DE2433712B2 - Antrieb und Lagerung eines Rotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Antrieb und zur Lagerung eines Rotors mit einem Antrieb und einem Luftlagerteil, wobei das Luftlagerteil vorwiegend der Aufnahme von in Richtung der Rotorachse gerichteten axialen Kräften dient und der umlaufende Teil des Antriebs mit dem Rotor eine Baueinheit bildet.

Die dauerhafte, billige, geräusch- und verlustarme Lagerung von Rotoren macht erhebliche Schwierigkeiten; insbesondere wenn es sich um scheibenförmige Rotoren mit großem Durchmesser handelt, die sehr schnell umlaufen sollen, ergeben sich wegen der hieraus resultierenden hohen Lagerumfangsgeschwindigkeiten in den bisher vorzugsweise verwendeten mechanischen Lagern außerordentlich hohe Beanspruchungen, die zu starkem Verschleiß und frühzeitigem Ausfall führen können. Das technische Problem, einen derartigen Rotor zu lagern, vergrößert sich noch, wenn dieser Rotor beispielsweise einseitig zugänglich sein soll, d. h. wenn er !liegend gelagert werden muß. In diesem Fall wird der Rotor einseitig mit einer Welle versehen, auf der die Lagerung angeordnet ist. Tritt eine Unwucht im Rotorbetrieb auf, oder beginnt der Rotor aufgrund äußerer Störungen zu taumeln, dann treten aufgrund des Hebelarmes außerordentlich hohe Lagerkräfte auf. Wegen der beträchtlichen Lagerreibung ist der Wärmeanfall in diesen Lagerungen sehr groß, auch macht das Beschleunigen auf hohe Drehzahlen besondere Mühe etwa wegen der Lagerreibung sowie wegen der hohen zu beschleunigenden Läufer- und Lagermassen. Ein typischer Anwendungsfall für einen derartigen scheibenförmigen Läufer ist ein Energiespeicher; bei derartigen als Energiespeicher verwendeten Schwungrädern ist nicht, wie man annehmen möchte, die Aufnahmefähigkeit an rotatorischer Energie durch die entstehenden Fliehkräfte begrenzt, sondern vielmehr durch die mit der Drehzahl zunehmende Ventilationsund Lagerreibung, die bei bereits schnellumlaufendem Rotor das weitere Einspeisen noch zusätzlicher Energie unwirtschaftlich machen.

Es gibt Anwendungsbereiche, bei denen ein derartiger Rotor häufig ausgewechselt oder gereinigt werden muß; ein solcher Anwendungsfall ist beispielsweise bei bestimmten Bauarten von Windsichtern gegeben, bei denen je nach dem zu trennenden Aufgabegut ein Rotor mit geänderter Geometrie eingesetzt werden muß; schließlich gibt es Windsichter zum Trennen derart aggressiver Medien, daß bereits nach kurzzeitigem Betrieb ein Auswechseln des verschlissenen Rotors erforderlich ist. In allen diesen Fällen ist es wichtig, daß einerseits der Rotor so sicher befestigt ist, daß er sich unter keinen Umständen, auch nicht bei nachlässiger Montage, aus der Lagerung losreißen kann; andererseits muß aber der Rotor so schnell wie möglich auswechselbar sein.

Es ist ein scheibenförmiger einseitig gelagerter, oben zugänglicher Rotor bekannt, der mil Permanentmagneten auf ein Spurlager gedrückt wird, das durch eine in eine Ausnehmung des Rotors hineinragende Lagersäule

gebildet ist. Dieser Rotor ist zwar leicht zugänglich und rasch austauschbar, jedoch ist das Lager nur für taumelbar gelagerte Rotoren ausgelegt.

Auch ist eine Ausführung für stabil umlaufende scheibenförmige Rotoren bekannt geworden, die sich ohne Demontagehandgriffen aus der Lpgerung entnehmen lassen. Bei dieser Ausführung handelt es sich aber um einen hängenden Rotor, der mit einem langen Lagerzapfen in einem Kalottenlager gelagert und durL h Magnete gehalten wird. Für die radiale Stabilisierung des Rotationssystems sorgt ein um den Rotormantel angeordnetes aktiv magnetisches Lager. Ein derartiges System ist jedoch für viele Fälle nicht anwendbar, und es laßt sich außerdem nicht als ein ebenso stabiles System »stehend« verwenden. Beide bekannten Ausführungen sind darüber hinaus verschleißbehaftete Systeme.

