DE2312001B2 - Verfahren zum Betrieb eines Magnetlagers und Magnetlager zur Durchfuhrung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetlagers nach dem Oberbegriff des An-Spruchs 1 und ein Magnetlager zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Magnetlager ist in der DE-PS 17 50 602 beschrieben. Mit ihm ist zwar auch die Lagerung eines Rotors mit horizontaler Drehachse oder eines Rotors mit einer mehr oder weniger konstanten radialen Belastung möglich, jedoch müssen diese radialen Kräfte von den aktiv geregelten Radiallagern aufgenommen werden. Dadurch wird aber nicht nur die Baugröße und der Energiebedarf für die Radiallagerung erheblich vergrößert, sondern auch die auf eine Drehung des Rotors bremsend wirkenden Kräfte (»Lagerreibung«) werden wegen der dabei auftretenden Inhomogenität des Magnetfeldes vergrößert

Lager, die Querkräfte aufnehmen können, beispielsweise Lager horizontaler Rotoren oder von Rotoren beliebiger Achslage mit einseitigen Querkräften, werden aber in der Technik häufig benötigt. Es ist beispielsweise erstrebenswert, die horizontal liegenden Läufer sogenannter »openendw-Spinnturbinen, die mit sehr hohen Drehzahlen umlaufen, magnetisch zu lagern.

Solche Spinnturbinen sind z. B. in der Zeitschrift »Deutsche Textiltechnik, 1971, Heft 12, Seiten 763 ff beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein an sich bekanntes Magnetlager so zu beschreiben, daß Querkräfte ohne wesentliche Erhöhung des Widerstandes gegen Drehung und des Bau- oder Energieaufwandes aufgenommen werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Magnetlager zur Durchführung des Verfahrens kann vorteilhaft einen Magneten mit über den Luftspaltumfang ungleicher Magnetfeldstärke besitzen. Dieser Magnet, der beispielsweise ein den Rotor umgebender Ringmagnet sein kann, kann z. B. im Zusammenwirken mit einer Kante im ferromagnetischen Material des Rotors, gleichzeitig für die Axial-Stabilisierung des Magnetlagers sorgen. Der Magnet kann also identisch mit dem zur Axialstabilisierung benutzten Magneten sein. Insofern erfüllt er eine Doppelfunktion, die die Wirtschaftlichkeit des Lagers erhöht.

Wenn nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Magnet derart angeordnet ist, daß sein Magnetfeld eine Vormagnetisierung für einen radial stabilisierenden Elektromagneten bildet, dann erfüllt der Magnet eine weitere Funktion, die sich auch auf die Radiallagerung positiv auswirkt.

Während man bisher geglaubt hatte, daß eine Aufnahme von im wesentlichen stationären Querkräften in einem Magnetlager eine derart große Inhomogenität des Magnetfeldes erzeugt, daß die dabei entstehenden Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Rotor das Lager unwirtschaftlich machen, hat sich herausgestellt, daß dies bei der Erfindung nicht der Fall ist. Bei den bekannten Magnetlagern versuchte man diese durch spezielle Ausbildung des Rotors (Rotorblechung, hysteresearmen ferritischen Werkstoff o. dgi.) zu

verringern. Nach der Erfindung ist es möglich, die entstehenden Verluste so gering zu halten, daß solche aufwendigen und die Rotorfestigkeit "ermindernden Maßnahmen nicht notwendig sind. Durch die Überlagerung des zur Aufnahme der Querkräfte über den Luftspaltumfang sich ändernden Magnetfeldanteils mit einem konstanten Magnetfeldanteil können die Verluste relativ gering gehalten werden. Die Ummagnetisierungsverluste, die im Rotor entstehen, wenn dieser sich in einem inhomogenen Magnetfeld dreht, sind nämlich abhängig vom Quadrat der Amplitude der magnetischen Induktion des veränderlichen Magnetfeldanteils, während die magnetischen Anziehungskräfte, die zum Ausgleich der Querkräfte erforderlich sind, von dem Produkt der magnetischen Induktionen des konstanten und des sich ändernden Magnetfeldanteils abhängen. Mit anderen Worten: Der über den Luftspaltumfang konstante Magnetfeldanteil trägt zw^ar nicht zur Vergrößerung der Verluste bei, wirkt aber als die Anziehungskräfte erhöhender Faktor. Wenn eingangs von einem Magnetfeld gleicher Richtung gesprochen wurde, so soll damit ausgedrückt werden, daß das Magnetfeld über den gesamten Luftspaltumfang nur anziehende Kräfte ausübt und vorzugsweise in Umfangsrichtung seine Polarität nicht ändert.

