DE2213447A1

DE2213447A1 - Magnetische lagerung

Info

Publication number: DE2213447A1
Application number: DE19722213447
Authority: DE
Inventors: Karl Boden; Dietrich Dipl Ing Dr Scheffer
Original assignee: GROTH WILHELM PROF DR 5300 BONN
Current assignee: GROTH WILHELM PROF DR 5300 BONN
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1972-03-20
Publication date: 1973-10-04
Also published as: GB1422282A; DE2213447B2; DE2213447C3

Description

P AT E M TA N V/Ä LT E

Dipl.-Ing. EIDENEIER
Dipl.-Chem. Dr. RUFF Dipl.-Ing. J. BEIER

7 STUTTGART 1 Neckarstraße 5O ' Telefon 22 7O51

20. März 1972 - JB/Ya

Anmelder: Karl Boden, Oberteuringen,

Prof. Lr. Wilhelm Groth, Bonn,

Dipl.-Ing. Dr. Dietrich Scheffer, Eriedrichshafen

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Hagnetische Lagerung

(Zusatz zu Patent

(Patentanmeldung P 17 50 602.4))

Das Hauptpatent beschreibt eine magnetische Lagerung eines mit ferromagnetisehen Teilen versehenen -Rotors an einem feststehenden Teil ohne Berührung zwischen diesen, wobei am feststehenden Teil ein Axial-Stabilisierungsmagnet angeordnet ist, der ein Magnetfeld mit einer axialen Komponente erzeugt, wobei in einer ersten Ebene eine erste, elektromagnetisch wirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung vorgesehen ist, die von einem Steuergerät beaufschlagte elektromagnetische Mittel besitzt, die ferromagnetische Teile am Rotor beeinflussende Magnetfelder erzeugen und wobei in einer zweiten Ebene eine zweite Radial-Stabilisierungseinrichtung vorgesehen ist, die unter Verwendung von Magnetfeldern zumindest eine Dämpfung von Schwingungsbewegungen des Rotors bewirkt, wobei der Axial-Stabilisie-

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rungsmagnet ein den Hotor nur in axialer Richtung stabilisierendes Magnetfeld, mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung besitzt und wobei die dieser destabilisierenden Wirkung entgegenwirkende Sadial-Stabilisierungseinrichtung! wenigstens zwei berührungslose Fühler aufweist, die Abweichungen dee Rotors von einer radialen Sollposition messen und in elektrische Pühlersignale umsetzen, die von den gleichstromgespeisten Steuergerät verstärkt und zeitlich in ihrer Phase verschoben als Ausgangssignal an die elektromagnetischen Mittel abgegeben v/erden, deren ■ Magnetfelder im Hotor eine Rückstell-Kraftkomponente zur Zurückstellung aes Sotors aus der abweichenden Posi.tion

in die Sollposition und eine gegenüber der Rückstell-Kraf tkomponente um eine, viertel Schwingung spe*riode vorauseilende phasenverschobene Dämpfungskraftkomponente erzeugen, die durch Kseiselwirkung des Rotors entstehenden Rotorauslenkungen entgegenwirkt und alle Schwingbewegungen des Rotors in radialer Sichtung dämpft.

Die magnetische Lagerung nach dem Hauptpatent zeichnet sich dadurch aus, daß zwar in radialer Sichtung eine aktive Positionsregelung des Rotors vorgesehen ist, daß dies jedoch in axialer Sichtung nicht zwingend notwendig ist. Der Axial-Stabilisierungsmagnet kann nach dem Hauptpatent sov/ohl als Permanentmagnet als auch als Elektromagnet ausgeführt werden. Dabei ist es zwar möglich, durch Änderung der dem Elektromagneten zugeführten Energie die axiale Position des Sotors zu verändern, dies kann jedoch nur zur Erleichterung der Justierung und zur Anpassung an sich ändernde Dauerkräfte helfen. Außerdem ist es natürlich wünschenswert, mit Permanentmagneten als Axial-Stabilisierungsmagneten zu arbeiten, damit die Stabilisierung leistungslos und besonders zuverlässig erfolgen kann.

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Bei den Ausführungsbeispielen des Hauptpateirbes ist der Hotor unter einseitiger Schwerkrafteinwirkung nach oben an dem Axial-Stabilisierungsmagneten aufgehängt wie an einer !feder, deren Federkonstante von der Stärke des Axial-Stabilisierungsmagneten und seinem Zusammenwirken mit dem Rotor abhängt: Eine Dämpfung von Schwingungen erfolgt durch " Wirbelstrom- und

Hysterese-Verluste, da bei einer axialen Bewegung des Eotors im IJeId des Axial-Stabilisierungsmagneten und der liadiallager .metallische Teile . der Ummagnetisierung ausgesetzt sind "und somit-Energie umsetzen. Diese axiale Stabilisierung reicht für alle Anwendungsfälle aus, bei denen eine axiale Position nicht übermäßig genau eingehalten werden muß und die Krafteinwirkungen in axialer Sichtung nicht zu sehr wechseln·.

