DE2343812A1 - Magnetische lageranordnung - Google Patents

Description

• Magnetische Lageranordnung Die Erfindung betrifft ein Magnetlager für rotierende Körper, insbesondere für einen Apparat zur Trennung von Gasgemischen.
• Bei mechanischen Lagern verschlechtern sich die Tragkräfte schon dann, wenn die Berührung zwischen einer drehenden Fläche und einer Lagerfläche leicht aufgehoben wird; d.h. die Lager haben die Eigenschaft hoher Steifigkeit. Andererseits behalten Magnetlager in einer selbst bei großen Auslenkungen der drehenden Körper konstanten Weise ihre Magnetkraft bei, d.h. sie haben die Eigenschaft geringer Steifigkeit. Eine weitere Eigenschaft der Magnetlager besteht darin, daß die kritische Drehzahl bei einem außerordentlich niedrigen Wert, verglichen mit den mechanischen Lagern, liegt, so daß die kritische Drehzahl mühelos passiert wird. Daher eignen sich Magnetlager für Körper, die mit hoher Drehzahl rotieren. Außerdem erfordern Magnetlager keine präzise Auswuchtung der rotierenden Körper; da sich ihre magnetischen Kräfte durch Steuerung des elektrischen Stroms in den Wicklungen ohne weiteres einstel-Len lassen, weisen die Magnetlager eine Eigenschaft auf, die sich bei mechanischen Lagern nicht erreichen Läßt und auf Grund der es möglich ist, Auslenkungen der rotierenden Körper zu messen und den elektrischen Strom für die Erregerwicklungen ach dem Meßsignal zu steuern.
• So wird ein magnetisches Axiallager zur Aufnahme von Axialkräften verwendet, wobei ein Magnetlager des Flächentyps dazu dient, den rotierenden Körper bei radialen Ablenkungen in seine Ausgangsstellung zurückzuführen. Bei einem magnetischen Axiallager sind Erregerwicklungen in einem Ständer-Eisenkern angeordnet, während ein umLaufendes Element im Zentrum der stationären Elemente des Ständer-Eisenkerns derart angeordnet ist, daß zwischen dem umlaufenden Element und den stationären Elementen schmale Luft spalte bestehen. Durch die Erregung der Erregerwicklungen werden bei einem solchen Magnetlager somit Magnetpfade erzeugt, so daß dem umlaufenden Element eine axiale Anziehungskraft erteilt wird und das Element axial in jeder Lage stabil wird, während es gegen radiale Ablenkungen durch Erhöhung der Anziehungskraft in Richtung der Auslenkung und Verringerung der Anziehungskraft in der entgegengesetzten Richtung außerordentlich instabil wird.
• Da das Magnetlager des Flächentyps einen an einem Teil des umlaufenden Körpers befestigten unteren Eisenkern sowie einen dazu entgegengesetzt eingebauten und von den Erregerwicklungen beaufschlagten oberen Eisenkern umfaßt, wird die genannte radiale Instabilität, die einen Nachteil des magnetischen Axiallagers darstellt, beseitigt. Das Magnetlager des Flächentyps weist andererseits Stabilität in AxiaLrichtung auf, so daß die Anziehungskraft erhöht wird, wenn axiale Auslenkungen auftreten, die die beiden Eisenkerne einander nähern, während die Anziehungskraft vermindert wird, wenn Ablenkungen auftreten, bei denen sich die beiden Eisenkerne voneinander entfernen.
• Um bei dem magnetischen Axiallager und dem magnetischen Flächenlager die Anziehungskraft zu verbessern, ist eine Vielzahl von Zähnen an denjenigen Teilen, die die magnetischen Kraft linien passieren, vorgesehen worden. Vorgeschlagen worden ist ein Aufbau, bei dem an einander entgegengesetzten Flächen des rotierenden Elements und des stationären Elements gieiche Zähnezahlen mit gleicher Exzentrizität vorgesehen worden sind. Da die Zentripetalkraft zur magnetischen Leitwertänderung der magnetischen Kreise proportional ist, werden die besagten Zähne bekanntlich so dünn wie möglich gemacht, um die Zentripetalkraft zu erhöhen.