Auf diese Weise können auch Lagerprinzipien, die sonst wegen ihrer hohen prinzipbedingten Verluste als nachteilig gelten, mit brauchbarer Wirtschaftlichkeit eingesetzt werden. So ist es nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung möglich, daß der Magntc ein wechselstromgespeister Elektromagnet ist und mit Spulen einer Wechselspannungs-Radiallagerung räumlich und/oder funktionell gekoppelt ist. Derartige Lager, die auch als Resonanzkreislager bezeichnet werden, können Vorteile bieten, da sie u. a. keine Sensoren benötigen.

Weitere Merkmale von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Einige Ausführungsbeispiele von Magnetlagern zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, teilgeschnittene Seitenansicht eines Magnetlagers eines Rotors mit horizontaler Drehachse,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt nach der Linie H-IIin Fig. 1,

Fig.3 ein schematisches Diagramm der magnetischen Induktion ßüber den Luftspaltumfang U,

F i g. 4 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Details einer anderen Ausführungsform,

F i g. 5 und 6 andere Ausführungsformen von Magneten in Darstellungsweise gemäß F i g. 2,

F i g. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII in F i g. 6,

F i g. 8 eine abgeänderte Ausführungsform eines Magneten in der Darstellungsweise der F i g. 2,5 und 6,

F i g. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in F i g. 8,

Fig. 10 eine Ausführungsform eines Magneten, entsprechend F i g. 8 dargestellt,

Fig. 11 einen schematischen Schnitt nach der Linie XI-XI in Fig. 10und

Fig. 12 eine teilgeschnittene schematische Seiten-Detailansicht einer Ausführungsform mit einem Elektromagneten und einem Wechselspannungs-Resonanzkreislager.

In F i g. 1 ist ein völlig berührungsloses Magnetlager für einen Rotor i i an einem nur schematisch angedeuteten Stator 12 dargestellt Der Rotor besteht bei dem dargestellten Beispiel ganz aus ferromagnetischen Werkstoff, beispielsweise einem Stahlrohr oder Stahlzylinder. Es ist jedoch auch möglich, den Rotor aus beliebigem anderem Werkstoff herzustellen und ihn nur im Berreich der Lager mit ferromagnetischen Teilen zu versehen.

Im Bereich seiner beiden Enden ist der Rotor durch Magnetlager 13 gelagert

Die Magnetlager 13 besitzen je einen Magneten 14, 14', der in Form eines axial magnetisierten, ringförmigen Permanentmagneten ausgebildet ist Ferner besitzt jede magnetische Lagerung 13 ein Radiallager 15, das elektrische Wicklungen 16 besitzt, die an ein Regelgerät 17 angeschlossen sind.

Das Radiallager 15 besitzt einen ferromagnetischen, ringförmigen Kern 18, um den die Wicklung 16 wiederum ringförmig, d.h. toroidförmig herumgewikkelt ist Vorzugsweise besteht die Wicklung 16 aus vier getrennt elektrisch beaufschlagbaren Wicklungsabschnitten. Ein solches Radiallager ermöglicht eine aktiv geregelte Lagerung in zwei radialen Richtungen, beispielsweise einer in F i g. 1 in der Zeichenebene liegenden vertikalen und einer zur Zeichenebene senkrechten horizontalen Richtung. Das Radiallager ist im einzelnen in der DE-AS 22 13 4β"5 beschrieben. Es können jedoch auch andere Radiallager Verwendung finden, wie sie in den DE-PS 17 50 602 und 19 33 031 beschrieben sind.