Es sind magnetische Lagerungen bekannt, bei dene'n die axiale Position des Eotors aktiv geregelt wir.d- Dort sind jedoch Magnete an wenigstens einer Stirnfläche des Eotors angeordnet, die sowohl die generelle Axial-Stabilisierung des Lagers übernehmen als auch die Positionierung. In diesen Elektromagneten muß also mit sehr großen·geregelten Strömen gearbeitet werden. Beim Ausfall-oder Fehlfunktion des Axiallagers fällt die Gesamtlagerung aus, und der Rotor geht in den meisten -Fällen zu Bruch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine magnetische Lagerung, der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die eine genaue axiale Positionierung des Rotors ermöglicht, ohne den Energieaufwand für die Lagerung wesentlich zu erhöhen und die genereile iunktionsfähigkeit des Lagers durch die Axial-Positionierung zu gefährden.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zusätzlich zura im wesentlichen als Permanentmagnet . ausgeführten Axiai-Stabilisierungsmagneten wenigstens ein aktiv über Fühler und ein elektronisches Hegelgerät geregeltes, elektromagnetisches Axial-Regelelement angeordnet ist.

Die eigentlichen axialen Tragkräfte und die axiale Stabilisierung des Rotors werden also leistungslos durch den permanentmagnet i sehen Axial-Stabilisierungsmagneten aufgebracht. Lediglich Abweichungen von der Sollage einschließlich stärkerer Schwingungen werden von dem zusätzlichen Axial-Eegelelement rückgestellt bzw. unterdrückt. Bei Ausfall oder einer Fehlfunktion des Axial-Eegelelementes oder seines zugeordriet-en Regelgerätes fällt zwar die genaue axiale Positionierung aus, aber die Lagerung an sich bleibt funktionsfähig, und der Rotor "fällt nicht ab". Außerdem braucht das zusätzliche Regelgerät nur geringe Regel-Leistungen aufzubringen und kann dementsprechend mit geringem Aufwand hergestellt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Uhteransprüehen und der Beschreibung im"Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor und seine magnetische Lagerung und

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Fig. 2· einen schematischen Längssclmitt · . .

durch ein Detail e.iner geänderten Ausführungsform.

Sin Kotor 11 in Form eines HohlZylinders aus ferromagnetischem Material, beispielsweise Stahl, ist im Inneren eines ihn umgebenden Stators oder feststehenden ^rüeils 12 berührungslos magnetisch -gelagert.^ Diese Lagerung kann mit der im Hauptpatent beschriebenen Lagerung im wesentlichen übereinstimmen. Sie besitzt einen Axial-Stabilisierungsmagneten 13", der als ein aus permanentmagnetischem Material bestehender Ringmagnet ausgebildet ist, der den Rotor in seinem oberen Bereich umfaßt und axial magnetisiert ist. Sein Magnetfeld durchsetzt den Rotor und wirkt dabei derart mit der oberen Stirnfläche 1A- des Rotors mit vertikaler Drehachse zusammen, daß der Rotor in axialer Richtung stabil getragen wird. Außer seiner (bei gleichbleibenden Kräften) axial stabilen Tragwirkung hat jedoch der Axial-Stabilisierungsmagnet 13 eine in radialer Richtung destabilisierende Wirkung. Eine Auslenkung aus der magnetisch zentrischen Lage im Inneren des Ringmagneten, in der sich der Rotor radial in indifferentem Gleichgewicht befindet, führt zu einer Vergrößerung der Anziehungskraft in Richtung der Auslenkung. Um diese destabilisierende Wirkung aufzuheben und auf den Rotor wirkenden anderen Radialkräften oder Schwingungen entgegenzuwirken, sind obere und untere Radial-Stabilisierungseinrichtungen 15» 1-6 vorgesehen. Sie bestehen jeweils aus elektromagnetischen Mitteln 17, 18, einem Steuergerät 19 und Fühlern 20. Die elektromagnetischen Mittel sind so ausgebildet, daß sie zwei translatorische horizontale Freiheitsgrade begrenzen. Dazu sind vorzugsweise je vier BeeinflussungsmÖglichkeiten vorgesehen, die

