DE2420825B2 - Magnetische Lagerung eines Rotors - Google Patents
Magnetische Lagerung eines RotorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung eines Rotors an einem Stator ohne Berührung zwischen
diesen mit einem passiven Axial-Lagerelement, das im Zusammenwirken mit ferromagnetischen Teilen des
Rotors stabilisierende Axialkräfte und destabilisierende Radialkräfte auf den Rotor ausübt und mit einem den
destabilisierenden Kräften entgegenwirkenden, radiale Rückstellkräfte erzeugenden, aktiv geregelten, elektromagnetischen Radial-Lagerelement sowie mit einem
weiteren magnetischen iladiallager, das in axialem Abstand von dem den destabilisierenden Radialkräften
entgegenwirkenden Radial-Lagerelement angeordnet ist
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 17 50 602 ist
eine derartige Lagerung bekannt geworden. Das passive Axial-Lagerelement besteht dabei aus einem
Ring- oder Stabmagneten, der den Rotor axial stabilisiert und dessen destabilisierende Wirkung in
radialer Richtung von einem elektromagnetischen Radial-Lagerelement aufgenommen wird, das mit
berührungslosen Wegaufnehmern bzw. Fühlern arbei-
tet, deren Signale an ein elektronisches Regelgerät
gegeben werden, das wiederum Ausgangsströme an eine Spulenkombination liefert, die die notwendigen
Stabilisierungskräfte erzeugt Bei dieser bekannten Ausführung ist auch das zur vollständig barührungslosen
Lagerung eines beliebig gestalteten Rotors notwendige zweite Radiallager als ein aktiv geregeltes Elektromagnetisches Radial-Lagerelement der soeben beschriebenen Art ausgebildet Diese Lagerung arbeitet ganz
ausgezeichnet und ist trotz besserer Wirksamkeit und größerer Betriebssicherheit einfacher aufgebaut als
vorher bekannte voll-elektromagnetische Lagerungen. Sie benötigt jedoch für jedes Radial-Lagerelement, d. h.
für wenigstens zwei Lagerebenen, ein elektronisches Steuergerät, das wenigstens drei (in den meisten Fällen
vier) Spulen oder als Spulen wirksame elektrische Bauelemente mit Regelströmen versorgen muß. Für
gewisse Anwendungsfälle wäre es wünschenswert, eine Lagerung zu schaffen, bei der die Anzahl der
elektronischen Steuergeräte bzw. Bauelemente herabgesetzt werden kann und bei dem es α U. auch möglich
ist, die für die Steuergeräte benötigte Leistung zu vermindern.
In dieser Offenlegungsschrift ist ferner eine Ausführung beschrieben, bei der für einen Rotor mit vertikaler
Drehachse das untere Lager aus einem am Rotor befestigten Permanentmagneten besteht, dessen Magnetfeld einen elektrisch leitenden Körper am Stator
durchsetzt Durch die in dem elektrisch leitenden Körper erzeugten Wirbelströme wird der Schwingbewegung des Rotors Energie entzogen und somit eine
Dämpfung erzielt Dieses Lagerelement benötigt zwingend einen Permanentmagneten am Rotor und
erzeugt vor allem keine Rückstellkräfte des Rotors in seine Soll-Lage. Er ist also praktisch nur für vertikal
gelagerte Rotoren brauchbar und dort auch nur für solche, auf die zumindest im Bereich des unteren Lagers
keine äußeren Kräfte einwirken und die keine großen Schwingungsanregungen erfahren. Bei diesem Lager
bildet die Schwerkraft die Rückstellkraft
Aus der schweizerischen Patentschrift 4 45 995 sind ferner Lagerungen bekanntgeworden, bei denen wenigstens ein Radial-Lagerelement passiv wirkt, d. h. ohne
eine elektromagnetische Regelung auskommt Es handelt sich dabei um Lager, die mit abstoßenden
Magnetkräften arbeiten und zu diesem Zwecke einen radialmagnetisierten Ringmagneten am Stator und
einen ebenfalls ladialmagnetisierten Permanentmagneten am Rotor aufweisen. Am Luftspalt liegen sich
jeweils gleichnamige Pole gegenüber, so daß dort abstoßende Kräfte entstehen. Ein solches Lager ist
jedoch in axialer Richtung labil bzw. erzeugt dort destabilisierende Kräfte, die bei einer Auslenkung
versuchen, die Permanentmagneten am Stator und Rotor in axialer Richtung auseinanderzudrücken. Daher
ist bei dem bekannten Lager eine elektromagnetische Regelung der axialen Lage mittels eines auf eine
weichmagnetische Endscheibe einwirkenden geregelten Elektromagneten vorgesehen. Ein solches Lager ist in
der Praxis für allgemeine Anwendungen sehr schlecht geeignet Insbesondere bei relativ schneller Rotation,
wofür magnetische Lagerungen insbesondere vorgesehen sind, bewirken Antrieb, Exzentrizitäten, Pendel- und
Kreiselschwingungen sowie eventuell äußere Lasten erhebliche Schwingungsanregungen in radialer Richtung. Das Dämpfungsverhalten der wie vorstehend
beschrieben gelagerten Rotoren ist aber außerordentlich schlecht, und sie sind daher auch nur zum Einsatz bei
elektrischen Meßinstrumenten, d. h. für geringe Rotorgewichte und kleine Drehzahlen, bestimmt
Es sind auch Lager bekannt geworden, die eine RadiaJlageruiig mittels magnetischer Scherkräfte, d. h.