Als verschleißarmes Lager ist eine voll magnetische Lagerung bekannt, bei der der Rotor mit axial beiderseitig angeordneten Permanentmagneten gehalten und mit einem radial den Rotormantel umgebenden Elektromagneten siabi/isiert wird Der für viele Zwecke erforderliche freie Zugang zum Rotor läßt sich in diesem Fall allerdings nicht bewerkstelligen.

Bei Lagern für die genannten Windsichter tritt noch eine zusätzliche Schwierigkeit auf: Die Wechselwirkung zwischen Schmiermedium für die Lager und dem vom scheibenförmigen Rotor handzuhabenden Medium. Einerseits wird durch austretendes Schmiermittel ein staubförmiges, in einem Windsichter zu trennendes Gut unter Umständen derart verunreinigt, daß es entweder unbrauchbar wird oder in chemische Reaktion übergeht und sich somit verändert. Andererseits kann ein aggressives Medium wie beispielsweise Diamantstaub durch Eindringen in die Lagerungen diese in kürzester Zeit völlig ruinieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lagerung zu finden, die die eingangs genannten Nachteile zumindest zum Teil abstellt, bzw. mildert. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lagerung und einen Antrieb für einen scheibenförmigen Rotor zu finden, der eine hohe Lebensdauer hat, geräuscharm, verschleißfrei, leicht ein- und ausbaubar und verschmutzungsunanfällig ist, sowie seinerseits selbst keine Verschmutzung hervorruft. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen besonders vorteilhaften Anwendungsbereich für eine derartige Antriebs- und Lagervorrichtung zu finden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Magnetlager vorgesehen ist, das bei Ausbildung des Rotors als Scheibe die Rotorscheibe zu deren radialen Zentrierung in der Scheibenebene ringförmig umschließt, und daß der Antrieb des Rotors in Umfangsrichtung mit dem Magnetlager in einer Baueinheit zusammengefaßt ist. die das Luftlager umfaßt, ferner daß die untere Radialfläche des Rotors einen Teil des axialen Luftlagers bildet.

Ein Axiallager, das mit Luft oder mit einem anderen geeigneten Gas betrieben wird, arbeitet im Betrieb mit geringstmöglichem Verschleiß; hierbei kann beispielsweise dort ein aerodynamisches Axiallager gewählt werden, wo keine große Verschmutzungsgefahr der Lagerung besteht; ein aerostatisches Lager hingegen, das durch einen ständigen Luftstrom die Lagerfläche freispült, kann dort eingesetzt werden, wo eine große Verschmutzungsgefahr für die Lagerung besteht. Schließlich ist es von Vorteil, etwa beim Anlauf des Lagers, wenn die Drehzahl für eine aerodynamische Tragfähigkeit des Lagers noch unzulänglich niedrig ist, solange durch Zufuhr etwa von Preßluft das Lager zusätzlich aerostatisch zu betreiben. Längs des Umfangs des Rotors ist der Antrieb sowohl als auch die Radiallagerung angeordnet; hierbei ergeben sich die Vorteile, daß wegen der berührungsfreien magnetischen Lagerung spätestens nach dem Anlauf kein Lagerverschleiß auftritt und daß es also endlich möglich geworden ist, das Lager an der Stelle anzuordnen, wo es eine direkte zentrierende Wirkung auf den Rotor ausüben kann. Bisher war das u. a. wegen unzulässig hoher Relativgeschwindigkeiten im Lager nicht möglich. Da Antrieb und Lagerung zusammen in einer gemeinsamen Baueinheit wirken, wird eine vollkommene Zentrierung erreicht, wobei die vom Antrieb herrührende Radialkraft kein Kippmoment auf den Rotor bringt. Der Hauptvorteil der Erfindung ist aber, daß ein scheibenförmiger Rotor verwendet werden kann, an den keine andere Anforderung besteht, als daß seine Umfangswandung aus ferromagnetische!!! Material besteht. Ein derartiger Rotor braucht keinerlei Lagerzapfen oder sonstige Vorrichtungen aufzuweisen, die zur Lagerung notwendig wären. Da die gesamte Lagerung berührungsfrei stattfindet, arbeitet das Lager so gut wie geräuschlos. Dadurch ist die hohe Lärmbelästigung insbesondere bei sehr schnellaufenden Rotoren weitgehend entfallen. Da als einziges Schmiermedium Luft verwendet wird, die ebenso wie jedes andere Schutzgas zum Betreiben der aerodynamischen oder aerostatischen Lager verwendet werden kann, kann für jeden Anwendungsbereich der Lagerung dafür gesorgt werden, daß nicht etwa durch chemische Reaktion des Schmiermittels mit dem im Rotor behandelnden Stoff wechselseitige Schädigungen auftreten. Aufgrund der berührungsfreien Lagerung ergeben sich auch sehr kleine Reibungsverluste. Hierdurch wird es ermöglicht, einen Rotor in kurzer Zeit in sehr hohe Drehzahlbereiche zu beschleunigen. Für Maschinen, die mit auswechselbaren Rotoren betrieben werden und deren Rotoren häufig ausgewechselt werden müssen, bedeutet insbesondere der letzte Gesichtspunkt eine bedeutende Einsparung teuerer Maschinenstandzeit.

