DE2253036C3 - Stabilisierungseinrichtung für schnell umlaufende, axial gestreckte Rotoren mit vertikaler Drehachse - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Stabilisierungseinrichtung für schnell umlaufende, axial gestreckte Rotoren mit vertikaler Drehachse. Dabei ist unter einem axial gestreckten Rotor ein Rotor zu verstehen, dessen Längserstreckung größer ist als seine radiale Abmessung. Als Beispiel hierfür seinen Molekularpumpen nach dem Hol weck-Prinzip genannt. Bei derartigen Rotoren sind außerordentlich hohe Drehzahlen notwendig, so daß besondere Vorkehrungen an den Lagern erforderlich sind. Die Rotoren wirken wie Kreisel und es können bei ihnen Präzessions- und Nutationsschwingungen auftreten, so daß besondere Einrichtungen im Lager vorgesehen werden müssen, um diese Schwingungen zu bedampfen.

Die Erfindung geht z. B. von einer bekannten Vorrichtung zur Stabilisierung der Rotorbewegung schnell umlaufender Zentrifugen aus (DT-PS 11 36 644 oder DT-AS 11 43 150). Bei dieser Vorrichtung wird das Rotorgewicht durch eine Nadel aufgenommen. Die mit dem Rotor umlaufende Nadel dreht in einer Lagerpfanne, wobei die Lagerpfanne durch Federkräfte zentriert wird und dämpfende Eigenschaften aufweist und z. B. in einem ölbad angeordnet ist. Um den Rotor in seiner senkrechten Lage halten zu können, ist in einer zweiien Lagerebene, und zwar am oberen Rotorende, ein Magnetlager mit einem Permanentmagneten vorgesehen. Dieses Lager besteht aus einem rotationssymmetrischen Magneten oder Anker, der am oberen Rotorende angeordnet ist und mit dem Rotor umläuft. Ihm axial gegenüber ist ein weiterer rotationssymmetriiicher Magnet angeordnet, der selbst wieder elastisch aufgehängt ist und in einem ölbad schwimmt. Diese beiden Magnete halten die Rotorachse in ihrer vertikalen Lage. Zusätzlich können Körpereigenschwingungen gedämpft werden.

Nachteilig bei dieser Anordnung wirken sich verschiedene Merkmale aus. So ist der mitrotierende Magnet am oberen Rotorende infolge der außerordentlich hohen Zentrifugalkräfte stark belastet, so daß er au: Festigkeitsgründen mechanisch gepanzert werden muß Das bedeutet eine unerwünschte Massenerhöhung an oberen Rotorende; dadurch verschiebt sich dei Schwerpunkt nach oben, was zur Folge hat, daß dei Hebelarm für die angreifenden Lagerkräfte am oberer Lager reduziert ist Um eine gute magnetisch« Ankopplung zwischen dem umlaufenden und derr feststehenden Ringmagneten zu erreichen, ist eir geringer Luftspalt notwendig. Da sich der feststehende Ringmagnet in einem Ölbad befindet, muß eir geschlossenes Gehäuse um ihn vorhanden sein, wodurch zwischen den beiden Ringmagneten eine Trennwanc entsteht Um — wie vorher gefordert — den Luftspali möglichst gering zu halten, werden hohe Anforderun gen an die mechanische Fertigung dieses Dämpfertöpf chens gestellt. Da infolge der wachsenden Zentrifugal kräfte während des Hochfahrvorganges der Rotoi kürzer wird, was sich insbesondere bei mehrstöckigen überkritisch betriebenen Rotoren, wie z. B. bei Gaszentrifugen, stark auswirkt, vergrößert sich der Luftspali zwischen den beiden Magneten ständig, wodurch die Zentriei- und Dämpfungskräfte geringer werden. Sei überkritisch betriebenen Zentrifugen mit Falten ist es dabei notwendig, den feststehenden Dämpfermagneien ständig nachzustellen, um einen gleichbleibenden Luftspalt zu erreichen. Um die Dämpfungseigenschaften des oberen Lagers günstig zu erhalten, sind für den Dämpfermagneten geringe Massen notwendig; an dererseits sind für hohe Ankopplungskräfte bestimmte Magnetmassen unumgänglich. Dadurch ist dieses obere Lager in seinen Dämpfungsmöglichkeiten begrenzt. Der Einsatz dieses oberen Lagers ist aus diesen Gründen auf die Stirnfläche des oberen Rotorendes beschränkt.