Das Steuergerät verarbeitet die Signale von berührungslosen Sensoren 19, die beim dargestellten Beispiel galvanomagnetische Bauelemente sind, die im Bereich der Magneten 14 angeordnet sind und die Signale in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Abstand vom Rotor 11 erzeugen. Derartige Sensoren sind als Feldplatten bekannt. Es können jedoch auch an sich bekannte kapazitive, induktive oder lichtelektrische Fühler Verwendung finden. Das Regelgerät 17 ist an eine Stromquelle, vorzugsweise eine Gleichstromquelle, angeschlossen und besteht in bekannter Weise aus einem Verstärker und einem Phasenschieber für die Meßsignale der Sensoren. Durch eine Justiereinrichtung 21, beispielsweise ein zum Regelgerät 17 gehörendes Potentiometer, kann die Lage der Soll-Drehachse 22 des Rotors 11 eingestellt werden. Der Einfachheit halber ist in der Zeichnung nur ein Regelgerät mit seinen beiden einander entgegengesetzt angeordneten Sensoren und einer Justiereinrichtung 21 dargestellt. Für die senkrecht dazu liegende Ebene ist ebenso ein Regelgerät notwendig, das jedoch mit dem ersten zu einer konstruktiven Einheit zusammengefaßt sein kann.

Die Lager auf beiden Seiten des Rotors 11 unterscheiden sich nicht wesentlich voneinander. Der auf der linken Seite dargestellte Magnet 14' ist radial magnetisiert, d. h. seine Pole liegen an dem inneren bzw. äußeren Umfang.

Bei dem Beispiel nach F i g. 1 sind die Magneten 14, 14' und die Radiallager 15 zu einer Mittelachse 23 ausgerichtet, die, wie insbesondere auch aus F i g. 2 zu erkennen ist, nicht mit der Soll-Drehachse 22 übereinstimmt. Die Soll-Drehachse 22 liegt vielmehr in dem gezeigten Beispiel gegenüber der Mittelachse 23 aufwärts verschoben, so daß sich zwischen den Magneten 14, 14' und dem Rotor 11 ein Luftspalt 24 bildet, dessen radialen Abmessungen sich über den Umfang ändern. Auf den Rotor wirkt eine im wesentlichen stationäre Querkraft ein, die bei dem hier dargesteüien Beispie! durch die Schwerkraft ües Roiors

gegeben ist, die wegen seiner horizontalen Lage in radialer Richtung wirkt. Es sei jedoch bemerkt, daß durch die magnetische Lagerung nach der Erfindung auch andere Querkräfte aufgenommen werden können, die auf den Rotor einwirken. Sie sollten vorzugsweise im wesentlichen stationär sein, d. h., daß das Magnetlager nach der Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann, wenn die Querkraft ihre Größe und ihre Richtung in bezug auf den Stator nur wenig ändert. Durch besondere Maßnahmen, beispielsweise Verlegung der Lage der Soll-Drehachse 22 in bezug auf das Magnetfeld der Magneten 14,14' kann jedoch auch bei sich in Größe und Richtung ändernder Querkräfte eine Anpassung geschaffen werden.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Lager arbeitet wie folgt: Der als Ring ausgebildete Magnet 14 übt radiale Kräfte auf den Rotor U aus, die mit Ausnahme der Mittellage, in der sie sich kompensieren, destabilisierend auf den Rotor wirken, d. h. der Magnet sucht den Rotor unter Überbrückung des Luftspaltes 24 heranzuziehen. Diese destabilisierenden Kräfte nehmen mit der Auslenkung von der Mittellage zu, sind also progressiv. Bei einem Rotor ohne einwirkende stationäre Querkräfte wird vorzugsweise durch das Radiallager 15 der Rotor in einer Lage gehalten, die der beschriebenen Mittellage möglichst nahe kommt. Das wird bei den rotationssymmetrisch ausgebildeten und magnetisierten Magneten 14,14' die Lage sein, in der die Soll-Drehachse 22 auf der Mittelachse 23 liegt In dieser Lage ist nicht nur die geringste Beeinflussung des Rotors 11 durch die destabilisierenden Kräfte gegeben, sondern der Rotor 11 wird auch von einem homogenen, d. h. über den Luftspaltumfang gieich bleibenden, Magnetfeld der Magneten 14, 14' durchsetzt Die Magneten 14, 14' wirken in der in F i g. 1 angegebenen Anordnung als Axial-Stabilisierungsmagneten, da sie im Zusammenwirken mit den Rotorenden 26 eine ohne aktiv geregelte Beeinflussung stabile axiale Rotorlage schaffen. Bei einer vertikalen Rotorlagerung würde daher der oberste Magnet 14 als Traglager dienen.

