DE2433712C3 - Antrieb und Lagerung eines Rotors - Google Patents
Antrieb und Lagerung eines RotorsInfo
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Description
ίο
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 fliegend 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 verwesideten 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 mit 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 Lagerung entnehmen lassen. Bei dieser Ausführung handelt es sich aber
um einen hängenden Rotor, der mit einem langen Lagerzapfen in einem Kalottenlager gelagert und durch
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
läßt sich außerdem nicht al."= 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 stabilisiert wird. Der für viele Zwecke erforderliche freie Zugang zum Rotor läßt eich ir.
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, arbeilet 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 ferromagnetischem Material besteht. Ein derartiger Rotor braucht keinerlei Lagerzapfen
oder sonstige Vorrichtungen aufzuweisen, die zur Lagerung notwendig wären. Da dL 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 ii sehr hohe Drehzahlbereiche zu beschleunigen. Für Maschinen, die mit auswechselbaren
Rotoren betrieben werden und deren Rotoren häufig ausgewechselt werden müssen, brdeu'et
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. Lagernngseinrichtung aufgefangen wird, so daß auf separate
Sicherheitsvorkehrungen, wie beispielsweise Panzerungen, weitgehend verzichtet werden kann. Eine Ausgestaltung
der Erfindung besieht darin, daß die Rotorachse im wesentlichen senkrecht oder zur Senkrechten
geringfügig geneigt angeordnet ist, und daß die untere Radialfläche des Rotors ganz cder 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 Bebchickungseinrichtungen freien Zutritt zum Rotor und zum Rotorinnern zu gewähren, sondern
es ist hier in ganz besonders vorteilhafter Weise das werkzeuglose Austauschen von Rotoren ei möglicht.
Der erfindungsgemäße Rotor braucht nunmehr nicht mehr, wie bei bisherirm 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 zulassigen
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 Anstrcifflächen.
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 Axiaüagern, bzw. eine Beschichtung durch Teflon in radialen Bereichen, die den
magnetischen Kraftfluß nicht hemmt. Anlauf und Notlauf sind durch derartige Gleitflächen Liehet rschbar.
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 Bt natürlich möglich, jede bekannte Art magnetischer
Lagerungen für eine erfindungsgemäße Baueinheit von Antrieb und Radiallagerung zu verwenden; so
ist es beispielsweise vorteilhaft, in axialer Richtung gesehen vor und hinter den Spulensätzen zum Antrieb
einen radialmagnetisierten Magnetring derart vorzusehen, daß die abstoßend radialmagnetisierten Zonen des
Rotors 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
Stromausfall 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 nur
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 Drehfelcl auch ein
Siellfeld auftritt, das den P.jiui wieder in die
Ausgangslage zurückbringt. Diese Wirkung kann beispielsweise durch folgende Anordnung erreicht
werden: Γ' werden zumindest zwei der zum Antrieb dienenden Magnetspulen mit ungefähr sinusförmiger
Windungsverteilung etwa in der Mitte aufgetrennt, so
daß ":n Stellstrom beide Spulenhälften in gegenläufiger
Richtung durchfließen kann, wobei gleichzeitig jede Spule an das speisende Antriebsdrehstromsystem
ar.gcschHssen ist. Hierbei durchlaufen die Dicliströme
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 uiiii 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. Eine derartige Ancdnung 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 alleir den
Stellströmen 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 sie
verursachende Gleichstrom auch veränderbar sein, beispielsweise dann, wenn bei besonderen Betriebszuständen
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 Vorteil
dieser Ausgestaltung liegt darin, daß nicht nur die Antriebs- und Stellkräfte 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
verhä'K.ismäßig billig ist und daß er auch auf einen nicht vorzumagnetisierenden 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 Teilt für Antrieb und Regelung außerhalb des Spulcn-
fernt angebracht werden und werden im Falle eines RotorabsHirzes 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 Stellmagneten auch eine axiale Komponente besitzen,
die den Läufer gegen das Luftpolster des aerodynamischen Lagers andrücken und die zusätzlich auch
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 ' uftpolster 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
aerostatischen oder aerodynamischen Axiallagerung übernommen wird; dies hat insbesondere dort seine
Bedeutung, wo mit Stromausfall des Stellsystems gerechnet werden muß; in diesem Fall wirkt die
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, daß die Umfangsfläche des Rotors kegelig ausgebildet
ist. Durch diese Ausgestaltung wird bewirkt, daß ein gewisser Anteil der axialen Kräfte vom elektromagnet!-
schen Stellsystem aufgebracht wird; hierbei können diese vom elektromagnetischen Stellsystem aufgebrachten
Axialkräfte die auf das aerodynamische oder aerostatische Axiallager wirkenden Kräfte erhöhen
oder verringern. Der besondere Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß Axialschwingungen des Rotors
von den Meßfühlern des elektromagnetischen Stellsystems erfaßt und vom Stellsystem unterdrückt werden.