anziehender magnetischer Kräfte, bewirken (US-Patentschrift 28 56 240). Diese benötigen jedoch eine
elektromagnetische Regelung in axialer Richtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine berührungslose
magnetische Lagerung zu schaffen, die in bezug auf den
ίο geringen Energiebedarf weiter verbessert ist, und sich
durch eine Verringerung der notwendigen Anzahl elektronischer Bauteile und dementsprechend eine hohe
Zuverlässigkeit auszeichnet Eine solche Lagerung soll für Rotoren in allen Achslagen, insbesondere auch für
horizontale Lagerungen, geeignet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß das weitere magnetische Radial-Lagerelement ein passives, radiale Rückstellkräfte erzeugendes Lagerelement mit wenigstens einem Permanentmagneten ist, das
sich in axialer Richtung labil verhält bzw. destabilisierende Axialkräfte erzeugt, und daß Änderungen der
stabilisierenden Axialkräfte des passiven Axial-Lagerelementes im Arbeitsbereich größer sind als Änderungen der den stabilisierenden Axialkräften entgegenwir-
kenden destabilisierenden Axialkräfte des passiven Radial-Lagerelementes.
Das bedeutet also, daß der Axial-Destabilisierung
eines ungeregelten, also passiven Radiallagers die stabilisierenden Kräfte eines ebenfalls ungeregelten,
passiven Axiallagers entgegengesetzt werden. Bekanntlich verhält sich ja ein permanentmagnetisches Lagerelement stets nur in einigen Freiheitsgraden stabil und
erzeugt dafür destabilisierende Kräfte in einer anderen Richtung. Ferner ist es von den Naturgesetzen her
unmöglich, eine völlig ungeregelte permanentmagnetische Lagerung zu schaffen. Mit der Erfindung wird
jedoch eine berührungsfreie Gesamtlagerung geschaffen, die mit einem Minimum an Regelungsaufwand, d. h.
mit nur einem aktiven, elektromagnetischen Lagerele-
4fl ment, ein Maximum an sicherer Funktion und Tragkraft
erfüllt Dieses elektromagnetische Lagerelement, das ein Radiallager nach der deutschen Offenlegungsschrift
17 50 602 sein kann, kann es, wie sich in der Praxis gezeigt hat sehr gut mit den destabilisierenden
« Radialkräften des Axiallagers aufnehmen. Dieses nimmt
jedoch auf passive Weise, d.h. ohne Einsatz von Regelenergie, die destabilisierenden Axialkräfte des
zweiten Radiallagers auf. Diesem Grundprinzip verdankt das Lager seine optimale Tragfähigkeit bei einem
Minimum an Bauaufwand. Es zeigt sich ferner, daß auch die Aufnahme von Schwingbewegungen in axialer
Richtung keine Schwierigkeiten bereitet In axialer Richtung liegt nämlich nur ein einachsiges Schwingungssystem vor, das dann auch nur eine kritische
Schwingfrequenz hat Auch eine Kopplung axialer Bewegungen an die Rotation des Rotors um seine
normale Drehachse ist nicht vorhanden, so daß im Gegensatz zu den erheblichen Rotationseinflüssen
durch Kreiselwirkung in radialer Richtung auch hier in
*>o axialer Richtung keine Schwierigkeiten auftreten.
Daher reichen zur axialen Schwingungsdämpfung meist die Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste aus,
die in den ohnehin vorhandenen Lagern bei axialen Bewegungen entstehen.
t>s Da Änderungen der stabilisierenden Axialkraft
größer sind als Änderungen der destabilisierenden, entsteht also ein stabiler Arbeitspunkt, obwohl das
eigentliche passive Axial-Lagerelement nur einseitig
wirkend ausgebildet sein kann. Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der wenigstens eine Permanentmagnet
des passiven Radial-Lagerelementes am Stator angeordnet sein und mit einem ferromagnetischen
Teil des Rotors zusammenwirken. Ein solches Lagerelement arbeitet also mit anziehenden magnetischen
Kräften, und die Radiallagerung wird durch sogenannte magnetische Scherkräfte herbeigeführt
Obwohl hier die destabilisierenden Kräfte relativ groß sind und vor allem stets wirksam sind und ausgeglichen ιυ
werden müssen, ist dies jedoch eine besonders einfache Anordnung, da nur ein stationärer Permanentmagnet
notwendig ist
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der wenigstens eine Permanentmagnet des π
passiven Radial-Lagerelementes ebenfalls am Stator angeordnet sein und mit einem am Rotor angeordneten
weiteren Permanentmagneten zusammenwirken. Bei dieser Ausführungsform sind die verfügbaren magnetischen
Scherkräfte noch größer als bei der vorher beschriebenen Ausführungsform. Es ist jedoch ein
Permanentmagnet am Rotor notwendig. Es sei hier noch bemerkt, daß die zusammenwirkenden Flächen
der Permanentmagneten bzw. Rotorenden derart gestaltet sein können, daß die größten Scherkräfte im
Verhältnis zu den destabilisierenden Kräften auftreten. Dafür gibt es zahlreiche Vorschläge beim Stand der
Technik.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der am Rotor angeordnete Permanentmagnet in jn
den am Stator angeordneten Permanentmagneten hineingreifend angeordnet sein, und die beiden miteinander
zusammenwirkenden Permanentmagneten, die vorteilhaft konzentrische, im wesentlichen zylindrische
Permaiientmagnetringe sind, können mit einander
entgegengesetzter Magnetisierungsorientierung radial magnetisiert sein.