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beispielsweise durch, vier jeweils um 90° gegeneinander versetzten Elektromagnetspulen, die jeweils eine Anziehungs-

p*Gt)il_döt sind, kraft auf den Hotor ausüben können,./Vorzugsweise bestehen jedoch die elektromagnetischen Mittel 17, 18 aus den Rotor umgebenden (bzw. in ihm angeordneten) elektromagnetischen Wicklungen in Form eines Drehfeldstators,

die es bei geringer Baugröße

ermöglichen, ein sehr homogenes Magnetfeld mit geringen Ummagnetisierungsverlusten zu schaffen. Den jeweils vier Beeinflussungsmöglichkeiten sind je vier Fühler 20 zugeordnet, die beliebige berührungslose Wegaufnehmer sein können, z. B. kapazitive, induktive oder lichtelektrische Sensoren. Auch galvanomagnetische Bauelemente sind dafür brauchbar.

Die Fühler 20 geben ihre den Abweichungen des Rotors 11 von der Sollposition entsprechenden 'Fühlersignale an das Steuergerät 19, das mit Gleichstrom betrieben ist und die Fühlersignale verstärkt und seitlich in ihrer Phase vorauseilend verschoben'als Ausgangssignal an die elektromagnetischen Mittel abgibt. Das Ausgangssignal'ist ein entsprechend den Fühlersignalen geregeltes Gleichstromsignal, ist also nicht von einer Trägerfrequenz' überlagert..

Als Folge der Ausgangssignale des Steuergerätes 19 wird in den elektromagnetischen Mitteln ein Magnetfeld erzeugt, dessen Auswirkungen auf den ferromagnetischen Rotor in zwei Kraftkomponenten zerlegt werden können, und zwar eine mit den Fühlersignalen phasengleiche Rückstell-Kraftkomponente. zur Zurückstellung des Rotors aus einer abweichenden Position in die Sc'..!position und eine gegenüber der Rückstell-Kraftkomponente bzw. den Fühlersignalen um eine Viertel Schvviiigungsperioas vorauseilend phasenverschobene Dämpfungs-Kraftkomponente, die durch Kreiswirkung des. Rotors entstehenden Rotorauslenkungen entgegenwirkt und vor allem zur

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D~- οrung aller radialen.Schwingbewegungen auf den Rotor einwirkt.

Die am Stator 12 befestigten oberen und unteren elektromagnetischen Mittel 17, 18, sowie die Fühleranordnung und die Steuergeräte können für das obere und untere Lager 15»" 16 im wesentlichen gleich sein. Zur Zeichnung sei bemerkt, daß zur Vereinfachung Luftspalte u. dgl. übertrieben dargestellt sind, obwohl die beschriebene magnetische Lagerung im Vergleich zum Bekannten erheblich größere Luftspalte ermöglicht.

Unmittelbar axial nach oben angrenzend an dem Axial-.Stabilisierung smagne ten 15 ist ein Axial-Regelelement 21 angeordnet. Dieses besitzt einen am Stator' befestigten ferromagnetischen Teil 22, der die Form eines Ringes mit nach innen offenem, U-förmigen Querschnitt hat. Inder Ausnehmung des TJ ist eine ringförmige Elektromagnetwicklung 25 angeordnet. Das ferromagnetische Teil 22 hat relativ große Querschnitte, damit es auch von dem Magnetfeld des Tragmagneten 13 teilweise durchflossen werden kann und in ihm dabei keine Sättigungserscheinigungen auftreten. Das Axial-Regelelement bildet also e'ine mit ferromagnetischen Teilen versehene Scheibenspule, die ein axial gerichtetes Magnetfeld zu erzeugen im Stande ist.

Zusammenwirkend mit der oberen Stirnfläche 14 des Rotors 11 ist ein Fühler 24 in beliebiger Weise am Stator angeordnet. Dieser Fühler 24, der in seiner Ausbildung den Fühlern 20 entsprechen kann, mißt Abweichungen des Rotors von einer bestimmten axialen Position und setzt diese in Fühlersignale · um, die einem Regelgerät 25 zugeführt werden. Dieses vorzugsweise ebenfalls gleichstromgespeiste Steuergerät besitztin jedem Falle einen Verstärker, vorzugsweise jedoch auch