Beim dargestellten Beispiel ist die Lage der Soll-Drehachse 22 gegenüber der Mittelachse 23 verschoben, und zwar entgegen der durch den Pfeil 25 angedeuteten Richtung der Querkraft Dies kann durch entsprechende Justierung der Radiallager 15 geschehen, indem sie durch die Justiereinrichtungen 21 so eingestellt werden, daß sie den Rotor auf der Soll-Drehachse 22 halten.

Auf den Rotor 11 wirken nun die entgegen der Querkraftrichtung 25 gerichteten destabilisierenden Kräfte ein, die ihn nach oben zu ziehen suchen und der Kraft 25 entgegenwirken. Die Soll-Drehachse 22 wird vorzugsweise so gelegt, daß diese destabilisierenden, der Querkraftrichtung 25 entgegengerichteten Kräfte die Querkraft 25 genau aufheben. Im Luftspalt 24 herrscht nunmehr eine Magnetfeldverteilung, wie sie in F i g. 3 angedeutet ist

In F i g. 3 ist die magnetische Induktion B über dem Umfang U des Luftspaltes 24 aufgetragen. Dem konstanten Magnetfeldanteil B₀ ist ein über den Luftspaltumfang Uveränderlicher Magnetfeldanteil AB überlagert Wenn man die Viertel des Luftspaltumfanges im Uhrzeigersinne, von oben beginnend, mit a bis d bezeichnet so ist es aus Fig.3 zu erkennen, daß die Induktion B am Punkt a am größten ist (B₀ + Δ BX während sie am Punkt cam kleinsten ist (B₀ — ΔB).

Es ist zu beachten, daß die Fig.3 nur eine schematische Darstellung ist Die Kurve für Λ S braucht nicht, wie dargestellt, Sinusform zu haben, obwohl dies im Interesse geringer Verluste anzustreben ist.

Es ist also zu erkennen, daß gegenüber der magnetischen Induktion B₀ eine Änderung auftritt, die das Magnetfeld am Punkte a stärkt, während sie das Magnetfeld im Punkt c schwächt. Man sollte annehmen, daß eine Aufnahme der Querkräfte sehr nachteilig ist, die man damit erkaufen muß, daß man einer großen in einer Richtung wirkenden Kraft eine noch größere in

ίο der anderen Richtung wirkende entgegensetzt, und daß insbesondere die Verluste durch die Magnetfelder stark ansteigen müßten. Es tritt jedoch das Gegenteil ein. Während nämlich die Wirbelstrom- und Hystereseverluste, die bremsend auf die Drehung des Rotors einwirken, vom Quadrat des sich ändernden Magnetfeldanteils (ΔΒ) abhängig sind, sind jedoch die den Querkräften entgegenwirkenden Kräfte von dem Produkt des konstanten und veränderlichen Magnetfeldanteils {AB ■ B₀) abhängig. Es ist daher nicht nur kein Nachteil, sondern sogar erstrebenswert, den konstanten Magnetfeldanteil B₀ im Verhältnis zu ZlS sehr hoch zu wählen. Es wird dann nur ein sehr geringer veränderlicher Magnetfeldanteil ΔΒbenötigt, um große Kräfte zu erzielen, während die Verluste, da sie von Δ Β abhängig sind, klein bleiben.