Eine solche magnetische Lagerung arbeitet mit abstoßenden Magnetkräften, da sich am Luftspalt
gleichnamige Pole gegenüberliegen. Je nach Ausbildung hat jedoch ein solches Radial-Lagerelement eine
mittlere labile Gleichgewichtslage, in der die bei Verschiebung nach beiden axialen Richtungen wirksam
werdenden destabilisierenden Magnetkräfte sich gegenseitig aufheben. Es kann nun durch entsprechende αϊ
Anordnung und Ausbildung des passiven Axial-Lagerelementes eine Soll-Lage einreguliert werden, in der das
Axial-Lagerelement nicht ständig den destabilisierenden
Kräften des passiven Radial-Lagerelementes entgegenzuwirken braucht, da dies im labilen Kräfte- vi
glekhgewicht läuft Das vorbeschriebene, an sich bekannte magnetische Radiallager hat den Vorteil
besserer Radiallagereigenschaften mit einer relativ günstigen Lagerkennlinie (Verlauf des Verhältnisses
Rückstellkraft zu Auslenkung). Auch der Kennlinienverlauf der destabilisierenden Kräfte ist günstiger, da er
nicht in dem Maße progressiv verläuft, wie meist bei den
mit anziehenden Kräften arbeitenden Lagern. Generell ist zu sagen, daß außer den soeben als besonders
vorteilhaft angesprochenen passiven Radial-Lagerelementen auch alle übrigen bekannten passiven Radial-Lagerelemente
Verwendung finden können, die die angegebenen Forderungen erfüllen.
Vorteilhaft kann der am Stator angeordnete Permanentmagnet
des passiven Radial-Lagerelementes gedämpft elastisch aufgehängt sein. Eine solche Dämpfung
kann auf die verschiedensten Arten erfolgen, beispielsweise
durch Aufhängung an einem Federmaterial mit großer materialbedingter Eigendämpfung, durch hydraulische
Dämpfungsmittel etc. Wichtig ist dabei lediglich, daß die, wie vorstehend geschildert, besonders
kritische und im Betrieb in starkem Maße angeregte radiale Schwingungsbewegung unter Schwingungsenergievernichtung
zur Ruhe gebracht wird. Anstelle dessen oder auch gleichzeitig damit kann vorteilhaft im Bereich
des sich bei Rotorauslenkungen ändernden Magnetfeldes des bzw. der Permanentmagneten) des passiven
Radial-Lagerelementes nicht ferromagnetische elektrisch leitende Teile angeordnet sein. Während wegen
des rotationssymmetrisch homogenen Magnetfeldes dieser Magneten bei scr. "cingungsfreiem Lauf keine
Verluste eintreten, bewirken jedoch Schwingungen des Rotors aus der Soll-Lage heraus Wirbelstromverluste in
dem elektrisch leitenden Teil, was zu einer Schwingungsenergievernichtung führt
Vorzugsweise bilden das passive Axial-Lagerelement und das aktive Radial-Lagerelement eine enge räumliche
Einheit und das elektromagnetische, aktive Radial-Lagerelement kann wenigstens eine mit Regelströmen
beaufschlagte Lagerspule besitzen, die von dem magnetischen Feld des passiven Axial-Lagerelementes
durchflossen ist Dadurch bildet sich eine Vormagnetisierung, die die Wirksamkeit der Radial-Lagerspule
erhöht Wegen der Einzelheiten dieser Wirkung wird auf die deutsche Offenlegungsschrift 22 13 465 verwiesen.
Die Einheit Axial/Radial-Lagerelement kann
vorzugsweise an einem Ende des Rotors angeordnet sein. Außer der ohnehin für das aktive Radial-Lagerelement
vorteilhaften engen räumlichen Anordnung mit dem meist permanentmagnetischen passiven Axial-Lagerelement
tritt bei dieser Anordnung im vorliegenden Fall noch der Vorteil auf, daß das passive
Radial-Lagerelement frei von durch Kippmomente erzeugten Querkräften wird, die beim Entgegenwirken
gegen die destabilisierenden Kräfte des Axial-Lagerelementes
von den aktiven Radial-Lagerspulen erzeugt werden könnten.
Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der das passive Axial-Lagerelement und das aktive Radial-Lagerelement
zu einer im wesentlichen symmetrischen Einheit zusammengefaßt sind. Dabei ist es besonders
wichtig, daß das passive Axial-Lagerelement eine gute Wirkung und im Arbeitsbereich eine ausreichend steile
Federkennlinie des Lagers hat Daher ist nach einem besonders bevorzugten Merkmal der Erfindung vorgesehen,
daß die ferromagnetischen Teile, mit denen das passive Axial-Lagerelement zusammenwirkt, im Bereich
des stärksten Magnetflusses durch den Luftspalt zwischen Rotor und Stator aufeinander zu gerichtete
Absätze im ferromagnetischen Material besitzen, die zwei wirkungsmäßig getrennte ferromagnetische Abschnitte
auf dem Rotor schaffen, die je von einem magnetischen Kreis durchflossen werden, dessen in den
ferromagnetischen Abschnitten im wesentlichen axial verlaufende Komponenten einander entgegengesetzt
orientiert sind. Auf dem Rotor wird also eine Lücke im
ferromagnetischen Material geschaffen, in deren Randbereich das magnetische Feld durch den Luftspalt
übertritt Es ist festgestellt worden, daß durch diese
Maßnahme die Lagerkennlinie weit über den rechnerischen Wert hinaus erhöht werden konnte. Das bedeutet,
daß die stabilisierende Axialkraft im Vergleich zum Aufwand an Permanentmagnetmaterial etc. besonders
hoch ist Wichtig ist auch, insbesondere im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Lagern, die mit
abstoßenden magnetischen Kräften arbeiten, daß hier
eine Axiallagerung geschaffen wird, die in beiden axialen Orientierungen wirksam ist, d. h., daß sie den ja
in beiden Richtungen jenseits des labilen Gleichgewichtspunktes auftretenden destabilisierenden Kräften
des passiven Radial-Lagerelementes entgegenwirken kann.
Besonders vorteilhaft wirkt das oben beschriebene Lager, wenn nach einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung das passive Axial-Lagerelement aus wenigstens zwei in axialem Abstand voneinander angeordneten, axial magnetisierten Permanentmagneten besteht,
deren Magnetisierungsorientierungen einander entgegengesetzt sind und bei denen im Bereich ihres
Auslandes voneinander die Absätze des ferromagnetischen Materials des Rotors liegen. In diesem Bereich
wird nämlich durch die Gleichnamigkeit der einander "gegenüberliegenden Pole eine starke Konzentrierung
des Flusses gebildet, der dann mit den die Lücke begrenzenden Absätzen in idealer Weise zusammenarbeiten kann. In diesem Bereich sollte vorteilhaft auch die
Lagerspule angeordnet sein, da diese dann von der Feldlinienkonzentration für ihre Vormagnetisierung
profitiert.
Obwohl die Lücke im ferromagnetischen Material allein schon für eine stabile Axiallagerung sorgen kann,
wird jedoch ihre Wirksamkeit erhöht, wenn vorteilhaft die ferromagnetischen Abschnitte in ihrer axialen Länge
derart bemessen sind, daß ihre voneinander hinwegweisenden ferromagnetisch wirksamen Enden im Bereich
der äußeren Enden des bzw. der Permanentmagnete(n) des passiven Axial-Lagerelementes liegen.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im
folgenden näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer magnetischen Lagerung nach der Erfindung,
Fig.2 und 3 andere Ausführungsformen eines passiven Radial-Lagerelementes,
F i g. 4 eine bevorzugte Ausführungsform in Darstellungsweise nach F i g. 1 und
F i g. 4 eine bevorzugte Ausführungsform in Darstellungsweise nach F i g. 1 und
Fig.5 eine Variante einer Kombination zwischen
aktivem Radial-Lagerelement und passivem Axial-Lagerelement.
In F i g. 1 ist eine berührungsfreie magnetische Lagerung zwischen einem Stator 11 und einem Rotor 12
dargestellt Der Rotor, der im dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines in seinem wesentlichen
Teil aus nicht ferromagnetischem Material bestehenden Stabes hat, der sich um die Achse 13 drehen kann
(jedoch nicht drehen muß), ist mittels dreier Lagerelemente am Stator 11 gelagert
Im Bereich des in F i g. 1 linken Endes ist ein passives Axial-Lagerelement 14 angeordnet, daß mit einem
aktiven, elektromagnetischen Radial-Lagerelement 15 eine wirkungsmäßige Einheit bildet Beide wirken mit
einem ferromagnetischen Teil 16 in Form eines auf den Rotor aufgeschobenen Ringes aus Stahl oder dergleichen zusammen.
Das passive Axial-Lagerelement 14 besteht aus einem axial magnetisierten Permanent-Ringmagneten 17, der
in diesem Falle um den Rotor herum angeordnet ist Es könnte jedoch auch als Stabmagnet ausgebildet sein und
in den Rotor hineinragen. Im Bereich seines Magnetfeldes befindet sich das äußere Ende des ferromagnetischen Teils 16. Das Magnetfeld des Magneten 17 ist um
den Umfang des Luftspaltes 18 zwischen ihm und dem
ferromagnetischen Teil 16 herum im wesentlichen
gleichbleibend, so daß das ferromagnetische Teil 16 bei Drehung um die Achse 13 keine Ummagnetisierungen
erfährt, die zu Verlusten führen würden. In axialer Richtung übt dieses passive Axial-Lagerelement 14
jedoch eine stabilisierende Kraft auf den Rotor aus, in dem im Bereich des äußeren Endes 19 des ferromagnetischen Teils 16 axiale Magnetfeldkomponenten wirken.
Das passive Axial-Lagerelement 14 übt relativ starke
ίο destabilisierende Kräfte auf den Rotor aus. In der
bevorzugten Mittellage des Rotors heben sich zwar diese Kräfte gegeneinander auf, jedoch bewirkt schon
die geringste Auslenkung aus dieser Lage, daß das ferromagnetische Teil io weiter in Richtung dieser
Dieser destabilisierenden Wirkung in radialer Richtung wirkt das aktive Radial-Lagerelement 15 entgegen.