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einen Phasenschieber, damit nicht nur Rückstellkräfte, sondern auch Schwingungs-Dämpfungskräfte aufgebracht werden können. Das Hegelgerät 25 kann also mit den St'euergeräten 19 identisch aufgebaut sein. Die der Wicklung 23 zugeführten, Ausgangssignale des Hegelgerätes 25 erzeugen in dem Axial -Regelelement 21 ein axiales Magnetfeld, das das ebenfalls axial gerichtete Tragmagnetfeld des Axial-Stabilisierungsmagneten 13 überlagert und dieses zumindest im oberen Bereich stärkt oder schwächt. Das Magnetfeld wird sozusagen "angehoben" oder "gedrückt". Dabei ist Jedoch zu beachten, daß der von den-Feldlinien des Magnetfeldes des Axial-Regelelementes 21 gebildete magnetische Kreis nur teilweise parallel mit dem magnetischen Kreis des Axial-Stabilisierungsmagneten 13 verläuft.. Der magnetische Kreis .des Axial-Regelelementes.21 ist viel mehr, bis auf die._t -Luft spalte zum Rotor, durch ferromagnetische Teile geschlossen, so daß der magnetische Widerstand in diesem yKreis sehr gering ist und man mit geringer Regelenergie auskommt. In einem anderen Fall, insbesondere, wenn die Feldlinien das permanentmagnetische Material durchfließen müssen, würde dieses mit seinem außerordentlich großen Widerstand (wegen außerordentlich geringer Permeabilität) das Regelmaghetfeld schwächen.· Das Material des ferromagnetisehen Teils 22 hat dagegen eine um nahezu tausendfach größere Permeabilität und setzt dementsprechend dem magnetischen Feld sehr geringen Widerstand entgegen. Außerdem wird dadurch vermieden, daß die anderenfalls den Permanentmagneten durchfließenden Magnetfelder des Axial-Regelelementes in ungünstigen' Fällen eine Entmagnetisierung des Axial-Stabilisierungsmagneten herbeiführen.

Im Luftspalt 26 zwischen den Elementen 13 und 21 und dem Rotor 11 überlagern sich dagegen das Regelmagnetfela una aas Permanentmagnetfeld. Das Magnetfeld des

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Axial-Stabilisierungsmagneten 13 bildet gleichzeitig eine Vormagnetisierung für das Axial-Hegelelement, wodurch erhebliche Energieeinsparungen möglich sind. Bekanntlich ist die mit einem Magnetfeld auf ein ferromagnetisch.es Teil auszuübende Kraft vom Quadrat der magnetischen Induktion abhängig. Eine Addition bzw. Subtraktion des Regelmagnetfeldes zum bzw. vom Permanentmagnetfeld schafft daher erheblich größere Kraftdifferenzen, d.h. Regelkräfte, als dies ohne Vormagnetisierung möglich wäre. Dies, wird dadurch erreicht, daß das Axial-Regelelement einen magnetischen Kreis besitzt, der zwar teilweise mit dem magnetischen Kreis des Axial-Stabilisierungsmagneten übereinstimmt bzw. zu diesem parallel verläuft, jedoch im übrigen auf einer eigenen in sehr starkem Maße ferromagnetische Teile hoher Permeabilität enthaltenden Bahn verläuft. Die zusammenwirkenden Magnetfelder des Axial-Stabilisierungsmagneten und des Axial-Regelementes heben also in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Regelgerätes 2ξ> und -damit von den Fühlersignalen des Fühlers 24 den Rotor an, senken ihn ab oder dämpfen" dessen Schwingungen in axialer Richtung. Es sei nur der Vollständigkeit halber bemerkt, daß eine derartige axiale Steuerung auch^bei anderer als vertikaler Lage des Rotors möglich ist. Dort müßte dafür gesorgt werden, daß auch eine Rückstellkraft vorhanden ist, die ausreichend groß ist', um die bei vertikaler Lagerung auf den Rotor einwirkende Schwerkraft zu ersetzen oder zu verstärken. Diese Kraft könnte durch einen zweiten Axial-Stabili— sierungsmagneten aufgebracht werden, der beispielsweise am anderen Rotorende angebracht ist. Dort könnte dann auch ein zweites Axial-Regelelement angeordnet sein,- das jedoch von dem gleichen Steuergerät 25 seine Ausgangssignale erhalten könnte. Die Anordnung eines zweiten Axial-Regelelementes am unteren Rotorende könnte sich auch bei Lagerungen mit vertikaler Rotorachse (die be demagnetise hen Lagerungen aus ■

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grundsätzlichen Erwägungen stets vorzuziehen sind) empfehlen, wenn die durch die Regelkräfte.aufgebrachten Beschleunigungen größer sein sollen als die Erdbeschleunigung^oder nach oben gerichtete axiale Kräfte auftreten, die in der Größenordnung des Rotorgewichts liegen oder dieses übersteigen. ■ ₅ '

