DE2213447B2 - Magnetische Lagerang - Google Patents
Magnetische LagerangInfo
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- F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
- F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
- F16F15/03—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means
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- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D3/00—Control of position or direction
- G05D3/12—Control of position or direction using feedback
- G05D3/14—Control of position or direction using feedback using an analogue comparing device
Description
Das Hauptpatent betrifft eine magnetische Lagerung nach dem Hauptpatent und dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Die magnetische Lagerung nach dem Hauptpatent zeichnet sich dadurch aus, daß zwar in radialer Richtung
eine aktive Positionsregelung des Rotors vorgesehen ist, daß dies jedocii in axialer Richtung nicht zwingend
notwendig ist. Der Axial-Stabilisierungsmagnet kann nach dem Hauptpatent sowohl als Permanentmagnet
als auch als Elektromagnet ausgeführt werden. Dabei ist es möglich, die Axiallage des Rotors durch einen aktiv
magnetisierbaren Elektromagneten einzustellen, 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 besonders zuverlässig erfolgen kann.
Bei den Ausführungsbeispielen des Hauptpatentes ist der Rotor unter einseitiger Schwerkrafteinwirkung
nach oben an dem Axial-Stabilisierungsmagneten aufgehängt wie an einer Feder, deren Federkonstarvte
von der Stärke des Axial-Stabilisierungsmagneien und
seinem Zusammenwirken mit dem Rotor abhängt Eine Dämpfung von Schwingungen erfolgt durch Wirbelstrom-
und Hysterese-Verluste, da bei einer axialen
ίο Bewegung des Rotors im Feld des Axial-Stabilisierungsmagneten
und der Radiallager 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 Richtung nicht zu sehr
wechseln.
Es sind magnetische Lagerungen bekannt, bei denen die axiale Position des Rotors aktiv geregelt wird. Dort
sind jedoch Magnete an wenigstens einer Stirnfläche des Rotors 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.
2-5 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, bei einer magnetischen Lagerung der eingangs erwähnten Art
eine Axiallagenregelung des Rotors zu ermöglichen, die Rückwirkungen auf dessen Radiallagenregelung automatisch
ausgleicht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das Kennzeichendes Anspruchs 1 gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, daß die Erhöhung der Magnetisierung zur axialen Lagerregelung
des Rotors zugleich auch die radialen Stellkräfte erhöht. Dadurch wird der Einfluß der infolge der
Verstärkung durch die Axialregelung erhöhten destabilisierenden Kräfte des Axialstabilisierungsmagneten
ausgeglichen.
Die eigentlichen axialen Tragkräfte und die axiale Stabilisierung des Rotors werden also leistungslos durch
den permanentmagnetischen Axial-Stabilisierungsmagneten
aufgebracht. Lediglich Abweichungen von der Sollage einschließlich stärkerer Schwingungen werden
von der zusätzlichen Axialverstelleinrichtung rückgestellt bzw. unterdrückt. Bei Ausfall oder einer Fehlfunktion
der Axial-Versielleinrichtung fällt zwar die genaue
so axiale Positionierung aus, aber die Lagerung an sich bleibt funktionsfähig, und der Rotor »fällt nicht ab«.
Außerdem braucht die Axialverstelleinrichtung nur geringe Regel-Leistungen aufzubringen und kann
dementsprechend mit geringem Aufwand hergestellt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
erläutert.
Die Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor und seine magnetische Lagerung.
Ein Rotor 11 in Form eines Hohlzylinders aus ferromagnetischem Material, beispielsweise Stahl, ist im
Inneren eines ihn umgebenden Stators oder feststehenden Teils 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
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dis Stsbiüsicrun** !sistun^slos und ncrmHnsntmäornst!schsrri Material
magnet 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 14 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. Urn diese destabilisierende Wirkung
aufzuheben und auf den Rotor wirkenden anderen Radialkräften oder Schwingungen entgegenzuwirken,
sind obere (und nicht dargestellte untere) Radial-Stabilisierungseinrichtungen 15 vorgesehen. Sie bestehen aus
Elektromagneten 17, einem Steuergerät 1!* und Fühlern 20. Die Elektromagnete sind so ausgebildet, daß sie zwei
translatorische horizontale Freiheitsgrade begrenzen. Dazu sind vorzugsweise je vier Beeinflussungsmöglichkeiten
vorgesehen, die beispielsweise durch vier jeweils um 90° gegeneinander versetzten Elektromagnetspulen,
die jeweils eine Anziehungskraft auf den Rotor ausüben können, gebildet sind. Vorzugsweise bestehen jedoch
die Elektromagnete 17 aus den Rotor umg-'benden (bzw. in ihm angeordneten) elektromagnetischen
Wicklungen in Form eines Drehfeldstators, die es bei geringer Baugröße ermöglichen, ein sehr homogenes jo
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. j5
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 Elektromagnete 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 Elektromagneten 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 Sollposition und eine gegenüber der Rückstell-Kraftkomponente
bzw. den Fühlersignalen um eine Viertel Schwingungsperiode vorauseilend phasenverschobene
Dämpfungs-Kraftkomponente, die durch Kreiselwirkung des Rotors entstehenden Rotorauslenkungen
entgegenwirkt und vor allem zur Dämpfung aller radialen Schwingbewegungen auf den Rotor einwirkt. e>o
Die am Stator 12 auf dem Axial-Stabilisierungsmagneten befestigten Elektromagnete 17 sowie die
Fühleranordnung und die Steuergeräte können für das obere und untere Lager 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
ννιτνι ■ a ■ few** Wl IIVWIIVII fo* ^*i^ Wi W L^U I VfUUIl
Elektromagnete 17 sind so angeordnet, daß sie von dem
Magnetfeld des Ajcial-Stabilisierungsmagneten eine
Vormagnetisierung erhalten.