Dieses besitzt eine Lagerspule 20, die aus wenigstens 3 Einzelspulen bzw. Wicklungen besteht und derart
ausgebildet ist, daß sie bei elektrischer Beaufschlagung mit den Ausgangsströmen eines elektronischen Regelgerätes 21 anziehende Kräfte in unterschiedlichen
Richtungen auf das ferromagnetische Teil 16 des Rotors ausüben kann. Das Regelgerät 21 erzeugt seine
Ausgangsströme in Abhängigkeit von den Signalen von vorzugsweise den Einzelspulen zugeordneten Fühlern
22, die ihre Regelsignale in Abhängigkeit von ihrem Abstand von dem Rotor an das Regelgerät 21 geben.
Das Regelgerät 21 ist an eine Stromquelle 23
angeschlossen. Es gibt seine Ausgangsströme an die
Lagerspule 20 in Form von Gleichströmen ab, deren Größe sich jeweils nach den auf den Rotor auszuübenden Kräften ändert. Einzelheiten dieses Lagers sind in
den deutschen Auslegeschriften 17 50 602 und 22 13 465
beschrieben.
Das passive Axial-Lagerelement 14 und das aktive Radial-Lagerelement sind räumlich eng nebeneinander
angeordnet, was zahlreiche Vorteile hat In diesem Falle durchdringt nämlich das Magnetfeld des Ringmagneten
17 zumindest zum Teil die Lagerspule 20, die meist über wenigstens einen ferromagnetischen Kern verfügen
wird. Die dadurch erzeugte Vormagnetisierung der Lagerspule 20 erhöht bei unveränderten Verlusten die
Wirksamkeit des aktiven Radial-Lagerelementes we
sentlich. Außerdem werden durch die geringen Hebelar
me auch geringe Kippkräfte auf den Rotor ausgeübt, wenn das aktive Radial-Lagerelement 15 den destabilisierenden Kräften des passiven Axial-Lagerelementes
14 entgegenwirkt
so Am entgegengesetzten, in F i g. 1 rechten Ende 24 des Rotors 12 ist ein passives Radial-Lagerelement 25
angeordnet Es besteht im vorliegenden Falle aus einem ferromagnetischen Teil 26, das also nicht permanentmagnetisch zu sein braucht Es ist rotationssymmetrisch
zur Achse 13 angeordnet und kann beispielsweise aus einem einfachen, vorzugsweise runden Stahlblech
bestehen. Dieses Teil 26 kann auch durch irgendeinen anderen ferromagnetischen Endteil des Rotors gebildet
sein. Am Stator ist diesem ferromagnetischen Teil 26
gegenüberliegend ein axialmagnetisierter Stabmagnet
27 im wesentlichen zur Achse 13 exzentrisch angeordnet Dieser übt auf das ferromagnetische Teil 26
anziehende Kräfte aus und die sogenannten magnetischen Scherkräfte wirken als radiale Rückstellkräfte
gegenüber radialen Auslenkungen des Rotors.
Die anziehenden Kräfte suchen das ferromagnetische Teil 26 an den permanentmagnetischen Stabmagneten
27 heranzuziehen und bilden also gegenüber der
dargestellten Sollage des Rotors destabilisierende Kräfte. Diesen wirkt das passive Axial-Lagerelement 14
entgegen. Die Lagerelemente 14 und 25 sind derart bemessen, daß in der Sollage und bei allen im Betrieb
möglichen Auslenkungen, d. h. im Betriebszustand, die Änderungen der axialen Rückstellkräfte des passiven
Axial-Lagerelementes 14 (die in Fig. 1 nach links
wirken) größer sind als die Änderungen der destabilisierenden axialen Kräfte des passiven Radial-Lagerelementes
25 (die den Rotor in F i g. 1 nach rechts zu ziehen suchen).
Es ist also zu erkennen, daß hier eine berührungsfreie magnetische Gesamtlagerung geschaffen wurde, die mit
einer aktiven Radiallagerung in nur einer Lagerebene
auskommt. Es ist sogar möglich, mit dieser einfachen Lagerung Rotoren mit horizontaler Achse, d. h. miit
wesentlichen auf den Rotor wirkenden Querkräften (Schwerkraft), zu lagern.
In F i g. 2 ist eine Variante des passiven Radial-Lagerelementes
dargestellt. Das passive Radial-Lagerelememt 25' besitzt, wie das Lager nach Fig. 1, einen am Stator
11 festen stabförmigen Permanentmagneten 27 mit axialer Magnetisierungsrichtung, der zur Solldrehachse
13 zentrisch angeordnet ist. Ihm gegenüber liegt ebenfalls ein axial magnetisierter Permanent-Stabmagnet
28, der anstelle des ferromagnetischen Teils 26 am Rotor angebracht ist. Die Magnetisierungsorientierungen
der Magneten 27 und 28 sind einander gleich, so daß sich ungleichnamige Pole am Luftspalt 29 zwischen den
beiden Magneten gegenüberliegen. Diese Ausführung funktioniert genau gleich wie die nach Fig. 1, nur daß
die anziehende Wirkung und dementsprechend auch die magnetischen Scherkräfte zur Radial-Lagerung größer
sind. Es sei hier bemerkt, daß durch entsprechende Formgestaltung der an den Luftspalt 29 grenzenden
Flächen der Magneten bzw. ferromagnetischen Teile je nach den gewünschten Eigenschaften die Kennlinie deir
Radialkräfte verändert und auch die Radialstabilisierungswirkung erhöht werden kann.