Dadurch, daß die Lagerung sowohl als auch der Antrieb des Rotors an dessen Umfang angreifen, ergibt sich der besondere Vorteil, daß ein etwa aufgrund fehlerhafter Konstruktion oder fehlerhaften Materials zerberstender Rotor durch die Antriebs- bzw. Lagerungseinrichtung aufgefangen wird, so daß auf separate Sicherheitsvorkehrungen, wie beispielsweise Panzerungen, weitgehend verzichtet werden kann. Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Rotorachse im wesentlichen senkrecht oder zur Senkrechten geringfügig geneigt angeordnet ist, und daß die untere Radialfläche des Rotors ganz oder weitgehend die eine Hälfte des unteren Axiallagers bildet. Bei dieser Ausgestaltung liegt der Rotor im Stillstand lediglich lose in seiner Lagerung, er kann jederzeit, allenfalls nach Abschalten der magnetischen Lagerung, aus seiner Bettung herausgehoben werden. Hierdurch ist nicht nur eine gesamte Radialfläche des Rotors freigehalten, um beispielsweise Beschickungseinrirhtungen freien Zutritt zum Rotor und zum Rotorinnern zu gewähren, sondern es ist hier in ganz besonders vorteilhafter Weise das werkzeuglose Austauschen von Rotoren ermöglicht.

Der erfindungsgemäße Rotor braucht nunmehr nicht mehr, wie bei bisherigen Rotoren, mit äußerster Sorgfalt zentriert zu werden, da er mit zunehmender Drehzahl in zunehmender Weise um seine Hauptträgheitsachse läuft; so wirkt sich beispielsweise die einseitige

Beladung eines Rotors während eines Verfahrensprozesses nicht in erhöhter Lagerkraft und erhöhtem Lagerverschleiß aus, sondern nur in einer zulässigen Verlagerung der Hauptträgheitsachse. Hierdurch ist es möglich geworden, beispielsweise bei unvorhergesehenen Verfahrenszuständen, mit beladenem Rotor dessen kritische Drehzahlen zu durchlaufen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Axiallager und/oder Radiallager zusätzliche Lagergleitflächen mit Notlaufeigenschaften aufweist, die in Betriebsstellung des Rotors mit den am Rotor angeordneten Gegenflächen berührungsfrei sind.

