DE2420825C3

DE2420825C3 - Magnetische Lagerung eines Rotors

Info

Publication number: DE2420825C3
Application number: DE2420825A
Authority: DE
Inventors: Karl 7991 Oberteuringen Boden; Werner 3054 Rodenberg Geweke
Original assignee: PADANA AG ZUG (SCHWEIZ)
Current assignee: PADANA AG ZUG (SCHWEIZ)
Priority date: 1974-04-30
Filing date: 1974-04-30
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DE2420825A1; CH586358A5; GB1509087A; DE2420825B2; US4080012A; JPS5129651A; JPS5938457B2

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 Radiallager, 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 Stabmagnelen, 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-

let, 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 berührungslosen 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 u. 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 fernei 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 radialmagnetisierten Permanentmagneten am Rotor aufweisen. Am Luftspalt liegen sich jeweils gleichnamige Poie gegenüber, so daß dort abstoßende Kräfte entstehen. Ein solches Lager ist jedoch in axialer Richtung labil bzw. erzeugt dort Gestabilisierende Kräfte, die bei einer Auslenkung versuchen, die Permanentmagneten am Stator und Rotor in axiaici Richtung auseinanderzudrücken. Daher ist bei dem bekannten Lager eine elektromagnetische Regelung der axialen Lage mittels eines auf eine weichmagnetische Endscheibe einwirkenden geregfiten 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 Schwitigvngsanregungen in radialer Richtung. Das Dämpfungsverhalten der wie vorstehend beschrieben gelagerten Motoren 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 Radiallagerung 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 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 ">iw. destabilisierende Axiaikräfte erzeugt, und daß Änderungen der stabilisierenden Axialkräfte des passiven Axial-Lagerelementes im Arbeitsbereich größer sind als Änderungen der den stabilisierenden Axialkräften entgegenwirkenden ^stabilisierenden Axiaikräfte 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 Regelungsaufwanc", d. h. mit nur einem aktiven, elektromagnetischen Lagerele-■ ■ ment, ein Maximum an sicherer Funktion und Tragkraft erfüiit 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 Richfrig liegt nämlich nur ein einachsiges Schwingungssystem vor, das dann auch nur eine kritische "·'· Schwingfrequenz hct. 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 Kretselwirkiing in radialer Richtung auch hier in "" 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.

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 anziehendem magnetischen Kräften, und die Radiallagerung wird durch sogenannte magnetische Scherkräfte oerbeigeführt. Obwohl hier die destabilisierenden Kräfte relativ groß sind und vor allem stets wirksam sind und ausgeglichen 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 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 hei der vorher beschriebenen Ausführungsform. Es ist jedoch ein Permanentmagnet am Rotor notwendig. Es sei hier noch bemerkt, daß die zusammenwirkenden Flächen der Permanentmagneten bzw. Rotorenclen 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 den am Stator angeordneten Permanentmagneten hineingreifend angeordnet sein.und die beiden miteinan der zusammenwirkenden Permanentmagneten, die vorteilhaft konzentrische, im wesentlichen zylindrische Permanentmagnetringe sind, können mit einander entgegengesetzter Magnetisierungsorientierung radial magnetisiert sein.

Eine solche magnetische Lagerung arbeitet mit abstoßenden Magnetkräften, da sich am Luftspalt gleichnamige Pole gegenüberliegen. )e nach Ausbildung nat jedoch ein soiuiiei Ruum'i-LägcrCiirriCr.'. c;r,c mittlere labile Gleichgewichtslage, in der die bei Verschiebung nach beiden axialen Richtungen wirksam werdenden destabilisierenden Magnetkräfte sich gegenseitig aufheben. Es kann nun durch entsprechende 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 Kräftegleichgewicht 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-Lagerele- ■' menten 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 ge- -ι dämpft elastisch aufgehängt sein. Eine solche Dämpfung kann auf die verschiedensten Arten erfolgen, beispielsweise durch Aufhängung an einem Federmaterial mit große·· 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 schwingungsfreiem 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-Lagerelemeni und das aktive Radial-Lagerclement 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-l.agerelementes durchflossen ist. Dadurch bildet sich eine Vormagnetisierung, die die Wirksamkeit der Radial-Lagerspulc erhöht. Wegen der Einzelheiten dieser Wirkung wird auf df\j 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 mil dem meist permanentmagnetischen passiven Axial Lagerelement tritt bei dieser Anordnung im vorliegen den Fall noch der Vorteil auf, daß das passive Radial-Lagerelement frei von durch Kippmomente erzeugten Querkräften wird, die beim Entgegenwirker gegen die destabilisierenden Kräfte des A <ial-Lagerele mentes von den aktiven Radial-Lagerspulen erzeug werden könnten.

Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der da?

pn";YC Axt—! [^"£rc'^rtmrtri* nr*H Htc >Wii/*» RaHial Lagerelement zu einer im wesentlichen symmetrischer Einheit zusammengefaßt sind. Dabei ist es besonder! wichtig, daß das passive Axial-Lagerelement eine gute Wirkung und im Arbeitsbereich eine ausreichend steil« Federkennlinie des Lagers hat. Daher ist nach einen besonders bevorzugten Merkmal der Erfindung vorge sehen, daß die ferromagnetischen Teile, mit denen da; passive Axial-Lagerelement zusammenwirkt, im Be reich des stärksten Magnetflusses durch den Luftspal zwischen Rotor und Stator aufeinander zu gerichtet! Absätze im ferromagnetischen Material besitzen, die zwei wirkungsmäßig getrennte ferromagnetische Ab schnitte auf dem Rotor schaffen, die je von einen magnetischen Kreis durchflossen werden, dessen in dei ferromagnetischen Abschnitten im wesentlichen axia verlaufende Komponenten einander entgegengesetz orientiert sind. Auf dem Rotor wird also eine Lücke in ferromagnetischen Material geschaffen, in deren Rand bereich das magnetische Feld durch den Luftspal übertritt. Es ist festgestellt worden, daß durch diesi Maßnahme die Lagerkennlinie weit über den rechnen sehen Wert hinaus erhöht werden konnte. Das bedeute¹ daß die stabilisierende Axialkraft im Vergleich zur Aufwand an Permanentmagnetmaterial etc. besonder hoch ist. Wichtig ist auch, insbesondere im Zusammen hang mit den oben beschriebenen Lagern, die mi abstoßenden magnetischen Kräften arbeiten, daß hie

cine Axinllageriing geschaffen wird, die in beiden axialen Oricntictungcn wirksam ist, d. h., daB sie den ja in beiden Richtungen jenseits des labilen Gleichge wichtspunktes auflrclendcn destabilisierenden Kräften des passiven Radial-l.agerclemenies entgegenwirken kanr^

Besonders vorteilhaft wirkt das oben beschriebene Lager, wenn nach einem Ausfiihrungsbeispiel der F.rfindiing das passive Axial-Lagerelemrr-t aus wenigstens zwei in axialem Abstand voneinander angeordnelen. axial magnetisierten Permanentmagneten besteht, deren Magnetisicrungsoricntieriingcn einander entgegengesetzt sind und bei denen im Bereich ihres Abstandes voneinander die Absätze des ferromagnetisch cn Materials des Rotors liegen. In diesem Bereich wird nämlich durch die Gleichnamigkeit der einander urupniihrrlipgrnrW'n Polt? eine starke Konzentrierung des Flusses gebildet, der dann mil den die Lücke begrenzenden Absätzen in idealer Weise zusammenarbeiten kann. In diesem Bereich sollte vorteilhaft auch die l.agerspule angeordnet sein, da diese dann von de Fcldlinienkonzentration für ihre Voimagnetisierung 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 Lange derart bemessen sind, daß ihre voneinander hinwegweisen 'en ferromagnetisch wirksamen Fnden im Bereich der äußeren Fnden des bzw. der Permanentmagnete^) des passiven Axial-Lagcrclcmentcs liegen.