Dies sind jedoch nicht die einzigen Vorteile, die ein hoher konstanter Magnetfeldanteil hat. Wenn, wie in F i g. 1 dargestellt, die Magneten 14,14' in ihrem axialen Gegeneinanderwirken die axiale Führung des Rotors 11 übernehmen, so kann mit einem hohen konstanten Magnetfeldanteil, d. h. einer großen im Luftspalt 24 fließenden Magnetfeldstärke, auch eine besonders steife axiale Lagerung geschaffen werden. Ferner wirkt sich eine hohe Vormagnetisierung der Radiallager 15 vorteilhaft auf deren Wirksamkeit aus. Es sei bemerkt, daß die hier speziell dargestellten Radiallager 15 stets eine Vormagnetisierung benötigen, die in diesem Falle von den Magneten 14, 14' übernommen wird. Im Beispiel nach Fig. 1 haben also die Magneten 14, 14' eine Dreifachfunktion: Sie nehmen die Querkraft 25 auf, sie schaffen ohne aktive Regelung eine axiale Lagestabilisierung für den Rotor 11 und wirken als Vormagnetisierung für die Radiallager 15. Nur der Vollständigkeit halber sei bemerkt, daß der Rotor auf beliebige Art und Weise angetrieben werden kann, beispielsweise durch einen nicht dargestellten Drehstrommotor, dessen Läufer der Rotor ist

In den Zeichnungsfiguren 4 bis 12 sind Varianten des beschriebenen Magnetlagers dargestellt Die Funktionsweise ist, sofern nichts anderes erläutert ist, im wesentlichen die gleiche, wie sie bereits beschrieben ist und für gleiche Teile werden gleiche Bezugszeichen verwendet

Das Lager nach F i g. 4 unterscheidet sich von dem rechten Lager in F i g. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß das Radiallager 15 seinen Mittelpunkt nicht auf der Mittelachse 23 des Magneten 14 hat, sondern auf der Soll-Drehachse 22. Auch die Sensoren 19 sind so angeordnet, daß sie jeweils im gleichen radialen Abstand von der Soll-Drehachse 22 liegen. Mit anderen Worten: Das Radiallager 15 ist gegenüber dem Magneten 14 radial entgegen der Querkraftrichtung 25 verschoben. Während also bei Fi g. 1 die Verschiebung der Soll-Drehachse 22 aus der Mittellage durch Justierung am Regelgerät 17 vorgenommen wurde erfolgt bei Fig.4 eine mechanische Verschiebung zwischen Radiallager und Magnet

Die Ausführungsform nach Fig.5 besitzt einer

Magneten 14a, der zwar im wesentlichen auch als Ringmagnet ausgebildet ist, aber in radialer Richtung eine ungleichmäßige Wandstärke besitzt Im dargestellten Falle greift die Querkraft beispielsweise durch Antriebseinflüsse etc. bedingt, unter einem Winkel zur Vertikalen am Rotor 11 an. Dementsprechend ist die innere öffnung 27 des Magneten 14a in Richtung der Querkraft 25 gegenüber der äußeren Begrenzung 28 des Magneten verschoben. Bei gleicher spezifischer Magnetisierung des Magnetmaterials des Magneten bildet sich also auf der der Querkraftrichtung 25 entgegengestzten Seite (links oben) im Luftspalt 24 ein stärkeres magnetisches Feld heraus. Beim dargestellten Beispiel geht die Soll-Drehachse 22 durch den Mittelpunkt des die äußere Begrenzung 28 bildenden Kreises. Er steht !5 also wiederum unsymmetrisch zur inneren Öffnung 27, so daß der Luftspalt 24 unterschiedliche Dicke hat. Es sei jedoch bemerkt, daß auch dann, wenn der Rotor um die Mittelachse 23' der inneren öffnung laufen würde, noch die beabsichtigte Wirkung der Querkraftaufnahme entstehen würde, da das Magnetfeld auf der linken oberen Seite in F i g. 5 wegen der größeren Ansammlung von Magnetmaterial stärker wäre.