• Für die in einer derartigen Anordnung vorgesehenen Magnetkreise ergibt sich die axiale Dämpfungskraft Ft aus der Gleichung Ft#B2S =#, wobei S der Gesamtbetrag der Spitzen-Oberflächen jeder an dem umlaufenden Element und an dem stationären Element gebildeten Zahngruppe ist, B die magnetische Induktion und der Gesamtbetrag des Magnetflusses.
• Sind an beiden Seiten des umlaufenden Elementes obere und untere stationäre Elemente angeordnet, zwischen diesen und dem umlaufenden Element bestimmte Luftspalte freigelassen und sind die Zähne hinsichtlich der Anzahl und Gestaltung vollständig identisch ausgelegt, so tritt nur eine Zentripetalkraft auf, während die Wirkungen der an dem umlaufenden Element angreifenden Anziehungskräfte einander kompensieren.
• Wird das umlaufende Element jedoch leicht nach oben oder unten ausgelenkt, so daß die Luftspalte verkleinort werden, so erhöht sich die Anziehungskraft zwischen einander gegenüberstehenden Zähnen in Richtung der Ablenkung, während sie sich in der entgegengesetzten Richtung vermindert. Aus der obigen Formel ist ersichtlich, daß die Anziehungskraft Ft längs einer Kurve zweiten Grades zu- oder abnimmt, so daß selbst geringe Auslenkungen einen ruhigen Lauf des das umlaufende Element tragenden rotierenden Körpers verhindern.
• In diesem Zusammenhang ist noch wichtig, daß neuere Entwicklungen zu schnell laufenden Einrichtungen gehen, die mit Drehzahlen über 30.000 Upm arbeiten. Derartige Einrichtungen erfordern eine radial und axial stabile Magnetlageranordnung.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetlageranordnung zu schaffen, die nicht nur die Zentripetalkraft des rotierenden Körpers aufrechterhält, sondern auch einen gegen axiale Ablenkungen des rotierenden Körpers stabilen Betrieb gewährleistet. Zur Aufgabe gehört es ferner, eine Magnetlageranordnung zu schaffen, durch die die Stützkraft einer weiteren Lageranordnung entlastet werden kann,indem der rotierende Körper durch Erteilung einer Axialkraft beim Betrieb gestützt wird. Ferner gehört es zur Aufgabe der Erfindung, eine Magnetlagereinrichtung zu schaffen, die einen axial stabilen Betrieb gestattet, falls die Einrichtung hauptsächlich unter Bedingungen verwendet wird, bei denen der rotierende Körper axial bewegbar ist. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es weiterhin, eine Magnetlagereinrichtung vorzusehen, bei der sich das Verhältnis von Axialkraft gegenüber axial konstanter Auslenkung des rotierenden Körpers nur wenig ändert.
• Die Erfinder sind davon ausgegangen, daß die Axialkraft proportional ist zu dem Produkt aus der magnetischen Induktion zwischen einander gegenüberstehenden Flächen der umlaufenden und stationären Elemente und dem Betrag des Magnetflusses, wie dies die obige Formel angibt. Bei einer magnetischen Lagereinrichtung, die stationäre Elemente an beiden Seiten eines umlaufenden Elementes umfaßt, bei der an den Oberflächen der stationären Elemente und des umlaufenden Elementes eine Vielzahl von Zähnen angeordnet ist, die zwei Gruppen von jeweils mehreren oberen und unteren Zähnen bilden, und bei der zwischen den einander gegenüberstehenden Zähnen bestimmte Luftspalte bestehen, ist erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß mindestens eine der beiden Zahngruppen magnetisch gesättigt ist. Bei der erfindungsgemäßem magnetischen Lagereinrichtung ist das umlaufende Element an einem rotierenden Körper befestigt und besteht aus magnetischem Material, die stationären Elemente sind auf beiden Seiten des umlaufenden Elements ange-Ordnet und bestehen ebenfalls aus magnetischem Material, die beiden Zahngruppen sind jeweils mit gleicher Exzentrizität an einander gegenüberstehenden Flächen des umlaufenden Elements und der stationären Elemente angeordnet, und es ist eine Einrichtung vorgesehen, die zwischen dem umlaufenden Element und den stationären Elementen Nagnetpfade errichtet; dabei weist eine der beiden Zahngruppen eine geringere Zähnezahl auf als die andere Gruppe, und mindestens die Zähne der besagten einen Gruppe sind magnetisch gesättigt. Dadurch wird die Stützkraft für ein am unteren Ende des vertikalen rotierenden Körpers angeordnetes Reibungslager verringert.
• Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert; in den Zeichnungen zeigen Fig. 1 einen Zentrifugal-Trennapparat an sich herkömmlicher Art, der sich vorteilhafterweise in Verbindung mit einem schnell laufenden rotierenden Körper verwenden läßt; Fig., 2 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße magnetische Lageranordnung; und Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktion der Erfindung.
• Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines rotierenden Körpers 11, der eine rotierende Trommel 13, eine daran montierte obere Welle 15 und eine daran montierte untere Welle 16 sowie einen an der unteren Welle 16 befestigten Läufer 21 eines elektrischen Antriebsmotors umfaßt. An der oberen Welle 15 ist ein umlaufendes Element 17 einer magnetischen Lageranordnung befestigt, die außerdem obere und untere stationäre Elemente 18, 19, Erregerwicklungen 20 und einen Eisenkern 24 umfaßt. Die oberen und unteren stationären Elemente 18, 19 sind derart eingebaut, daß sich ein Teil des umiaufenden Elements 17 zwischen den einander zugewandten Flächen der stationären Elemente befindet, und sie sin ferner mit dem Eisenkern 24 in ein Gehäuse eingebaut. Der Eisenkern 24 und die Erregerwicklungen 20 üben zusammen auf das umlaufende Element 17 eine Axialkraft aus. Die untere Welle 16 wird von einem Reibungslager 23 gestützt. Daher wird der rotierende Körper 11 von der magnetischen Lageranordnung getragen, wobei das Reibungslager eine Drehung des Körpers 11 gestattet. Um den Läufer 21 des Antriebsmotors herum ist ein Ständer 22 angeordnet. Der Antriebsmotor versetzt den rotierenden Körper 11 in Drehung mit hoher Drehzahl.
• Fig. 2 zeigt eine Einzelheit der magnetischen Lagereinrichtung des in Fig. 1 gezeigten Flächentyps. Gemäß Fig. 2 sind an den einander zugewandten Flächen des umlaufenden Elements 17 und des stationären Elements 18 mehrere koexzentrische oder konzentrische Zähne 25 bzw. 26 zylindrisch montiert, die eine obere Zähne gruppe bilden Zwischen diesen Zähnen 25, 26 ist ein bestimmter Laftspalt 27 vorgesehen. Die Zähne sind im Axialschnitt rechteckig, und gegenüberliegende Zähne bilden Magnetpfade. Die Spitzen der Zähne dienen in geeigneter Weise dazu, an den Spitzen einen Axialkraftbereich zu erzeugen, der von außen nach innen allmählich zunimmt. Die Gestalt eines Zahnes beschränkt sich nicht auf die rechteckige Form; vielmehr lassen sich auch Zähne verwenden, deren Querschnitt trapozförmig ist, wobei die Spitze schmäler ist als der Fuß, oder deren Querschuitt umgekehrt-trapezförmig ist, wobei die Spitze breiter Ist als der Fuß. Da die magnetische Induktion vom Magnetfluß pre Querschnittsfläche abhängt, richtet sich der wrks&m£ Bereich zur Erzeugung der Axialkraft im ersteren falle nach der Spitze und im letzteren Falle nach dem Fuß.