Nach der Kreiseltheorie treten jeweils Kreiselfrequenzen auf, die sich in zur Rotordrehrichtung gleich- und gegenläufige .Schwingungsformen aufspalten, wobei die gleichläufige Schwingungsform stets die höherfrequente ist. Mit steigender Rotordrehzahl nimmt die gleichläufige Körpereigenschwingung in der Frequenz zu, die gegenläufige Schwingung nimmt in der Frequenz ab. Für ein stabiles Betriebsverhalten des Rotors müssen sowohl die hoch- als auch die niederfrequenten Körpereigenschwingungen gedämpft werden. Bei längeren inhomogenen Rotoren treten eine größere Anzahl von Körpereigenschwingungsformen auf und der Frequenzbereich der zu bedämpfenden Schwingungen nimmt zu. Das Nadellager am unteren Ende des Rotors kann diesen steigenden Anforderungen angepaßt wcden, nicht aber das permanentmagnetische Lager am oberen Rotorende, das durch seine zwangsläufig vorhandenen großen Massen in den Dämpfungseigenschaften für höherfrequente Schwingungen begrenzt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere im Hinblick auf die mehrstöckigen Zentrifugen ein Lagersystem zu entwickeln, das unabhängig von der zuvor erwähnten Rotorverkürzung bei wachsenden Drehzahlen während des Hochlaufens und bei Nenndrehzahl einen stabilen Betrieb der Rotoren garantiert, ohne daß ein ständiger mechanischer Eingriff während eines Hochfahrvorganges notwendig ist und der dadurch bedingte Aufwand entfällt. Weiterhin soll eine Stabilisierungseinrichtung geschaffen werden, die insbesondere auch bei den mehrstöckigen Rotoren eine Dämpfung auch der hochfrequenten Körpereigenschwingungen vom oberen Rotorende aus ermöglicht, Dabei soll die Stabilisie-ungseinrichtung so ausgebildet

5On. daß die Anordnung ihres oberen Lagers nicht auf die Stirnfläche des oberen Rotorendes beschränkt ist, sondern in technisch günstiger Lage irgendwo entlang der Rotorachse angeordnet werden kann.

Die Aufgabe wird für schnellaufende. axial gestreckte Rotoren mit vertikaler Drehachse, bei denen das untere Rotoriager als StifUager mit zentrierenden und dampfenden Eigenschaften ausgebildet ist und bei denen eine obere, magnetisch wirkende Lagerebene vorgesehen ist. erfindungsgemäß gelöst durch ein in mindestens einer oberen Lagerebene angeordnetes elektromagnetisch wirkendes und ferromagnetische Teile des Rotors umschließendes Stellglied, das in wenigstens zwei in einer horizontalen Ebene liegenden und in regulärer Winkelteilung zueinander stehenden Achsenrichtungen magnetische Kräfte auf den umschlossenen Rotorteil ausübt und von in diesen Achsenrichtungen angeordneten Fühlern über den Achsenrichtungen zugeordnete Regeleinrichtungen beeinflußbar isL Es können mehrere derartige als Lager wirkende elektromagnetische Stellglieder mit zugeordneten Regeleinrichtungen in unterschiedlichen Lagerebenen entlang der Rotorachse angeordnet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 einen einfachen Rotor in Seitenansicht mit zwei Lagerebenen,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die obere Lagerebene.

Fig 3 einen mehrstöckigen Rotor mit mehreren Lagerebenen und

F i g. 4 einen mehrstöckigen Rotor mit abgewandelter Anordnung einer oberen Lagerebene.

Fig. 1 zeigt einen axial gestreckten Rotor 1, der an seinem unteren Rotorende eine Nadel 2 aufweist. Diese Nadel ruht in einer Lagerkalotte 3, die, wie durch Federn angedeutet ist, in einem Üldämpferbad 4 gedämpft gelagert ist. Diese untere Lagerebene ist mit 1 bezeichnet. Der Antrieb des Rotors 1 erfolgt hier z. B. in nicht näher dargestellter Weise durch einen Axialmotor 5.

Die obere Lagerebene ist hier im Ausführungsbeispiel mit II bezeichnet. Hier ist die Lagerebene in einen Aufsatz 9 des Rotors 1 verlegt. Wichtig ist hierbei, daß der Teil des Rotors, der in der Lagerebene liegt, aus ferromagnetischem Material besteht. Der Aufsatz 9 ist von dem elektromagnetischen Stellglied 8 umgeben. Das Stellglied ist hier als Ringspule ausgebildet. Es wird von einer Regeleinrichtung 7 beeinflußt. Die Abweichungen des Rotors aus seiner exakten zentrierten Lage werden von Fühleinrichtungen oder Sensoren 6 aufgenommen und die Sensorsignale werden, wie schematisch angedeutet ist, der Regeleinrichtung 7 zugeleitet. Dort werden die Signale in nicht näher dargestellter Weise verarbeitet und Stellbefehle gebildet, die zur Ringspule weitergegeben werden. Die Anordnung der Regeleinrichtungen und der Fühler ist in F i g. 2 näher erläutert.