Die zusätzlichen Lagergleitflächen sorgen z. B. bei aerodynamischen Lagern für eine Lagerung im niedrigen Drehzahlbereich, in dem die Tragwirkung des Lagers noch nicht einsetzt: derartige Gleitflächen brauchen aber nicht nur über oder unter dem Rotor angeordnet zu sein, sondern können auch rund um den Rotor angeordnet werden; gelingt es dem Magnetlager nicht mehr, den Rotor vollkommen zu fesseln, etwa nach einem Stromausfall, dann bewirken derartige Anstreifflächen, daß der Rotor, ohne nennenswert Schaden zu nehmen, bis zum Stillstand weiter umläuft. Als Material für derartige Gleitflächen können herkömmliche Lagermaterialien verwendet werden, wie beispielsweise Sintermetall bei den Axiallagern, bzw. eine Beschichtung durch Teflon in radialen Bereichen, die den magnetischen Kraftfluß nicht hemmt. Anlauf und Notlauf sind durch derartige Gleitflächen beherrschbar.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß dem Rotor gegenüberliegend ein zweites, kranzförmiges, der Peripherie der einen Radialfläche des Rotors gegenüberliegendes Axiallager angeordnet ist. Da dieses Lager im Außenbereich des Rotors wirkt, also in Bereichen hoher Umfangsgeschwindigkeit des Rotors, setzt seine tragende Wirkung bereits bei verhältnismäßig geringer Drehzahl ein. Hierbei stellt sich der Rotor auf eine stabile Mittellage zwischen den beiden axialen Lagern ein, was für einen mit dem Rotor verbundenen Fertigungsprozeß, wie beispielsweise das Spinnen eines Fadens, von wesentlicher Bedeutung sein kann. Überdies verhindert das axiale Zusatzlager bei einem Rotor mit vertikaler Achse beispielsweise das Herausspringen des Rotors aus der Lagerung bei plötzlich auftretender Unwucht sowie nach einem Rotorbruch. Da die Anforderungen an die Zentrierung eines derartigen Lagers nicht besonders hoch sind, kann ein derartiges Lager mit herkömmlichen Vorrichtungen leicht entfernbar angeordnet werden, so daß es das Austauschen des Rotors in keiner Weise behindert; eine derartige Befestigung könnte beispielsweise in einer Bajonettbefestigung des zusätzlichen Lagerkranzes in der Motor-Magnetlager-Baueinheit bestehen.

Es ist natürlich möglich, jede bekannte Art magnetischer Lagerungen für eine erfindungsgemäOe Baueinheit von Antrieb und Radiallagcrung zu verwenden; so ist es beispielsweise vorteilhaft, in axialer Richtung gesehen vor und hinter den Spulensätzen zum Antrieb einen radialmagnetisierten Magnetring derart vorzuse hen, daß die abstoßend radialmagnetisierten Zonen des Roiors diesem gegenüberliegend angeordnet sind. Wenngleich bei einer derartigen Anordnung gewisse Verluste im Antrieb auftreten können, ist es von Vorteil, derartige Lagerungen dort zu verwenden, wo mit Slromausfall und ähnlichen Betriebsstörungen zu rechnen ist. Schließlich können derartige Magnetringe auch als zusätzliche Zentrierung zu sonstigen magnetischen Lagerungen vorgesehen werden.

Im Sinne einer weiteren Ausgestaltung ist es aber besonders von Vorteil, daß die Baueinheit Spulen zur elektromagnetischen Lagerung und zum Antrieb aufweist, die auf einen gemeinsamen Ständer wirken. Hierbei wirken Lagerung und Antrieb in der gleichen Ebene, so daß keine Kippschwingungen um die Lagerebene auftreten können.

