DE2213447C3 - Magnetische Lagerung - Google Patents

Description

Das Hauptpatent betrifft eine magnetische Lagerung nach dem Hauptpatent und dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Die magnetische Lagerung nach dem Hauptpatent zeichnet sich dadurch aus, daß zwar in radialer Richtung eine aktive Positionsregelung des Rotors vorgesehen ist, daß dies jedoch 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 arbeiten, damit die Stabilisierung leistungslos und 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 Federkonstante von der Stärke des Axial-Stabilisierungsmagneten und seinein Zusammenwirken mit dem Rotor abhängt. Eine Dämpfung von Schwingungen erfolgt durch Wirbelstrom- und Hysterese-Verluste, da bei einer axialen

to Bewegung des Rotors irn 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.

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

JO eine Axiallagenregelung des Rotors zu ermöglichen, die Rückwirkungen auf dessen RadiaHagenregeliing automatisch ausgleicht

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das Kennzeichen des 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 Axialregelum» erhöhten destabi-

lisierenden 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-Verstelleinrichtung fällt zwar die genaue 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

b5 Lagerung kann mit der im Hauptpatent beschriebenen Lagerung im wesentlichen übereinstimmen. Sie besitzt einen Axial-Stabilisierungsmagneten 13, der als ein aus permanentmagnetischem Material bestehender Ring-

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. Um 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 19 und Fühlern 20. Die Elektromagnete sind so ausgebildet, daß sie zwei translatarische horizontale Freiheitsgrade begrenzen. Dazu sind vorzugsweise je vier Beeinflussungstaöglichkeiten vorgesehen, die beispielsweise durch vier jeweils um 90° gegeneinander versetzten Elektromagnetspmlen, die jeweils eine Anziehungskraft auf den Rotor ausüben können, gebildet sind. Vorzugsweise bestehen jedoch die Elektromagnete 17 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 Ummagnetisierungsveriusten 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 Elektromagnete abgibt. Das Ausgangssignal ist ein entsprechend den Fühlersignalen geregeltes Gleichstromsignal, ist also nicht von einer Trägerfrequsnz 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. dan 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

Die am Stator 12 auf dem Axiäl-Stäbilisiefungsmagneten 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 Bekannten erheblich größere Luftspalte ermöglicht. Die Elektromagnete 17 sind so angeordnet, daß sie von dem Magnetfeld des Axial-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

ίο 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 Elektromagnet 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 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.

Im Luftspalt 26 zum Rotor 11 überlagern sich also die Regelmagnetfelder und das Permanentmagnetfeki. 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 ferromagneiisches 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 übereinstiirmt 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 Jss Regelgerätes 25 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-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 einer zweiten Axialverstelleinrichtung am unteren Rotorende könnte sich auch bei Lagerungen mit vertikaler Rotorachse 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

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 Soü position 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 abweicheriden Position in die Sollposition und eine gegenüber der Rückstell-K raft komponente um eine viertel Schwingungsperiode vorauseilende Dämpfungs-Kraftkomponente erzeugen, die den durch Kxeiselwirkung des Rotors entstehenden Rotorauslenkungen entgegenwirkt und alle Schwingbewegyngen iks Rotors in radialer Richtung dämpft, wobei räch Patent 17 50 602 dem im wesentlichen als Permanentir gnet ausgeführten Axial-Stabilisierungsmagneten wenigstens eine elektromagnetische Axialverstelleinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Axial-Verstelleinrichtung 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 Magnetfcldstärke zur Regelung der axialen Rotorlage erzeugt wird.