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Anordnung zur magnetischen Lagerung Die Erfi£dung betrifft eine Anordnung
zur magnetischen Lagerung eines Rotors, enthaltend induktive Meßfühler für die Lage
des Rotors bezüglich des Stators.
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Problemstellung Bei Anordnungen mit magnetischen Lagern wird in den
Richtungen, in welchen die magnetischen Erafte wirksam sind, ein riechanischer Kontakt
zwischen Stator und Rotor vermieden, so daß derartige Anordnungen keinem Verschleiß
unterworfen sind keinen Wartungsaufwand erfordern. Eine derartige Anordnung ist
aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 160 065 bekannt geworden, welche zur aktiven
Lagerung eines Rotors induktive Me3-fühler zur Erfassung der Lage desselben aufweist.
Mittels der induktiven Meßfühler werden Signale erzeugt, die durch Impedanzänderungen
entstehen. Diese können sowohl
direkt in Zusammenwirken der Meßfühlerwicklungen
mit Rotorteilen aus magnetischen oder elektrisch leitendeni Material gewonnen werden,
als auch indirekt beispielsweise aus der durch die Bewegung des Rotors verursachte
Änderung der Verkopplung von Meßfühlerwicklungen. In Abhängigkeit der Meßfühlereignale
weren über Rugeleinrichtungen auf dem Stator entsprechend angeordnete Krafterzeugerspulen
angezteuert um den Rotor in einer vorgeebenen Sollposition zu halten. Die Krafterzeugerspulen
wirken dabei mit ferromagnetischen Teilen des Rotor« zusammen, wobei zwischen den
spulen und den ferromagneti schen Teilen lektromagnetische Kräfte wirksam werden,
die einen mechanischen Kontakt zwischen Rotor und Stator verbindern. Aus der deutschen'Pptentschrift
2 210 995 it weiterhin eine Anordnung bekannt geworden, bei welcher zur Rotor auf
dem Umfang verteilt angeordnete Permenentmagnete aufweist. Auch hier sind auf dem
Stator Spulen vorgesehen, die über Regelanordnungen in Abhängigkeit von Meßfühlersignalen
angesteuert werden und zusammen mit den genannten Permanentmagneten die berührungsfreie
Lagerung des Rotors gewährleisten. Bei diesen oder ähnlich aufgebauten Anordnung
ist die exakte Erfassung der Rotorlage für die Wirksamkeit und die Stabilität von
entscheidender Bedeutung. Die bekannten Meßfühler, welche nach optischen, kapazitiven
oder auch induktiven Methoden arbeien, erfassen dabei die Rotorlage im wesentlichen
punktförmig. Dies hat zur Folge, daß beispielsweise durch Fertigungstolenranzen
bedingte Fehler oder Unregelmäßigkeiten des Rotors aufgrund von elastischen Formänderungen
des Rotors in den Meßfühlern Signale erzeugt werden, obgleich der Rotor sich in
einer Sollage befindet. Die derart entstehenden Fehlersignale bewirkten einen unnötigen
Eingriff der Regelanordnung auf die Kraftspulen und einen Leistungsverbrauch, welcher
den Wirkungsgrad der magnetischen Anordnung erheblich verschlechert. Weiterhin können
insbesondere bei schnelldrehenden Rotoren, die durch
eine Unregelmäßigkeit
des Rotors erzeugten und mit der Drehzahl umlaufenden Störkrafte die Lageregelung
instabil und somit die genannte Anordnung unbrauchbar machen.
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Aufgabe und Lösung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die genannten
Nachteile zu vermeiden und eine einfache Anordnung zu schaffen, bei welcher Fehler
oder Unregelmäßigkeiten des Rotor: weitgehend unwirksam sind. Diese Aufgabe wird
gemäß den Merkmalen der ersten Patentanspruche gelöst.
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Vorteile und Weiterbildungen Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet
aus durch einen sehr einfachen Aufbau und ist ohne besondere Schwierigkeiten herstellbar.
Er wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß bei Fehlstellen des Rotors der mittlere
Luftspalt zwischen einem ausgedehnten Meßfühler und dem Rotor nur unwesenlich geändert
wird, so daß praktisch kein Fehlersignal auftritt. Aufgand der geometrischen Ausbildung
der Meßfühlerwicklungen wird somit eine "geometrische Mittelung der angegebenen
Fehler erzielt, ohne besondere Vorkehrungen in der Regelanordnung treffen zu müssen.
Eine zeitliche Mittelung, wie es zum Beispiel durch elektrische Filter (Tiefpaß)
erfolgen könnte, weist den Nachteil auf, daß hierdurch Phasenverluste verursacht
werden, die sich negativ auf die Regelkreis stabilität auswirken können. Eine im
Hinblick auf die Herstellung sehr vorteilhafte Ausbildung der Erfindung wird gemäß
den Merkmalen des dritten Patentanspruches geschaffen. Dabei sind lediglich die
9 Oberflehen des lsolierk3rpers den gegenüberliegenden Oberflächen unter Berücksichtigung
eines geeigneten Abstandes in der Form anzupassen und die Meßfühlerwicklungen auf
dem Isolierkörper anzuordnen. Wenn
die Meßfühlerwicklungen nur mit
einer oder wenigen Lagen ausgeführt sind, so kann auf diese Weise auch ein relativ
kleiner Lufspalt zwischen den Meßfühler.Polflächen und dem Rotor her-geetellt werden.