Im Rahmen der weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es besonders vorteilhaft, zur radialen Lagesteuerung bzw. -regelung und zum Antrieb die gleichen Magnetspulen zu verwenden, die durch Anziehung auf den ferromagnetischen Rotor wirken. Die Magnetspulen des Antriebs werden einerseits ständig derart eingespeist, daß sie ein Drehfeld zum Antrieb des Rotors erzeugen; darüber hinaus aber wird die Lage des Rotors gemessen, und tritt eine Abweichung in radialer Lage ein, werden die Spulensätze derart angesteuert, daß zum Drehfeld auch ein Stellfeld auftritt, das den Rotor wieder in die Ausgangslage zurückbringt. Diese Wirkung kann beispielsweise durch folgende Anordnung erreicht werden: Es werden zumindest zwei der zum Antrieb dienenden Magnetspulen mit ungefähr sinusförmiger Windungsverteilung etwa in der Mitte aufgetrennt, so daß ein Stellstrom beide Spulenhälften in gegenläufiger Richtung durchfließen kann, wobei gleichzeitig jede Spule an das speisende Antriebsdrehstromsystem angeschlossen ist. Hierbei durchlaufen die Drehströme in bekannter Weise die Gesamtspulen, die an der Stelle der Auftrennung hierzu einen überbrückenden Strompfad besitzen. Ein Stellstrom durchfließt gleichzeitig zwischen der Stelle der Auftrennung und den Spulenenden die beiden Spulenhälften in jeweils entgegengesetzter Richtung. Hierdurch entsteht ein resultierender Kraftvektor, der von der Achse des Rotationskörpers etwa zur Stelle der Auftrennung hingerichtet ist. Dieser Kraftvektor resultiert aus kontinuierlich verteilten Kraftkomponenten, wie sie dem Induktionsverlauf des Magnetfeldes im Luftspalt zwischen den Spulen und dem Rotor entspricht. Es kann beispielsweise der Stellstrom der Auftrennungsstelle über einen Tiefpaß zugeführt werden, wenn etwaige Stellfrequenzen unterhalb der Frequenzen des Drehfeldes liegen. Είπε derartige Anordnung ist besonders bei schnellaufenden Rotoren von Interesse, wenn die vom Stellsystem zu bekämpfenden Störschwingungen in der Frequenz wesentlich tiefer liegen. Es ist aber auch jede andere Ausgestaltung möglich, bei der die gleichen Magnetspulen verwendet werden, so ist es beispielsweise möglich, Spulenteile abzutrennen, die dann vom Antriebsstrom nicht durchflossen werden und die allein den Stellstiömen vorbehalten sind. Schließlich ist es auch möglich, etwa bestimmte Spulenteile ständig mit Gleichstrom zu speisen, wodurch beispielsweise gegenüber einer radial permanentmagnetischen Zone des Rotors eine ständige Kraft ausgeübt werden kann soweit Verluste auftreten, kann diese Kraft bzw. der sit verursachende Gleichstrom auch veränderbar sein beispielsweise dann, wenn bei besonderen Betriebszuständcn eine besonders starke fesselnde Wirkung vonnöten ist. Schließlich können die zum Ansteuern des aktiven Stellsystems notwendigen Meßfühler beispielsweise zwischen Spulensätzen angeordnet sein, oder es können etwa ebenfalls Teile der Spulensätze als Meßfühler verwendet werden. Der wesentliche Vortei dieser Ausgestaltung liegt darin, daß nicht nur die Antriebs- und Stcllkräfte in der gleichen Ebene wirken so daß nicht etwa gegenseitige Kippmomente auftreten

sondern bei der vorliegenden Erfindung wirken diese Kräfte in den Zonen, in denen die größten Auslenkungen und die kleinsten aufzubringenden Kräfte auftreten; hierdurch ist es beispielsweise möglich, mit optimal kleinen Regeleinrichtungen auszukommen, da bei der vorliegenden Ausgestaltung die Stellströme besonders klein sind. Schließlich liegt noch ein Vorteil des Einheitsspulensatzes darin, daß dieser Spulensatz verhältnismäßig billig ist und daß er auch auf einen nicht vor/umagnetisierenden Rotor einwirkt; es kann daher in bequemer Weise für den Rotor ein Material gefunden werden, da dieses Material außer den Anforderungen an Festigkeit nur verhältnismäßig geringen Anforderungen an seine ferromagnetischen Eigenschaften genügen muß. verglichen mit den Anforderungen, denen das Material eines permanentmagnetischen Rotors genügen müßte. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegen sämtliche empfindlichen oder aufwendigen Teile für Antrieb und Regelung außerhalb des Spulensatzes, können daher vom eigentlichen Antrieb entfcrnt angebracht werden und werden im Falle eines Rotorabsturzes nicht in Mitleidenschaft gezogen. Schließlich ist es noch möglich, Spulensätze verschiedenen Durchmessers etwa mit Steckverbindungen zu versehen, so daß eine Maschine auf Rotoren verschiedenen Durchmessers in kürzester Zeit umgerüstet werden kann. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der nichtumlaufende Teil des Axiallagers Polschuhe aufweist, die mit dem Ständer der Baueinheit zusammenwirken. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Unterseite des Rotors für magnetischen Fluß ausgenutzt wird; dieses führt insbesondere bei sehr flachen, niedrigen Läufern zur weitaus besseren Eigenschaften, als es ohne diese Ausgestaltung möglich wäre. Weiterhin ergibt sich durch diese Ausgestaltung die Möglichkeit, daß axiale Schwingungen des Läufers unterdrückt werden, da die Anziehungskräfte der Stellmagnelen auch eine axiale Komponente besitzen, die den Läufer gegen das Luftpolster des aerodynamischen Lagers andrücken und die zusätzlich auch ^4U angesteuert werden können. Schließlich kann durch diese Ausgestaltung noch eine wesentliche Abkürzung der Auslaufzeit des Läufers dadurch bewirkt werden, daß die Anziehungskraft der Stellmagneten in der Abbremsphase erhöht wird, wodurch der Läufer gegen Gleitschichten des Axiallagers gedrückt wird und somit zum Stillstand gebremst wird. Hierbei kann möglicherweise im Lager noch eine öffnung vorgesehen werden, durch die in diesem Fall das sonst tragende Gas- oder Luftpolster entweichen kann.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der nichtumlaufende Teil des Axiallagers eine Kegelfläche aufweist, zu der passend die Radialfläche des Rotors kegelig ausgebildet ist.

