerung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Paare (13a und 13b in Fig· 2) einander gegenüberliegender und paarweise um 90 Grad versetzt angeordneter Einzelspulen.

   7. Magnetische Lagerung nach einen der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Verwendung von Ringspulen (13 in Fig. 3) in den Querlage rebenen·

   8. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannbedingungen (Lagerparaoieter) der Querlager willkürlich oder selbsttätig veränderbar sind.

   9. Magnetische Lagerung nach einen der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerparameter des Vertikallagers willkürlich oder selbsttätig veränderbar sind.

   14. 10. 1971
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