Bei den Ausführungen nach Fig. 1 und 2 waren zur radialen Schwingungsdämpfung keine besonderen Mittel
vorgesehen, d. h. hier wirkten die Unmagnetisierungsverluste allein schwingungsdämpfend. In F i g. 3 ist
nun eine Ausführung dargestellt, die bei im übrigen gleicher Ausbildung wie in Fig.2, d.h. mit einem
Stabmagnet 28 am Rotor 12', eine Schwingungsdämpfungseinrichtung
30 am Stator besitzt Das am Stator befestigte Teil des passiven Radial-Lagerelementes 25"
besitzt einen Permanent-Stabmagneten 27' mit axialer Magnetisierungsrichtung. Dieser ist jedoch, im Unterschied
zu den Ausführungen nach F i g. 1 und 2, mit dem Stator 11 über einpn elastischen Stab 31 verbunden, so
daß der Magnet 27' den Schwingungen des Rotors in
gewissem Maße folgen kann. Der Stab kann aus einem Material mit einer Eigendämpfung bestehen, beispielsweise aus Gummi oder einem Blattfederpaket, so daß er
bei den radialen Ausschlägen, die in ihm vom Rotor induziert werden, Schwingungsenergie vernichtet Natürlich muß die elastische Aufhängung des Stabmagneten 27' unter Berücksichtigung der Eigenschwingungsfrequenzen des Rotors 12' festgelegt sein. Der
Stabmagnet 27' schwingt in einem abgeschlossenen Behälter 32, der mit einer Flüssigkeit, beispielsweise
einem Hydrauliköl, gefüllt ist Auch dadurch wird Schwingungsenergie bei der Bewegung des Magneten
27'vernichtet
In Fig.3 ist noch eine weitere Art der Dämpfung
gezeigt Der dem Magneten 28 am Rotor zugewandte Wandungsteil 33 des Behälters 32 besteht aus einem
nicht ferromagnetischen, jedoch gut elektrisch leitenden Teil. Dieses Wandungsteil 33 wird also vom Magnetfeld
zwischen den Magneten 27' und 28 durchsetzt. Bei Schwingungen in radialer Richtung oder auch Präzessions-
oder Nutationsbewegungen des Rotors treten in dem elektrisch leitenden Material 33 örtliche Magnetfeldänderungen
auf, die zu Wirbelströmen führen. Dadurch wird also Schwingungsenergie vernichtet. Es
ίο sei bemerkt, daß wegen der vorzugsweise genau
rotationssymmetrischen Magnetfeldverteilung um die Achse 13 bei schwingungsfreiem Lauf keine örtlichen
Magnetfeldveränderungen und damit auch keine Verluste auftreten. Hier sind also 3 Arten von Schwingungsdämpfung
gleichzeitig angewandt. Diese können auch einzeln oder in Unterkombinationen oder in Kombination
mit anderen Dämpfungsmethoden Verwendung finden.
Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform hat der Rotor 12" an seinem in der Zeichnung linkem Ende zwei Abschnitte 34,35 aus ferromagnetischem Material, die die Form von Ringen oder Rohrstücken haben, die auf dem Rotor mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die ringförmigen Abschnitte 34, 35 besitzen also zwei aufeinander zu gerichtete Absätze 36 im ferromagnetischen Material, die im vorliegenden Beispiel durch die einander zugekehrten Endflächen der beiden Abschnitte 34,35 gebildet sind. Der zwischen den Absätzen 36 gebildete Abstand ist geringer als die radiale Erstreckung der Abschnitte selbst. Sie können aus irgendeinem ferromagnetischen Material bestehen. Es braucht jedoch kein permanentmagnetisches Material zu sein.
Im Bereich der Abschnitte 34,35 ist am Stator 11 eine Lagereinheit 37 angeordnet, die das passive Axial-Lagerelement und das aktive Radial-Lagerelement beinhaltet Es sind mit axialem Abstand voneinander zwei ringförmige Permanentmagneten 17' so angeordnet, daß sie die Abschnitte 34,35 umgeben. In dem zwischen ihnen gebildeten Abstand liegt eine Lagerspule 20' mit einem ferromagnetischen Kern 38, die in Fig.4 von einem Regelgerät 21 mit Regelströmen gespeist wird.
Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform hat der Rotor 12" an seinem in der Zeichnung linkem Ende zwei Abschnitte 34,35 aus ferromagnetischem Material, die die Form von Ringen oder Rohrstücken haben, die auf dem Rotor mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die ringförmigen Abschnitte 34, 35 besitzen also zwei aufeinander zu gerichtete Absätze 36 im ferromagnetischen Material, die im vorliegenden Beispiel durch die einander zugekehrten Endflächen der beiden Abschnitte 34,35 gebildet sind. Der zwischen den Absätzen 36 gebildete Abstand ist geringer als die radiale Erstreckung der Abschnitte selbst. Sie können aus irgendeinem ferromagnetischen Material bestehen. Es braucht jedoch kein permanentmagnetisches Material zu sein.