Durch diese Ausgestaltung wird erzielt, daß ein gewisser Anteil der Radialkräfte bereits vor der acrostatischcn oder aerodynamischen Axiallagcrung übernommen wird; dies hat insbesondere dort seine Bedeutung, wo mit Stromausfall des Stellsystems gerechnet werden muß; in diesem Fall wirkt die ^bl) Ausgestaltung der Erfindung notzentrierend für den Läufer, der somit, ohne Schaden zu nehmen, bei Ausfall der elektromagnetischen Stelleinrichtung noch sicher zum Stillstand angebremst werden kann.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, ^b"> daß die Uinfangsfliichc des Rotors kegelig ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung wird bewirkt, daß ein gewisser Anteil der axialen Kräfte vom elektromagnetischen Stellsystem aufgebracht wird; hierbei könner diese vom elektromagnetischen Stellsystem aufgebrach ten Axialkräfte die auf das aerodynamische odei aerostatische Axiallager wirkenden Kräfte erhöher oder verringern. Der besondere Vorteil dieser Ausge staltung liegt darin, daß Axialschwingungen des Rotor: von den Meßfühlern des elektromagnetischen Stellsy stems erfaßt und vom Stellsystem unterdrückt werden Hierdurch wird die Erfindung besonders dort anwend bar, wo eine besonders stabile axiale Lage in bezug zi anderen verfahrenstechnischen Einrichtungen notwen dig ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteh darin, daß die eine Oberfläche des Axiallagers mi selbstdruckerzeugenden Nuten, wie z. B. mit Spiralriller oder Spiralnuten versehen ist. Derartige Lagerunger sind an sich bekannt, sind aber in Verbindung mit einerr erfindungsgemäßen flachen Rotor von ganz besonde rem Vorteil, da sie als aerodynamische Lagerung füi eine von der Drehzahl abhängige sehr stabile Schicht dicke des tragenden Gases sorgen; ein derartiges Lagei verhindert somit große Unterschiede im tragender Lagerspalt und hieraus resultierende Axialschwingun gen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteh darin, daß die Spiralrillen auf die Lagerfläche aufge bracht, insbesondere in Form von Folien aufgekleb sind, hierbei wird ermöglicht, aus Stoffen mit geringen· Reibungswiderstand durch an sich bekannte Verfahrer entweder die gesamte Lagerfläche herzustellen oder dif jeweilige Oberfläche des Axiallagers damit zu beschich ten.

Für die vorliegende Erfindung gibt es ein breites Banc an Anwendungsmöglichkeiten; so ist beispielsweise eint Verwendung als Energiespeicher besonders sinnvoll wobei die Spulensätze zunächst den Antrieb des Rotor; übernehmen, wenn der Energiespeicher Energie auf nimmt, und dann über das vom umlaufenden Rotoi erzeugte umlaufende Magnetfeld wieder Leistung nacr außen abgeben. Bei einem derartigen Energiespeichei ist der Verlust durch Lagerreibung besonders gering, se daß dieser Energiespeicher nicht nur zum kurzfristiger Speichern von Energie verwendet werden kann.