Die jeweilige Form der Rotoroberfläche ist dabei unerheblich, denn auch bei einem
beispielsweise kugelförmigen Rotor können die Oberflächen des Isolierkörpers ohne
weiteres entsprechend ausgebildet sein.
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Ausführungsbeispiel Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
soll nachfolgend anhand der Zeichnung näher dargestellt werden.
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Es zeigt;: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines kreisringförmigen
Rotors, sowie eines die Meßfühlerwicklungen tragenden Statorteiles, wobei Statorteil
und Rotor explosionsartig dargestellt sind.
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Gemäß Fig. 1 ist ein kreisringförmiger Rotor 1 vorgesehen, welcher
auf einer Innenfläche Permanentmagnete 2 mit in Umfangsrichtung abwechselnder Polarität
aufweist. Zur Erzeugung von Kräften oder Momenten, die zur lagerung und gegebenenfalls
zum Antrieb des Rotors erforderlich sind, sind innerhalb des Rotors 1 Krafterzeugerspulen
oder Stromleiter angerodnet (nicht dargestellt), auf die hier nicht näher eingangen
werden sol, da diese nicht Gegenstand der vorli£genden Erfindung sind. Der Rotor
1 besteht zumindest in seiner äußeren Schicht aus magnetischem oder elektrisch leitendem
Material. Nach außen ist der Rotor 1 von einem Isolierkörper lt des Stators umgeben,
welcher einen U-förmigen Querschnitt auweist. Die Innenflächen 5, 6, 7 des genannten
Isolierkörpers 4, weisen zu den Außenflächen 8, 9 des Rotors, einen Abstand auf.
Auf der zylindrischen iniienfläche ? des Isolierkörpers 4 sind vier flache Meßffihlerwicklungen
11 angeordnet, die sich in Umfangsrichtung
jeweils über einen Winkelbereich
von näherungsweise 900 erstrecken. Weiterhin sind auf der in einer Radialebene liegenden
Innenfläche 5 vier Meßfühlerwicklungen 12 vorgesehen, welche sich innerhalb von
Quadranten jeweils über einen Winkelbereich von 90° erstrecken. Die Meßfühlerwicklungen
11 besiehungsweist 12 sind jeweils mit annähernd gleichem Windungsquerschnitt ausgebildet.
Somit kann durch entsprechnde Verknüpfung der Signale von diametral gegenüberliegenden
Meßfühlerwicklungen in vorteilhafter weise ise die Lage des Rotors sowohl in Richtung
der drei Raumachsen als auch um die Raumachsen erfaßt werden. Beispielsweise wird
durch Vorzeichenrichtige Addition der Signale der gegenüberliegenden Wicklungen
12 die Lage des Rotors in Richtung der Lagerachse erfaßt, während durch Differenzbildung
derselben Signale eine Drehbewegung des Rotors um die zur Längsachse senkrechte
Raumachse erfaßt. Selbstverständlich können die Meßfühlerwicklungen auch über andere
Winkelbereiche sich erstrecken. Beispielsweise kann zur Erfasung der Rotorlage in
Richtung der Längsachse eine um den gesamten Umfang auf der Innenfläche 5 sich erstreckende
Wicklung vorgesehen werden, wobei mit weiteren Wicklungen die R.jtorlage um die
ur Längsachse senkrechten Raumachsen erfaßt werden. Die genannten Wicklungen besteher
jeweils aus einer Lage und sind entweder aus diskreten Drähten hergestellt und auf
den Isolierkörper aufgeklebt, oder sie sind als Leiterbahnen auDgebildet, die in
bekannter Weise wie bei gedruckten Schaltungen hergestellt sind Auf diese Weise
sind die Polflächen der einzelnen Meßfühlerwicklungen 11, 12 ohne Schwierigkeiten
der Außenfläche des Rotors angepaßt, so daß Luftspalte mit im wesentlichen gleichbleibender
Weite vorhanden sind. Die Erfindung ist keinesfalls auf das angegebene Ausführungsbeispiel
beschränkt, sie betrifft beispielsweise auch in axialer Richtung langgestreckte
Rotoren, die in Gaszentrifugen zum einsatz gelangen.
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Derartige Rotoren weisen in wenigstens zwei Radialebenen Magnetanordnungen
auf, die zur akt iven, radialen Lagerung dienen. Für jede Radialebene wird eine
kreisringförmige Anordnung vorgesehen, auf deren Innenfläche Meßfühlerwicklungen
angeordnet sind ähnlich wie die Wicklungen- 11 auf der Innenfläche 7 des Isolierkörpers
aus dem dargestellten Ausführungsbeispiel. Zur axialen Stabilisierung dieses Rotors
sind weitere meßfühlerwicklungen vorgesehen, entsprechend der Wicklung 12 des o.a.
Ausführungsbeispieles.
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kLs weiteres Anwendungsbeispiel seien noch Anordnungen genannt mit
Rotoren deren Oberflächen zumindest teilweise kugelförmig oder sonstwie gekrümmt
ausgebildet sind. In allen Fällen ist es von entscheidender Bedeutung, daß die Meßfühlerwicklungen
sich über einem größeren Winkelbereich erstrecken uni deren Polflächen der jeweiligen
Rotoroberfläche angepaßt sind.
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Patentansprüche -