• Auf den einander zugewandten Flächen des ziui.au:oc-naen Elements 17 und des stationären Elements 19 sind ebenfalls mchrere konzentrische Zähne 29, 30 zy@indrisch montiert. Diese Zähne 29, 30 bilden eine untere Zahngruppe, zwischen denen ein bestimmter Luftspalt 31 vorgesehen ist. Die estalt der Zähne 29, 30 ist im wesentlichen identisch mit der der Zähne 25, 26. Die Zähne 29, 30 sind außen angeordnet, um die Zentripetalkraft zu erhöhen. Zwischen einander gegenüberliegenden Zähnen 29, 30 bilden sich Magnetpfade. Die Anzahl der Zähne 29, 30 in der unteren Gruppe ist geringer als die der Zähne 25, 26 in der oberen Gruppe.
• Die Erfindung beschränkt sich nicht auf dieses Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist auch möglich, die Anzahl der Zähne 29, 30 gleich der der Zähne 25, 26, jedoch den Flächenbetrag an den Spitzen der ersteren kleiner als an den der letzteren zu machen. Jedenfalls ist es möglich, die Zähne 29, 30 gegenüber den Zähnen 25, 26 magnetisch zu sättigen.
• Die magnetische Induktion in den Zähnen 25, 26, 29, 30 wird durch Steuerung des Stroms in den Erregerwicklungen 20 eingestellt; überschreitet -die magnetische Induktion einen bestimmten Wert, so werden die Zähne 29, 30 vor den Zähnen 25, 26 gesättigt. Die magnetischen Leckströme von den Seitenflächen der Zähne 25, 26 nehmen dabei zu. Die Erregerwicklungen brauchen nicht immer einstellbar zu sein; vielmehr lassen sich gleiche Wirkungen auch unter Verwendung eines Stromes mit vorher eingestelltem Wert erzielen.
• Indem die magnetische Sättigung in den Zähnen 29, 30, wie oben erwähnt, erzeugt wird, folgt die Axialkraft zwischen den Zähnen 25 und 26, die nicht magnetisch gesättigt sind, der Kurve A in Fig. 3, während die Axialkraft zwischen den Zähnen -29 und 30 der Kurve B in Fig. 3 entspricht. Daraus ergibt sich eine auf das umlaufende Element 17 wirkende Axialkraft gemäß'der Kurve C in Fig. 3, wobei in dieser Figur die Ordinate die nach oben gerichtete absorbierende oder Anziehungskraft Ft auf den rotierenden Körper anzeigt, während an der Abszisse der Betrag der Ablenkung in Aufwärtsrichtung aufgetragen ist.
• Die Kurve D der Fig. 3 zeigt die Axialkraft eines früheren Lagers des radial gerichteten Typs, bei dem mehrere Zähne an oberen und unteren Luftspalten (27, 31) völlig symmetrisch vorgesehen sind. Bewirkt die mit w dargestellte aufwärts gerichtete Axialkraft, daß das umlaufende Element die Last von dem Reibungslager verringert, so stellt sich auf der Kurve C ein Punkt M und auf der Kurve D ein Punkt N ein; wobei die x-Ablenkungen an der Abszisse m bzw. n werden. Da die nach oben gerichtete Anziehungskraft kleiner sein sollte als das Gesamtgewicht W des rotierenden Körpers 11, ergibt sich aus der Zeichnung, daß das Maß der Aufwärtsbewegung auf der Kurve C gleich MP wird, wobei die Auslenkung in x-Richtung zu mp = a wird, während das Maß der Aufwärtsbewegung auf der Kurve D gleich NQ wird, wobei die Ablenkung zu nq = wird. Aus der Zeichnung ist zu ersehen, daß a> b. Daher ist das Ausmaß der Bewegung auf der Kurve C größer als das auf der Kurve D. Daraus ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Einrichtung eine höhere Stabilität aufweist, da sie größere Auslenküngen beherrscht.
• Der Änderungsgradient der Axialkräfte in der Umgebung der Punkte M bzw. N wird von den Steigungen der Kurven wiedergegeben. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist die Steigung der Kurve C in der Nachbarschaft des Punktes M geringer als die der Kurve D in der Umgebung des Punktes N. Daher weist die Kurve C ein besseres Verhalten auf.