Finigc Ausführungsbcispielc der F.rfindiing sind in der Zeichnung schemalisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Fs zeigt

F i g. I eine teilgeschnittcne Seitenansicht einer magnetischen Lagerung nach der Erfindung.

F i g. 2 und 3 andere Ausführungsformen eines passiven Radial-Lagerelcmentes.

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform in Darstellungsweise nach F i g. 1 und

F i g. t eine bevorzugte ÄuMÜhruiigbt'urin in Dai sieilungsweise nach F i g. I und

F i g. 5 eine Variante einer Kombination zwischen aktivem Radial-Lagerelenient und passivem Axial-Lagerelement.

In Fig. I 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 Fi 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 forromagnetischen Teil 16 herum im wesentlichen gleichbleibend, so daü das ferromagnetische Teil 16 bei Drehung um die Achse Π 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 Magnetfeldkomponcnten wirken.

Das passive Axial-Lagerelcment 14 übt relativ starke deslabilisierende Kräfte auf den Rotor aus. In der bevorzugten Mittellagc des Rotors heben sich zwar diese Kräfle gegeneinander auf, jedoch bewirkt schon die geringste Auslenkung aus dieser Lage, daß das ferromagnetische Teil 16 weiter in Richtung dieser Auslenkung an den Ringmagneten herangezogen wird.

Dieser destabilisierenden Wirkung in radialer Riehliinir wirkt das aktive Radial-Lagerclemcnt 15 entgegen. Dieses besitzt eine Lagcrspule 20, die aus wenigstens J Einzelspulcn bzw. Wicklungen besieht und derart ausgebildet ist, daß sie bei elektrischer Beaufschlagung mil den Ausgangsströmen eines elektronischen Regel· ger, les 21 anziehende Kräfte in unterschiedlichen Richtungen auf das ferromagnetische Teil 16 des Rotors ausüben kann. Das Regelgerät 21 erzeugt seine Ausgangsströme in Abhängigkeil von den Signalen von vorzugsweise den Einzelspulen zugeordneten Fühlern 22. die ihre Regelsignale in Abhängigkeil von ihrem Absvanc! von dem Rotor an das Rcgelgerät 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 Auslegeschriflen 17 50 602 und 22 13 465 beschrieben.

Das passive Axial-Lagerelcment 14 und das aktive Radml-Lagerelcment sind räumlich eng nebeneinander angeordnet, was zahlreiche Vorteile hat. In diesem Falle durchdringt nämlich das Magnetfeld des Ringmagneter 17 zumindest zum Teil die Lagerspule 20, die meist über wenigstens einen ferroiiiagiieiisciieii Kein vci rügen wird. Die dadurch erzeugte Vormagnetisierung der Lagerspule 20 erhöht bei unveränderten Verlusten die Wirksamkeil des aktiven Radial-Lagerelementes wesentlich. Außerdem werden durch die geringen Hebelarme auch geringe Kippkräfte auf den Rotor ausgeübt, wenn das aktive Radial-Lagerelement 15 den destabilisierenden Kräften des passiven Axial-Lagerelementes 14 entgegenwirkt.

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 aiso gegenüber der

dargestellten .Sollage des Rotors destabilisierende Kräfte. Diesen wirkt das passive Axial-I.agerelcment 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. I nach links wirken) größer sind als die Änderungen der destabilisierenden axialen Kräfte des passiven Radial-Lagerelementes25(dieden Rotor in Fig 1 nach rechts zu ziehen suchen).

fvs ist also zu erkennen, daß hier eine berührungsfreie magnetische Gesamtlagerung geschaffen wurde, die mit einer aktiven RaJiallagerung in nur einer Lagerebene auskommt. F.s ist sogar möglich, mit dieser einfachen Lagerung Rotoren mit horizontaler Achse, d. h. mit wesentlichen auf den Rotor wirkenden Querkräften (Schwerkraft), zu lagern.