Unmittelbar axial nach oben angrenzend an den Axial-Stabilisierungsmagneten 13 ist eine Axialverstelleinrichtung
21 angeordnet
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 besitzt in jedem Falle
einen Verstärker, vorzugsweise jedoch auch einen Phasenschieber, damit nicht nur Rückstellkräfte, sondern
auch Schwingungs-Dämpfungskräfte aufgebracht werden können. Das Regelgerät 25 kann also mit den
Steuergeräten 19 identisch aufgebaut sein. Die ebenfalls den Wicklungen der Elektromagnete 17 zugeführten
Ausgangssignale des Regelgerätes 25 erzeugen 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«.
Die vier Wicklungen des Drehfeldstators werden mit einem Vorstrom beaufschlagt, dessen Größe von dem
Axial-Regelgerät 25 in Abnängigkeit 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.
Im Luftspalt 26 zum Rotor 11 überlagern sich also die
Regelmagnetfelder und das Permanentmagnetfeld. Das Magnetfeld des Axial-Stabilisierungsmagneten 13 bildet
gleichzeitig eine Vormagnetisierung für die Elektromagnete 17, wodurch erhebliche Energieeinsparungen
möglich sind. Bekanntlich ist die mit einem Magnetfeld auf ein ferromagnetisches 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 Elektromagnete 17 einen
magnetischen Kreis besitzen, 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 der Elektromagnete heben also in Abhängigkeit von
dem Ausgangssignal des Regelgerätes 25 und damit von den Fühlersignalen des Fühlers 24 den Rotor an, senken
ihn ab oder dämpfen dessen Schwingungen in axialer
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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-Stabilisierungsmagneten
aufgebracht werden, der beispielsweise am anderen Rotorende angebracht ist. Dort könnte dann
auch eine zweite Axialverstelleinrichtung angeordnet sein, das jedoch von dem gleichen Steuergerät 25 seine
Ausgangssignale erhalten könnte. Die Anordnung eine: zweiten Axialverstelleinrichtung am unteren Rotorende
könnte sich auch bei Lagerungen mit vertikalei Rotorachse empfehlen, wenn die durch die Regelkräfte
aufgebrachten Beschleunigungen größer sein sollen al; die Erdbeschleunigung, oder nach oben gerichtete axiale
Kräfte auftreten, die in der Größenordnung de; Rotorgewichts liegen oder dieses übersteigen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Magnetische Lagerung eines mit ferromagnetischen 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 von einem Steuergerät beaufschlagte Elektromagnete besitzt, die ferromagnetische Teile am Rotor beeinflussende Magnetfelder erzeugen, wobei der Axial-Stabilisierungsmagnet ein den Rotor nur in axialer Richtung stabilisierendes Magnetfeld mit destabilisierender Wirkung in radialer Richtung besitzt und 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 Schwingbewegungeti des Rotors in radialer Richtung dämpft, wobei nach Patent 17 50 602 dem im wesentlichen als Permanentmagnet ausgeführten Axial-Stabilisierungsmagneten wenigstens eine elektromagnetische Axialverstelleinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Axial-Verstelleinnchtung aktiv geregelt ist und einen Fühler (24) für die Ermittlung der axialen Lage des Rotors aufweist, und die Fühlersignale einem Regelgerät (25) zugeführt werden, das die Elektromagnete der Radialstabilisierungseinrichtung (17) so beaufschlagt, daß eine über den Umfang des Rotors gleichmäßige Veränderung der Magnetfeldstärke zur Regelung der axialen Rotorlage erzeugt wird.
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