Nach den F i g. 6 und 7 ist der Magnet aus zwei axial hintereinander angeordneten Magneten 14£> und 14c zusammengesetzt. Sie sind beide mit einer exzentrischen inneren öffnung 27 entsprechend F i g. 5 versehen. Während die äußere Begrenzung 28 der miteinander identischen Magneten übereinstimmt, sind sie jedoch in ihrer Winkellage zueinander derart verdreht angeordnet, daß sie zwischen sich eine resultierende öffnung 27' bilden, die eine aus zwei Kreisbögen zusammengesetzte ovale Form besitzt In dieser öffnung ist der Rotor 11 in Richtung auf die Seite, an der die größte radiale Materialstärke der beiden Magneten 146 und 14c liegt, d. h. entgegengesetzt der Querkraftrichtung 25, verschoben angeordnet. Seine Soll-Drehachse 22 liegt wiederum im Mittelpunkt des die äußere Begrenzung 28 bildendes Kreises. Auch hier ist, wie bei den F i g. 4 und 5, eine Verschiebung der Soll-Drehachse gegenüber den angegebenen bevorzugten Lagen möglich. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 6 und 7 ist zusätzlich zu dem Vorteil, daß im Vergleich zu F i g. 2 die Änderung der Stärke des Luftspaltes nicht zu groß zu werden braucht, die Möglichkeit gegeben, durch Verdrehung der beiden Magnethälften 146 und 14c gegeneinander die Größe der aufgenommenen Querkräfte 25 einzustellen.

Aus F i g. 5 ist ferner zu erkennen, daß dieses Lager, wie die übrigen Lager auch (vgl. auch F i g. 9), lediglich als Radialtraglager eingesetzt werden können, indem sie nicht mit einem Ende oder einer Kante im ferromagnetischen Material des Rotors zusammenarbeiten. In diesem Falle üben sie keine wesentlichen axialen Kräfte

55

Die Fig.8 und 9 zeigen eine Ausführungsform, bei der der Magnet 14c/aus einem permanentmagnetischen, axial magnetisierten Ringmagneten mit überall gleicher radialer Dicke besteht, der auf beiden Seiten mit scheibenförmigen Polschuhen 29 versehen ist Die Polschuhe 29 haben eine innere öffnung 30, die kleiner ist als die innere öffnung 27 des Ringmagneten und die gegenüber der öffnung 27 exzentrisch angeordnet ist Obwohl die Soll-Drehachse 22 des Rotors 11 durch den Mittelpunkt des die äußere Begrenzung 28 des Magneten bildenden Kreises geht, wird so ein Luftspalt 24 geschaffen, der an der der Querkraftrichtung 25 entgegengesetzten Seite geringer ist als der auf der in Fig.8 unteren Seite. Die Polschuhe, die aus ferromagnetischen Blechscheiben bestehen können, verstärken also das Magnetfeld im oberen Bereich, indem sie es nahe an den Läufer heranleiten.

In den Fig. 10 und 11 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ebenfalls wieder ein Magnetring mit gleicher Wandstärke verwendet wird, in dem der Rotor 11 jedoch zentrisch verläuft Der Luftspalt 24 zwischen dem Magneten 14e und dem Rotor Il hat also überall die gleiche Stärke. Die veränderliche Magnetfeldkomponente wird bei dieser Ausführungsform durch ein magnetisches Rückschlußteil 32 erzeugt, das beispielsweise die gezeigte sichelförmige Form haben kann und im unteren Bereich des axial magnetisierten Magneten !4s einen magnetischen Kurzschluß bildet, so daß im unteren Teil des Luftspaltes 24 eine Magnetfeldschwächung gegenüber dem oberen Teil vorliegt Bei dieser Ausführungsform ergibt sich der Vorteil eines Luftspaltes gleichbleibender Stärke, sowie die vorteilhafte Möglichkeit, gleiche Ringmagneten verschiedener Querkräften anzupassen. Es sei jedoch bemerkt, daß normalerweise die Anpassung an unterschiedliche Querkräfte ganz einfach durch Änderung des Betrages der Verschiebung der Soll-Drehachse entgegen der Richtung der Querkraft erfolgt.