Die F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch oen Rotor in der Lagerebene II gemäß Fig. 1. Der Rotor ist wiederum mit 1 und das als Ringspule ausgebildete elektromagnetische Stellglied mit 8 bezeichnet. Die Ringspule weist vier Spulenanschlüsse auf. Die Ausbildung und Schaltung der Ringspule ist nicht Cjegenstand der Erfindung und kann daher hier außer Betracht bleiben. Andere Ausbildungen des elektromagnetischen Stellgliedes sind ohne weiteres verwendbar. /.. B. eine An7ahl von zentrisch um den Rotor herum angeordne

ter Einzelspulen.

Die Ringspule 8 ist so geschaltet daß man mit ihrer Hilfe magnetische Kräfte in zwei aufeinander senkrechten Richtungen, nämiich den beiden Achsrichtungen a und b auf den Rotor 1 aufbringen kann. Durch Überlagerung der Kräfte aas beiden Achsrichtungen ist jede resultierende Kraft beliebiger Winkellage erzeugbar, jeder der beiden durch Pfeile angedeuteten Achsen a und 6 ist ein Paar von Abstandsfühlern zugeordnet. Der Bezeichnung der Achsen entsprechend sind diese Abstandsfühler mit 6a bzw. 6i> bezeichnet. Die Zeichnung stellt nur schematisch die Anordnung der Fühler dar, die in Wirklichkeit dicht am Rotor selbst angeordnet sind Wie durch Pfeile angedeutet ist, werden die von den Fühlern 6a und 6b aufgenommenen Meßwerte den jeweils einer Achse zugeordneten Regeleinrichtungen 7a bzw. 76 zugeleitet Von dort aus wird in nicht näher dargestellter Weise die Ringspule beeinflußt, so daß von ihr die zur Zentrierung und Dämpfung erforderlichen elektromagnetischen Stellkräfte auf den Rotor 1 einwirken können. Die hier für zwei Achsen gezeigte Ausbildung kann prinzipiell auch auf mehrere Regelachsen erweitert werden.

In Fig. 3 wird gezeigt, daß die Erfindung auch auf mehrstöckige Rotoren anwendbar ist. Als mögliches Ausführungsbeispiel ist hier ein dreistöckiger Rotor 1 dargestellt. Die Erfindung ist aber ohne Schwierigkeit auch auf vier- und mehrstöckige Rotoren anwendbar. Die Ausbildung der unteren Lagerebene i entspricht völlig der in Fig. 1 beschriebenen Ausbildung. Sie ist daher hier nur schematisch angedeutet Die obere Lagereben-. 11 entspricht in ihrer Ausbildung ebenfalls dem Beispiel der F i g. 1, jedoch ist hier im Unterschied dazu die Ringspule 8 nicht um einen besonderen Aufsatz des Rotors herumgelegt, sondern umschließt das obere Ende des Rotors 1 selbst. Das obere Rotorende muß daher hier aus ferromagnetischem Material bestehen. Die Anordnung der Fühler 6 und der Regeleinrichtung 7 ist von F i g. 1 unverändert übernommen.

In Fig.3 sind nun noch weitere Lagerebenen eingezeichnet, nämlich die Lagerebenen 11' und 11 . jede dieser Lagerebenen enthält wie die Lagerebene Il ein elektromagnetisches Stellglied mit der zugeordneten Regeleinrichtung. Die Zuordnung dieser Te¹Ie zu den Lagerebenen 1Γ und U" ist für das Stellglied mit 8' bzw. 8" und für die Regeleinrichtung mit T bzw 7" gekennzeichnet. Es erfolgt also in jeder der Lagerebenen 11, ΙΓ und 11" eine individuelle Regelung über eigene Fühler und Regeleinrichtungen Das heißt, die Lagerebenen sind elektrisch nicht unmittelbar miteinander gekoppelt. Wie am Beispiel der Lagerebene Il schon gezeigt wurde, ist diese Lagerebene nicht an einen festen Ort gebunden, sondern kann sowohl an einem Aufsatz des Rotors als auch am Rotor selbs' in irgendeiner Höhenlage angeordnet sein. Entsprechend können auch die übrigen l.agereoenen 1Γ und H" in technisch günstiger Lage entlang der Rotordrehachse angeordnet werden. Die Lage der Lagerebenen ist also je nach den Erfordernissen frei wählbar.