Im Bereich der Abschnitte 34,35 ist am Stator 11 eine Lagereinheit 37 angeordnet, die das passive Axial-Lagerelement und das aktive Radial-Lagerelement beinhaltet Es sind mit axialem Abstand voneinander zwei ringförmige Permanentmagneten 17' so angeordnet, daß sie die Abschnitte 34,35 umgeben. In dem zwischen ihnen gebildeten Abstand liegt eine Lagerspule 20' mit einem ferromagnetischen Kern 38, die in Fig.4 von einem Regelgerät 21 mit Regelströmen gespeist wird.
Die Lagerspule entspricht in ihrem Aufbau derjenigen, die in der deutschen Auslegeschrift 2213 465
dargestellt ist und besitzt eine wendelförmig um den ferromagnetischen Ringquerschnitt herumgelegte
Wicklung, die in vier Bereiche derart unterteilt ist, daß die Einzelspulen unterschiedlichen oder einander
entgegengesetzt gerichteten magnetischen Fluß in dem ferromagnetischen Kern erzeugen. Infolge der Flußverdrängung
entsteht dann ein mit den Abschnitten 34, 35 zusammenwirkendes Magnetfeld.
Die Permanent-Magnetringe 17' haben eine einander entgegengesetzte Magnetisierungsorientierung, d. h.
gleichnamige Pole sind zueinander gekehrt. Dadurch entsteht im Bereich der Ligerspule 20' ein besonders
starkes Feld, daß mit den Absätzen 36 zwischen den Abschnitten 34, 35 zur Axialstabilisierung des Rotors
zusammenwirkt Durch die Tatsache, daß auch die
voneinander abgekehrten Endflächen der Abschnitte 34
und 35 im Bereich des Magnetfeldes der Magneten 17' liegt, wird eine weitere Erhöhung der Axialstabilisierungswirkung erzielt Es ist zu beachten, daß diese
Axiallagerung in beiden Orientierungen Kräfte erzeugt
d.h. es wird auch ohne Mitwirkung eines anderen
Lagerelementes oder einer auf den Rotor wirkenden Kraft eine axiale stabile Lage geschaffen.
Das starke Magnetfeld im Bereich zwischen den
beiden Permanent-Magnetringen 17' bewirkt eine sehr
hohe Vormagnetisierung der Lagerspule 20', die dadurch eine besonders große Wirksamkeit hat Es sei
bemerkt, daß auch die Axialkräfte, die mit der beschriebenen Lagerung erzeugt werden, höher liegen
als man durch Vergleich mit den bisher verwendeten magnetischen Axiallagern vermuten sollte. Die Absätze
36 können auf beliebige Weise hergestellt werden. Wesentlich ist nur, daß ein merklicher Absatz in der
ierromagnetischen Wirkung des Rotors an dieser Stelle
vorliegt Die Lücke zwischen den Abschnitten 34, 35 sollte in neutralem Zustand möglichst mittig zwischen
den Magneten 17' liegen. Dies Lagerelement kann in entsprechender Weise auch als Innenlager ausgebildet
sein, wobei dann der an dieser Stelle hohl ausgebildete Rotor die beispielsweise stabförmigen Magneten
umkreist.
Das in Fig.4 dargestellte passive Radial-Lagerelement 40 besitzt einen am Stator angebrachten
Ringmagneten 41, der eine radiale Magnetisierungsrichtung besitzt. Auch am Rotor 12" ist ein radial
magnetisierter Ringmagnet 42 angeordnet, der im
Normalfall konzentrisch in dem Ringmagneten 40 läuft. Die Magnetisierungsorientierungen der beiden Ringmagneten sind einander entgegengesetzt, d. h. gleichna-
mige Pole liegen sich im Luftspalt 43 gegenüber. So wird eine abstoßende Wirkung erzielt, die radiale Rückstellkräfte für den Rotor erzeugt.
Dieses passive Radial-Lagerelement 40 ist jedoch in
axialer Richtung labil, d. h. in einer axialen Mittelstellung heben sich die in beiden Richtungen wirkenden
destabilisierenden Kräfte auf. Bei der geringsten
Auslenkung aus dieser Mittellage in irgendeine Orientierung sucht jedoch der Ringmagnet 42 den Rotor 12"
in Richtung dieser Auslenkung zu verschieben. Dem wirkt das passive Axial-Lagerelement, das in der
Lageeinheit 37 enthalten ist, entgegen, und zwar tut es
dies in beiden Richtungen.
Es ist zu erkennen, daß es bei dieser Ausführung möglich ist, die Lager so aufeinander einzustellen, daß
der Rotor von axialen Zugkräften entlastet ist. Es sei bemerkt, daß als passives Radiallagerelement auch
zahlreiche andere Lagerarten, die mit anziehenden oder abstoßenden Kräften arbeiten, sowie alle Kombinationen davon möglich sind.
In F i g. 5 ist eine Lagereinheit 37' dargestellt, die im
Prinzip der Lagereinheit 37 in Fig.4 entsprichL
Anstelle der beiden axial magnetischen Permanent-Magnetringe 17' ist hier jedoch ein einziger radialmagnetisierter Magnetring 44 um die Lagerspule 20", die im
übrigen auch der Lagerspule 20* entsprechen kann, angeordnet. Auch hierbei verläuft der Hauptteil des
Magnetflusses durch die Lagerspule 20" hindurch und schafft eine Vormagnetisierung, und es werden ebenso
wie bei F i g. 4 zwei magnetische Kreise geschaffen, die in den ferromagnetischen Abschnitten 34,35 des Rotors
eine entgegengesetzte Flußorientierung hervorrufen. Dieses Lager wirkt wie das nach F i g. 4, d. h. es ist ein
»doppeltwirksames« Axiallager und zeichnet sich durch hohe Rückstellkräfte in axialer Richtung aus, und zwar
sowohl in den Absolutwerten als auch relativ zu den Auslenkungswegen.