In F i g. 11 übt der Magnet 14e zusammen mit zwei Absätzen 33, 36 im ferromagnetischen Material 37 des Rotors 11 auf diese axiale stabilisierende Kräfte aus. Dabei ist der Absatz 36 nur im ferromagnetischen Material 37 gebildet. Die äußere Mantelfläche des Rotors 11 ist dagegen durchgehend, indem anschließend an den Absatz 36 ein nicht ferromagnetisches Material 38 anschließt. Auf diese Weise ist es möglich, mit nur einem Magneten 14e eine axiale Führung des Rotors 11 in beiden axialen Richtungen zu erzeugen. Es sei noch bemerkt, daß axiale Schwingungen des Rotors durch Wirbelstrom-Hystereseverluste gedämpft werden. Dies ist für die meisten Anwendungsgebiete ausreichend, während in radialer Richtung viel eher eine aktive Dämpfung erforderlich ist, wie sie das Magnetlager nach der Erfindung bietet.

Bei allen dargestellten Ausführungsformen war bisher der Magnet als ein den Rotor 11 umgebender Permanent-Ringmagnet ausgebildet. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, da einerseits ein Permanentmagnet nicht auf ständige Energiezufuhr angewiesen ist und zum anderen die Rotorenden frei von Lagerungsteilen bleiben. Es ist jedoch auch möglich, den Magneten als einen Stabmagneten auszubilden, der in ein hohles Rotorende hineinragt. Dabei wird in gleicher Weise durch Verlagerung der Soll-Drehachse eine Kraft geschaffen, die einer Querkraft 25 entgegenwirken kann.

In F i g. 11 ist dagegen eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Elektromagnet 14/Verwendung findet Der Elektromagnet 14/ist als eine den Rotor 11 umgebende Ringspule ausgebildet, die ein axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt Sie kann von Wechselstrom durchflossen sein und für die Aufnahme einer Querkraft 25 und/oder die axiale Rotorstabilisierung sorgen. Wenigstens drei weitere Spulen, von denen die Spulen 34, 34' dargestellt sind, sind um den Rotorumfang herum angeordnet und haben eine radiale Wirkrichtung. Die Spulen 34 sind hier der Einfachheit halber gesondert dargestellt, können aber auch räumlich und/oder funktionell noch stärker mit dem Elektromagneten 14/gekoppelt sein. Jede Spule wirkt zusammen mit einem Steuergerät 35 als Radiallagerung. Das

Steuergerät 35, das an eine Wechselstromspannung angeschlossen ist, bildet zusammen mit der Spule 34 ein Wechselspannungs-Resonanzkreislager. Bei dieser an sich bekannten Lagerart ist jede Spule 34 in einem Schwingkreis angeordnet, der durch Rotorverlagerungen verstimmt wird und somit gleichzeitig Radiallager und Sensoren ersetzt. Durch Oberlagerung der magnetischen Felder des Elektromagneten 14/und der Spule 34 tritt in beschriebener Weise eine Verstärkung der Kraftwirkung der Spule 34 auf, insbesondere, wenn sie mit der gleichen Frequenz betrieben werden. Dadurch kann der prinzipielle Nachteil eines Wechselpannungslagers, nämlich die Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Rotor, zum Teil abgebaut werden.

Von den beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen sind zahlreiche Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich. So kann beispielsweise statt eines Permanentmagneten auch ein gleichstromgespeister Elektromagnet Verwendung finden, der die leichtere Möglichkeit einer Anpassung an wechselnde Querkräfte bietet Auch dessen Kombination mit einem Permanentmagneten, der sozusagen die Grundlast aufnimmt, ist möglich. Es sollte bei der magnetischen Lagerung nach der Erfindung stets darauf geachtet werden, daß die Feldänderung im Luftspalt stetig erfolgt (siehe F i g. 3), d. h. daß im Luftspalt möglichst keine sprunghaften Änderungen des Magnetfeldes auftreten, die im Rotormaterial bei dessen Umlauf verstärkt Wirbelströme oder Hysterese erzeugen würden. Das gilt natürlich in erster Linie für umlaufende und insbesondere schnell umlaufende Rotoren, während nur sehr langsam umlaufende oder nur Schwingbewegungen ausführende Rotoren derartige Maßnahmen weniger benötigen. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß, wenn vorstehend von Rotoren gesprochen ist, auch andersartige, beispielsweise für Meßzwecke magnetisch gelagerte Teile umfaßt sind. Vorstehend sind zahlreiche Ausführungsbeispiele genannt, bei denen durch gegenständliche Ausbildungen erreicht wird, daß der Magnet