Anders als im Ausführungsbeispiel der Fig.! ist hiei nicht ein Axialmotor, sondern ein Radialmotor 5' für der Antrieb vorgesehen. Der Motor ist in einer beliebiger Antriebsebene A um den Rotor I herum angeordnet Durch Pfeile ist angedeutet, daß die lage de Aniriebscbene Λ in Achsrichtung des Rotors heliebi) verstellbar bzw. wählbar ist. Sie kann also ebenfalls gan den technischen Anforderungen, die an den Rotor um seine Verwendung gestellt werden, angepaßt werden.

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In Fig.4 ist wiederum als Beispiel für einen mehrstöckigen Rotor ein dreistöckiger Rotor 1 dargestellt. Die untere Lagerebene I ist von F i g. 1 unverändert übernommen. Das untere Lager besteht aus dem Lagerstift 2, der gedämpft gelagert ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist nur eine einzige obere Lagerebene II vorgesehen, die weg vom oberen Rotorende angeordnet ist. Die Ausbildung der Ringspule 8 und der Regeleinrichtung 7 ist ebenfalls unverändert übernommen. Der Radialmotor 5' ist in der Antriebsebene A in diesem Beispiel noch weiter entlang der Rotorachse verlagert.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen werden die eingangs gestellten Forderungen erfüllt. Man erhält in jedem Falle durch das elektromagnetisch wirkende obere Lager eine gute Dämpfung sowohl der höherfrequenten als auch der niederfrequenten Körpercigenschwingungen des Rotors. Dabei spielt eine eventuelle Rotorverkürzung beim Hochfahren des Rotors überhaupt keine Rolle mehr. Es ergibt sich der besondere Vorteil, daß die Anordnung der oberen

'5 Lagerebene nicht mehr an die Stirnflächen des Rotors gebunden ist, sondern je nach den Erfordernissen gewählt werden kann. Auch mit einer einzigen oberen Lagerebene, die nicht am oberen Rotorende angeordnet sein muß, kann man eine gute Stabilisierung und eine Dämpfung der höherfrequenten und der niederfrequenten Körpereigenschwingungen erreichen. Die Antriebsmoloren und die Lagerebenen können ganz den übrigen Erfordernissen entsprechend gewählt bzw. angeordnet werden. Ebenso besteht Freizügigkeit in der Wahl und Anordnung der Sensoren. So sind sie zweckmäßig möglichst nahe an der Rotorwandung selbst oder einem auf den Rotor aufgesetzten Teil anzubringen. Ihre relative Anordnung zum Stellglied bzw. der Lagerebene ist nicht zwingend vorgeschrieben. Sie können sowohl oberhalb als auch unterhalb derselben angeordnet sein, gegebenenfalls sogar in das Stellglied integriert werden. Die hier vorgeschlagene Einrichtung garantiert ein stabiles Betriebsverhalten des Rotors vom Stillstand bis zur höchsten erreichbaren Drehzahl.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Stabilisierungseinrichtung für schnellaufende, axial gestreckte Rotoren mit vertikaler Drehachse, wobei das untere Rotorlager als Stiftlager mit zentrierenden und dämpfenden Eigenschaften ausgebildet ist und eine obere, magnetisch wirkende Lagerebene vorgesehen ist, gekennzeichnet durch ein in mindestens einer oberen Lagerebene (U) angeordnetes, elektromagnetisch wirkendes und ferromagnetische Teile (9) des Rotors (J) umschließendes Stellglied (8). das in .wenigstens zwei in einer horizontalen Ebene liegenden und in regulärer Winkelteilung zueinander stehenden Achsenrichtungen (a, 6J magnetische Kräfte auf den umschlossenen Rotorteil ausübt und von in diesen Achsemichtungen (a, b) angeordneten Fühlern (6a, 6b) über den Achsenrichtungen zugeordnete Regeleinrichtungen (7a, 7b) beeinflußbar ist.

2. Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung von mehreren als Lager wirkenden elektromagnetischen Stellgliedern (8,8', 8") mit zugeordneten Regeleinrichtungen (7, 7', 7") in unterschiedlichen Lagcrebenen (ΙΙ,ΙΓ, II") entlang der Rotorachse.