Eine ganz besonders vorteilhafte Anwendung dei Erfindung besteht darin, daß sie als Spinnturbin« verwendet wird. Derartige sogenannte Open-End Spinnzentrifugen bestehen aus einem schüsselartiger mit außerordentlich hoher Geschwindigkeit umlaufen den Rotor, in den z. B. flüssiges Plastikmateria eingetropft wird, das dort einen Faden bildet. Antrier und Lagerung derartiger höhertotirigen Spinnzentrifu gen haben bisher außerordentliche Schwierigkeiter bereitet, da die Zentrifugen oft in großer Anzah montiert werden und hohe Betriebszeiten erreicher müssen. Die durch die Verwendung der bisheriger Kugellager auftretenden Verluste, die sich in Form voi Lagergeräusch, Erwärmung und schließlich in Ver schleiß bemerkbar machen, führen bei diesen höhertou rigen Spinnzentrifugen nicht nur zu einem hoher zusätzlichen Energiebedarf, sondern auch zu Verkürzungen der Lebensdauer. Die erfindungsgemäße Vor richtung zum Antrieb und zur Lagerung eines schei benförmigen Rotors hat ihren besonderen VoriL-il be Spinnzentrifugen darin, daß der Antrieb verschleiß arm stattfindet, und daß die gesamte Lagerung und dei gesamte Antrieb nur eine geringfügig höhere Bauticfi aufweist als der Zcntrifugcnläufer. Es können somi beispielsweise auf verhältnismäßig einfache Bcttunger

eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen montiert werden, wobei die Läufer stillstehender Zentrifugen mit wenigen Handgriffen auswechselbar sind. Auch der Durchmesser einer erfindungsgemäßen Spinnzentrifuge ist nicht höher als der Durchmesser einer bisherigen Spinnzentrifuge, da bei einer bisherigen Zentrifuge der Rotor von einer Panzerung umgeben sein müßte, deren Aufgabe die- Antriebs- und Lager-Baueinheit bildet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Schnittzeichnung einer erfindungsgemäßen Spinnzentrifuge noch näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung: ein Zentrifugenläufer 1 ist auf seiner Innenseite schlüsseiförmig ausgebildet, besteht aus ferromagnetischem Material, und weist eine ebene Unter- bzw. Oberfläche und eine kreiszylindermantelförmige Außenfläche auf. Dieser Rotor ist auf einer Lagerplatte 2 gelagert, die spiralförmig verlaufende Rillen 3 aufweist, wobei die Stege zwischen den Spiralrillen mit einer Schicht 4 aus gleitfähigem Material, etwa aus Teflon, versehen sind. Durch absperrbare Leitungen 5 kann von unten her Preßluft zugeführt werden. Der Rotor ist von einem kreisringförmigen Rahmen 6 umgeben, in den Spulensätze 7 eingegossen sind. Die Spulensätze 7 sind so angeordnet, daß sie der kreiszylindermantelförmigen Oberfläche des Rotors 1 in dessen Betriebsstellung genau gegenüberliegen. Diese Spuiensätze 7 übernehmen die Funktion des Antriebs, der radialen Lagemessung sowie der radialen Lagesteuerung. Die Ansteuerung dieser Spulensätze 7 erfolgt durch eine Hier nicht gezeigte Hochfahr-Meß- und Regeleinrichtung. An der Oberseite des Rotors ist ein mit Spiralrillen versehener Ringkranz 8 abnehmbar angeordnet.

Bei Inbetriebnahme der Vorrichtung ruht zunächst der Läufer 1 auf den Gleitflächen 4. Sodann wird die radiale Lagerregelung eingeschaltet und durch die Leitungen 5 von unten her dem Rotor Preßluft zugeführt. Der Rotor hebt von den Lagerflächen 4 ab und begibt sich >n seine statische Ausgangsstellung. Sodann wird der Antrieb eingeschaltet, der den Rotor rasch in schnelle Drehung versetzt. Bei Erreichen einer gewissen Drehzahl beginnt der Rotor mit seiner Unterseite an den Kanten der Spiralrillen 3 jeweils ein tragfähiges Druckpolster auszubilden, so daß die Leitungen abgesperrt werden können. In gleicher Weise bildet sich unterhalb des Lagerkranzes 8 ein dynamisches Druckpolster, so daß der Rotor zwischen beiden Polstern in einer stabilen Mittelstellung gehalten wird. 1st der Antrieb stark genug, bzw. ist die Reibungskraft zwischen der Rotorunterseite und den Teflonflächen 4 gering genug, dann kann der Rotor auch ohne anfängliche aerostatische Lagerung hochgefahren werden;die Preßluftleitungen 5 werden damit überflüssig.