to über den Luftspaltumfang ungleich starke Magnetfelder erzeugt. Eine derartige Wirkung kann jedoch auch dadurch erzeugt werden, daß das Magnetmaterial über den Umfang ungleich stark magnetisiert ist. Man könnte dann beispielsweise einen Rotor zentrisch in einem rotationssymmetrischen Magneten laufen lassen, der trotzdem zur Aufnahme von Querkräften geeignet ist. Unter ferromagnetischen Material wird hier in erster Linie magnetisierbares, aber nicht selbst permanentmagnetisches Material verstanden. Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß normalerweise keine Permanentmagneten am Rotor notwendig sind, da diese meist nur eine geringe Festigkeit haben und das Gewicht des Rotors erhöhen. Für bestimmte Zwecke könnte man jedoch noch eine Ausbildung schaffen, bei der mittels eines am Rotor angeordneten Permanentmagneten eine destabilisierende Wirkung erzeugt wird. Dazu könnte beispielsweise der Rotor oder ein Rotorteil nach Art eines Stabmagneten ausgebildet sein, der mit einem ferromagnetischen, am Stator festen Ring zusammenarbeitet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Magnetlagers, bei dem ein ferromagnetische Teile aufweisender Rotor an einem Stator gelagert ist, mit einer aktiv geregelten und steuerbaren Radiallagerung radial stabilisierenden Elektromagneten, die den Rotor auf einer Soll-Drehachse hält, mit wenigstens einen radial! destabilisierende Kräfte erzeugenden Magneten, wobei zwischen dem Magneten und dem Rotor ein ringförmiger Luftspalt gebildet wird, in dem über den Luftspaltumfang in einer gegebenen Radialebene ein Magnetband gleicher Polarität besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme von Querkräften die Soll-Drehachse des Rotors mittels der Radiallagerung derart eingestellt wird, daß sie in einer gegenüber dem Magnetfeldzentrum des Magneten entgegengesetzt zur Wirkrichtung einer auf den Rotor einwirkenden Querkraft versetzten Position gehalten wird.

2. Magnetlager zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14, 14', 14a bis 14/? über den Luftspaltumfang (^ungleiche Magnetfeldstärke besitzt

3. Magnetlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14,14', 14a bis 14/? derart angeordnet ist, daß sein Magnetfeld eine Vormagnetisierung für einen radial stabilisierenden Elektromagneten (15,34) bildet.

4. Magnetlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet mit dem Elektromagneten (15, 34) zu einer konstruktiven Einheit verbunden ist.

5. Magnetlager nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14a bis Herein Permanentmagnetring mit über den Umfang sich ändernden Abmessungen ist und insbesondere eine exzentrische Bohrung hat.

6. Magnetlager nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, aus dem der Magnet besteht, über den Umfang ungleich stark magnetisiert ist.

7. Magnetlager nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14f>, 14c^ aus mehreren Permanentmagnetringen mit exzentrischen Bohrungen (27) besteht, die gegeneinander verdrehbar sind.

8. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (Hd) exzentrisch angeordnete Polschuhe (29) besitzt.

9. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Magneten (He)e'm magnetisches Kurzschlußteil (32) angeordnet ist.

10. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse der radial stabilisierenden Elektromagneten (15) gegenüber der Mittelachse des Magneten (14) versetzt angeordnet ist.

11. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14,14', 14a bis Hf) so ausgebildet ist, daß die magnetische Feldänderung im Luftspalt (24) stetig ist.

12. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (Hf)ein Elektromagnet ist.

13. Magnetlager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (Hf) ein wechselstromgespeister Elektromagnet ist und mit Spulen (34) einer Wechselspannungs-Radiallagerung räumlich und/oder funktionell gekoppelt ist