• Im Falle einer rotierenden Trommel 13, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ändert sich ferner die Trommelform bei zunehmender Geschwindigkeit zu einer Tonnenform, so daß das umlaufende Element 17 nach unten ausgelenkt wird. Jedoch wirkt auf das umlaufende Element 17 die nach oben gerichtete Anziehungskraft mit' der durch den Punkt E angegebenen Größe, wobei E der Schnittpunkt der Kurve C mit der Abszisse ist.
• Daher erweist sich die erfindungsgemäße Einrichtung auch in negativer x-Richtung stabil.
• Ist das andere Ende des rotierenden Körpers, wie in Fig. 1 gezeigt, in einem Reibungslager (beispielsweise einem Kugellager) 23 gestützt, so wird die an dem Lager 23 angreifende Last durch die Wirkung der Anziehungskraft verringert. Daher läßt sich ohne weiteres eine höhere Drehzahl des rotierenden Körpers erreichen, und das Lager 23 erhält bessere Eigenschaften hinsichtlich Verlusten und Lebensdauer.
• Bekanntlich hat ein Magnetlager des radial gerichteten Typs eine stabile Charakteristik in Radialrichtung, d.h. in y-Richtung nach Fig. 2. Die absorbierende bzw. Anziehungskraft Fr (Zentripetalkraft) läßt sich durch die Gleichung wiedergeben, wobei P den magnetischen Leitwert und V die magnetomotorische Kraft angeben. Um eine hohe Radialkraft Fr zu erzielen, muß ein großer Änderungsgradient des magnetischen Leitwerts gegenüber radialen Auslenkungen gewä hlt werden. Bei dem in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind die verschiedenen Zähne 25, 26, 29, 30 so geformt, daß ein solcher hoher Änderungsgradient des magnetischen Leitwerts erzielt wird. Ferner wird die Kraft Fr durch die Höhe der Zähne, d.h. durch die Tiefe der dazwischenliegenden Lücken, ferner durch die Breite der Zähne, die Dimension der Zahnteilungen oder -steigungen sowie die Abmessungen der Luftspalte 27 und 31 zwischen dem umlaufenden Element 17 und den stationären Elementen 2, 19 beeinflußt.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Magnetische Lageranordnung mit einem an einem rotierenden Körper befestigten umlaufenden Element aus magnetischem Material und auf beiden Seiten des umlaufenden Elements angeordneten Stationären Elementen ebenfalls aus magnetischem Material, wobei an den jeweils einander zugewandten Flächen des umlaufenden Elements und der stationären Elemente zwei Zahngruppen vorgesehen sind, wobei jede mehrere einander zugewandte und konzentrisch angeordnete Zähne umfaßt und zwischen den einander zugewandten Zähnen jeder Gruppe Luftspalte vorgesehen sind, so daß zwischen dem umlaufenden Element und den stationären Elementen Magnetpfade bestehen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens die Zähne (29,30) einer der beiden Gruppen magnetisch gesättigt sind.

.2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Zähnezahl in einer (29,30) der beiden Zahngroppen kleiner it als in der anderen Zahngruppe (25,26).

3. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Gesamtquerschnittsfläche der Zähne (29,30) einer Gruppe kleiner ist als bei den Zähnen (25,26) der anderen Gruppe.

4. Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Zähne (25,26,29,30) verengte Bereiche, vorzugsweise an den Zahnspitzen, aufweisen.

5. Vertikale magnetische Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die stationären Elemente (18,19) an der oberen und unteren Seite des umlaufenden Elements (17) angeordnet sind und eine Stützkraft erzeugen, die die auf ein am unteren Ende des vertikalen rotierenden Körpers (11) angeordnetes Reibungslager (23) ausgeübte Kraft verringert.

6. Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die gesättigten Zähne (29,30) an dem umlaufenden Element (17) weiter auden angeordnet sind als die übrigen Zähne (25,26).

7. Lageranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Querschnittsfläche der Zahnspitzen von außen nach innen allmählich abnimmt.