in F i g. 2 ist eine Variante <ies passiven Radiai-Lagerelementes dargestellt. Das passive Radial-Lagerelcment 25' besitzt, wie das Lager nach Fig. I. einen am Stator Il festen slabförmigen Permanentmagneten 27 mit axialer Magnetisierungsrichiung, der zur Solldrehachse 13 zentrisch angeordnet ist. Ihm gegenüber liegt ebenfalls ein axial magnetisiertcr I'ermanent-Stabinagnct 28, der anstelle des fcrromagnctischcn 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. I, nur daß die anziehende Wirkung und dementsprechend auch die magnetischen Scherkräfte zur Radial-Lagening größer sind. Es sei hier bemerkt, daß durch entsprechende Fcrmgestaltung der an den Luftspalt 29 grenzenden Flächen der Magneten bzw. ferromagnetischen Teile je nach den gewünschten Eigenschaften die Kennlinie der Radialkräfte verändert und auch die Radialstabilisierungswirkung erhöht werden kann.

Bei den Ausführungen nach Fig. 1 und 2 waren zur radialen Schwingungsdämpfung keine besonderen Mittel vorppsphpn H h hif·.· wirkten Hip I Inmacjnpticiprungsverluste 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 Il über einen 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 3.? des Behälters 32 besteht aus einem nicht ferromagnetischen, jedoch gut elektrisch leitenden Teil. Dieses Wandungsteil 33 wird also vom Magnetfeld /wischen 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

κι 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 J Arten von Schwingungs-

ι dämpfung gleichzeitig angewandt. Diese können auch einzeln oder in Unterkombinationen oder in Kombination mil anderen Dämpfungsmethoden Verwendung finden.

Bei d(_"i in F ι g. 4 liiiigcSiciitci'i AüsfÜMiüngsfuciVc hai

jo 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 ferromagnelischen 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

in 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

i'i Lagereinheit 37 angeordnet, die das passive Axial-La gerelement 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

ι» ihnen gebildeten Abstand liegt eine Lagerspule 20' mit einem ferromagnetischen Kern 38, die in ^ig.4 von pinpm RpiTpluprat 21 mit Rpfpkirömpn ppsneist wird.

Die Lagerspule entspricht in ihrem Aufbau derjenigen, die in der deutschen Auslegeschrift 22 13 465

γι 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 Lagerspule 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

Il

beiden PermanenlMagnetringcn 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 ferromagnetischen Wirkung des Rotors an dieser Stelle in 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 i<i Rotor die beispielsweise stabförmigen Magneten umkreist.

Das in Fig.4 dargestellte passive Radial-Lagereleiiieni 40 besii/i einen am Stator angebrachten Ringmagneten 41, der eine radiale Magnetisierungsrich- .'o lung besitzt. Auch am Rotor 12" ist ein radial magnetisierter Ringmagnet 42 angeordnet, der im Nornialfall 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 Rückstellkraft für den Rotor erzeugt.

Dieses passive Radial-Lagerelt..Tient 40 ist jedoch in axialer Richtung labil, d. h. in einer axialen Mittelstellung m heben sich die in beiden Richtungen wirkenden destabilisierenden Kräfte auf. Bei der geringsten Auslenkung aus diese- Mittellage in irgendeine Orientierung sucht jedoch der Ringmagnet 42 den Rotor 12" in Richtung di "ser Auslenkung zu verschieben. Dem wirkt das passive Axial-Lagerelement, dro 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 entspricht. Anstelle der beiden axial magnetischen Permanent-Magnetringe 17' ist hier jedoch ein einziger radialmagnetisierier fv'iagrieiring 44 um uic Lagtrispulc 20", uie 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 Auslenkungs wegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 eic*™ 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 (2b, 25', 25") am Stator (11) angeordnet ist und mit einem ferromagnen-ichen Teil (26) des Rotors zusammenwirkt

3. Magnetische Lagerung iach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Permanentmagnet (27, 41) des passiven Radial-Lagerelementes (25', 25", 40) am Stator (11) 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 Permanentmagneten) (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-Lagerelement (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 erner 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 Permaneqtmagneten (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 Permanentmagnete(n)(17',44)des passiven Axial-Lagerelementes liegen.