Soll der Rotor entfernt werden, so wird nach Lösen einer hier nicht dargestellten einfachen Klemmvorrichtung der Lagerkranz 8 entnommen und der stillstehende Rotor nach oben herausgehoben.
F i g. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der der Läufer 1 eine kegelige Umfangsfläche aufweist, zu der passend die Innenoberfläche des kreisringförmigen Rahmens 6 der die Spulensätze 7 aufweist, kegelig ausgebildet ist. Weiterhin ist auch die untere Radialfläche des Läufers 1 flachkegelig ausgebildet, und hierzu passend ebenso die Lagerplatte 2; die Oberfläche der Lagerplatte 2 ist mit Spiralrillen 10 aus Material niederen Reibwertes und hoher Verschleißfestigkeit versehen. Um das Auswechseln des Rotors zu gestatten ist die Lagerplatte 2 mittels eines Bajonettverschlusses 11 im kreisringförmigen Rahmen 6 befestigt; zwei Sacklöcher 12 in der Unterseite der Lagerplatte 2 dienen zum Ansetzen eines Werkzeugs.

Fig.3 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung; der Läufer 1 ist in ähnlicher Weise wie in

JO Fig. 1, innerhalb des Spulensatzes 7 angeordnet; Spulen wirken auf einen im wesentlichen ringförmigen Ständer 13, dessen Oberfläche der Außenoberfläche des Laufers gegenübersteht. Mit dem Ständer 13 stehen Polschuhe 14 in Verbindung, die von unten her auf den Läufer

J5 anziehend einwirken. Zum Abbremsen des Läufers wird der magnetische Fluß durch Ständer 13, Läufer 1 und Polschuhe 14 erhöht und die zentrale Leitung 5 geöffnet; hierdurch entweicht das aerodynamische Luftpolster unterhalb des Läufers 1, und der Läufer 1

•»ο wird gegen die Rillen 10 angepreßt.

Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf Spinnzentrifugen der dargestellten Ausbildung, sondern auf Spinnzentrifugen schlechthin; darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auch ausdrücklich auf die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Energiespeichern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Antrieb und zur Lagerung eines Rotors mit einem Antrieb und einem Luftlagerteil, wobei das Luftlagerteil vorwiegend der Aufnahme von in Richtung der Rotorachse gerichteten axialen Kräften dient und der umlaufende Teil des Antriebs mit dem Rotor eine Baueinheit bildet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetlager (7) vorgesehen ist, das bei Ausbildung des Rotors als Scheibe die Rotorscheibe (1) ?.u deren radialen Zentrierung in der Scheibenebene ringförmig umschiieOt, und daß der Antrieb des Rotors in Umfangsrichtung mit dem Magnetlager in einer Baueinheit (6) zusammengefaßt ist, die das Luftlager umfaßt, ferner daß die untere Radialfläche des Rotors einen Teil des axialen Luftlagers bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aerodynamisches Luftlager vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektromagnetisches Radiallager vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse im wesentlichen senkrecht oder zur Senkrechten geringförmig geneigt angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftlager und/oder Magnetlager zusätzliche Lager-Gleitflächen (4, 9) aufweist, die in Betriebsstellung des Rotors (1) mit den am Rotor angeordneten Gegenflächen berührungsfrei sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites, der Peripherie der einen Radialfläche des Rotors (1) gegenüberliegendes Axiallager (8) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (6) für die Spulen zur elektromagnetischen Lagerung und zum Antrieb einen gemeinsamen Ständer aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die radiale Lagerung und dem Antrieb die gleichen Magnetspulen (7) verwendet werden.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtumlaufende Teil (2) des Luftlagers Polschuhe (14) aufweist, die mit dem Ständer (13) der Baueinheit (6) zusammenwirken.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtumlaufende Teil (2) des Luftlagers eine Kegelfläche aufweist, zu der passend die Radialfläche des Rotors (1) kegelig ausgebildet ist.

1!. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche des Rotors kegelig ausgebildet ist, zu der passend die Originalfläche der Baueinheit (6) kegelig ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Oberfläche des Luftlagers mit selbstdruckerzeugenden Nuten, wie z. B. mit Spiralrillen oder Spirainuten vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch

gekennzeichnet, daß Spiralrillen auf die Lagerfläche aufgebracht sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zum Antrieb und zur Lagerung einer .Spinnzentrifuge.