Claims (11)
1. Magnetische Lagerung eines Rotors an einem Stator ohne Berührung zwischen diesen, mit einem
passiven Axial-Lagerelement, das im Zusammenwirken mit ferromagnetischen Teilen des Rotors
stabilisierende Axialkräfte und destabilisierende Radialkräfte auf den Rotor ausübt, und mit einem
den destabilisierenden Kräften entgegenwirkenden, radiale Rückstellkräfte erzeugenden, aktiv geregelten elektromagnetischen Radial-Lagerelement, das
in axialem Abstand von dem den destabilisierenden Radialkräften entgegenwirkenden Radial-Lagerelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere magnetische Radial-Lagerelement (25, 25', 25", 40) ein passives, radiale
Rückstellkräfte erzeugendes Lagerelement mit wenigstens einem Permanentmagneten (27, 28, 40, 41)
ist, das sich in axialer Richtung labil verhält bzw.
destabilisierende Axialkräfte erzeugt, und daß Änderungen der stabilisierenden Axialkräfte des
passiven Axial-Lagerelementes (14, 17', 44) im Arbeitsbereich größer sind als Änderungen der den
stabilisierenden Axialkräften entgegenwirkenden destabilisierenden Axialkräfte des passiven Radial-Lagerelementes.
2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine
Permanentmagnet (27), des passiven Radial-Lagerelementes (25,25', 25") am Stator (11) angeordnet ist
und mit einem ferromagnetischen Teil (26) des Rotors zusammenwirkt
3. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine
Permanentmagnet (27, 41) des passiven Radial-Lagerelementes (25', 25", 40) am Stator (:ll)
angeordnet ist und mit einem, am Rotor (12', 12") angeordneten weiteren Permanentmagneten (28,42)
zusammenwirkt.
4. Magnetische Lagerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der am Rotor (12!")
angeordnete Permanentmagnet (42) in den am Stator (11) angeordneten Permanentmagneten (41)
hineingreifend angeordnet ist, und daß die beiden miteinander zusammenwirkenden, vorzugsweise
konzentrischen, im wesentlichen zylindrischen ringförmigen Permanentmagneten (41, 42) miteinander
in entgegengesetzter Magnetisierungsorientierung radial magnetisiert sind.
5. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der am Stator (11) angeordnete Permanentmagnet (27) des passiven Radiallagerelementes (25") gedämpft elastisch aufgehängt ist.
6. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
im Bereich des sich bei Rotorauslenkungen ändernden Magnetfeldes des bzw. der Permanentmagnetein) (27, 28) des passiven Radial-Lagerelementes
(25") nicht ferromagnetische, elektrisch leitende Teile (33) angeordnet sind.
7. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das passive Axial-Lagerelement (14, 17, 44) und das aktive Radial-Lagerelement (15, 20', 20") eine enge
räumliche Einheit bilden und daß das elektromagnetische, aktive Radial-Lagerelernent (15) wenigstens
eine mit Regelströmen beaufschlagte Lagerspule (20,20', 20") besitzt, die von dem magnetischen Feld
des passiven Axial-Lagerelementes (14, 17', 44) durchflossen ist
8. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das passive Axial-Lagerelement (17', 44) und das aktive Radial-Lagerelement (20\ 20") zu einer im
wesentlichen symmetrischen Einheit zusammengefaßt sind und daß die ferromagnetischen Teile, mit
denen das passive Axial-Lagerelement (17', 44) zusammenwirkt, im Bereich des stärksten Magnetflusses durch den Luftspalt zwischen Rotor (12") und
Stator aufeinander zugerichtete Absätze (36) im ferromagnetischen Material besitzen, die zwei
wirkungsmäßig getrennte ferromagnetische Abschnitte (34,35) auf dem Rotor (12") schaffen, die je
von einem magnetischen Kreis durchflossen werden, dessen in den ferromagnetischen Abschnitten (34,
35) im wesentlichen axial verlaufende Komponenten einander entgegengesetzt orientiert sind.
9. Magnetische Lagerung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Axial-Lagerelement aus wenigstens zwei in axialem
Abstand voneinander angeordneten, axialmagnetisierten Permanentmagneten (17') besteht, deren
Magnetisierungsorientierungen einander entgegengesetzt sind, und daß im Bereich ihres Abstandes
voneinander die Absätze (36) des ferromagnetischen Materials des Rotors (12") liegen.
10. Magnetische Lagerung nach Anspruch 7 und 9,
dadurch gekennzeichnet daß die Lagerspule (20') in dem durch den Abstand der Permanentmagneten
(17') des passiven Axial-Lagerelementes gebildeten Raum angeordnet ist
11. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
ferromagnetischen Abschnitte (34, 35) in ihrer axialen Länge derart bemessen sind, daß ihre
voneinander hinwegweisenden, ferromagnetisch wirksamen Enden im Bereich der äußeren Enden des
bzw. der Permanentmagneten) (17', 44) des passiven Axial-Lagerelementes liegen.
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