In Pig. 2 ist die Lagerung am oberen Rotorende dargestellt, wo sich auf dem Axial-Stabilisierungsmagneten 13 ein elektromagnetisches Mittel 17'' der oberen Radial-Stabilisierungseinrichtung 15' befindet. Das elektromagnetische Mittel I?¹¹ ist als Drehfeldstator ausgebildet und so angeordnet, daß es von dem Magnetfeld des Axial-Stabilisierungsmagneten 13 eine Vormagnetisierung erhält. Die vier Wicklungen des Drehfeldstators werden mit einem Vorstrom beaufschlagt, dessen Größe von dem Axial-Regelgerät 25 in Abhängigkeit von den Fühlersignalen 24 bestimmt wird. Diesen allen vier Wicklungen gleichmäßig zugeführten Impulse werden, auf die einzelnen Wicklungen aufgeteilt, die von den radialen Abweichungen abhängigen Ausgangssignale des Steuergerätes 19 überlagert. Hier wird unter Beibehaltung der Vorteile der permanentmagnetischen Vormagnetisierung ein gemeinsames axial und radial stabilisierendes Magnetfeld erzeugt, wobei als weitere Vereinfachung die ohnehin erforderlichen elektromagnetischen Mittel zur Radial-Stabilisierung ohne jeglichen Mehraufwand zur aktiven Axial-Stabilisierung herangezogen werden. Bei entsprechender Schaltung könnte auch bei einem Ausfall des Regelgerätes 25 das Radiallager weiter funktionsfähig bleiben.

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Im übrigen sind bei Fig. 2 die gleichen Bauteile verwendet worden, die auch die gleichen Bezugszeichen · tragen.

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* ORIGINAL INSPECTED

Claims

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Ansprüche

Magnetische Lagerung eines mit ferromagnetisehen Teilen versehenen Rotors an einem feststehenden Teil ohne Berührung zwischen diesen, wobei am feststehenden Teil ein Axial-Stabilisierungsmagnet angeordnet ist, der ein Magnetfeld mit einer axialen Komponente erzeugt, wobei in einer ersten Ebene eine erste, elektromagnetisch wirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung vorgesehen ist, die von einem Steuergerät beaufschlagte elektromagnetische Mittel besitzt, die ferromagnetische Teile am Rotor beeinflussende Magnetfelder erzeugen und wobei in einer zweiten Ebene eine zweite Radial-Stabilisierungseinrichtung vorgesehen ist, die unter Verwendung von Magnetfeldern zumindest eine Dämpfung von Schwingungsbewegungen des Rotors .bewirkt, wobei der Axial-Stabilisierungsmagnet ein den Rotor nur in axialer Richtung stabilisierendes Magnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung besitzt und wobei die dieser destabilisierenden Wirkung entgegenwirkende Radial-Stabilisierungseinrichtung wenigstens zwei berührungslose Fühler aufweist, die Abweichungen des Rotors von einer radialen Sollposition messen und in elektrische Fühlersignale umsetzen, die von dem gleichstromgespeisten Steuergerät verstärkt und zeitlich in ihrer Phase verschoben als Ausgangssignal an die elektromagnetischen Mittel abgegeben werden, deren Magnetfelder im 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 phasenverschobene Dämpfungsr

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Kraftkomponente erzeugen, die durch Kreiselwirkung des Rotors entstehenden Rotorauslenkungen entgegenwirkt und alle Schwingbexfegungen des Rotors in radialer Richtung dämpft, nach Patent . ...... (Patentanmeldung P 17 50 602.4), dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum im wesentlichen als Permanentmagnet ausgeführten AxIal-Stabilisierungsmagneten (13)'wenigstens ein aktiv über Sühler (24) und ein ■ elektronisches Regelgerät (25) geregeltes, elektromagnetisches Axial-Regelelement (21) angeordnet ist.
2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Axial-Regelelement (21) zur Beeinflussung des Magnetfeldes des Axial-Stabilisierungsmagneten (I3) im Luftspalt (26) zum Rotor (11) angeordnet ist.
3· Magnetische Lagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Axial-Regelelement (21) einen nur teilweise mit dem magnetischen Kreis des Axial-Stabilisierungsmagneten (13) überstimmenden eigenen magnetischen Kreis besitzt.
4. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Axial-Regelelement (21) von wenigstens einer Radial-Stabilisierüngseinrichtung (17¹¹) gebildet ist.

5· Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Axial-Regelelement (21) den Rotor ringförmig umgebend ohne mechanische Behinderung seiner axialen Bewegbarkeit ausgebildet ist.

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