Hierdurch wird die Erfindung besonders dort anwendbar, wo eine besonders stabile axiale Lage in bezug zu
anderen verfahrenstechnischen Einrichtungen notwendig ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die eine Oberfläche des Axiallagers mit
selbstdruckerzeugenden Nuten, wie z. B. mit Spiralrillen oder Spiralnuten versehen ist. Derartige Lagerungen
sind an sich bekannt, sind aber in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen flachen Rotor von ganz besonderem
Vorteil, da sie als aerodynamische Lagerung für
QnHIr1Kt-
dicke des tragenden Gases sorgen; ein derartiges Lager verhindert somit große Unterschiede im tragenden
Lagerspalt und hieraus resultierende Axialschwingungen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Spiralrillen auf die Lagerfläche aufgebracht,
insbesondere in Form von Folien aufgeklebt sind, hierbei wird ermöglicht, aus Stoffen mit geringem
Reibungswiderstand durch an sich bekannte Verfahren entweder die gesamte Lagerfläche herzustellen oder die
jeweilige Oberfläche des Axiallagers damit zu beschichten.
Für die vorliegende Erfindung gibt es ein breites Band an Anwendungsmöglichkeiten; so ist beispielsweise eine
Verwendung als Energiespeicher besonders sinnvoll, wobei die Spulensätze zunächst den Antrieb des Rotors
übernehmen, wenn der Energiespeicher Energie aufnimmt, und dann über das vom umlaufenden Rotor
erzeugte umlaufende Magnetfeld wieder Leistung nach außen abgeben. Bei einem derartigen Energiespeicher
ist der Verlust durch Lagerreibung besonders gering, so daß dieser Energiespeicher nicht nur zum kurzfristigen
Speichern von Energie verwendet werden kann.
Eine ganz besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung besteht darin, daß sie als Spinnturbine
verwendet wird. Derartige sogenannte Open-End-Spinnzentrifugen bestehen aus einem schüsselartigen
mit außerordentlich hoher Geschwindigkeit umlaufenden Rotor, in den z. B. flüssiges Plastikmaterial
eingetropft wird, das dort einen Faden bildet. Antrieb und Lagerung derartiger höhertourigen Spinnzentrifugen
haben bisher außerordentliche Schwierigkeiten bereitet, da die Zentrifugen oft in großer Anzahl
montiert werden und hohe Betriebszeiten erreichen müssen. Die durch die Verwendung der bisherigen
Kugellager auftretenden Verluste, die sich in Form von Lagergeräusch, Erwärmung und schließlich in Verschleiß
bemerkbar machen, führen bei diesen höhertourigen Spinnzentrifugen nicht nur zu einem hohen
zusätzlichen Energiebedarf, sondern auch zu Verkürzungen der Lebensdauer. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Antrieb und zur Lagerung eines scheibenförmigen Rotors hat ihren besonderen Vorteil bei
Spinnzentrifugen darin, daß der Antrieb verschleißarm stattfindet, und daß die gesamte Lagerung und der
gesamte Antrieb nur eine geringfügig höhere Bautiefe aufweist als der Zentrifugenläufer. Es können somit
beispielsweise auf verhältnismäßig einfache Bettungen
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, derew 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 ferromagnctischem Material, und weist eine ebene Unter- bzw.
Oberfläche und eine kreiszylindermantelförmige Außenfläche auf. Dieser Rotor ist auf einer Lagerplatte
- gc.ager!
ver\?><J~nde Rillen
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 Spulensätze 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 in seine statische Ausgangsstellung.
Sodann wird der Antrieb eirjgeschaltet, 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. Ist 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.
ίο 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
F i g. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei
ι5 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 Radialflärhp 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
Fig. !,innerhalb des Spulensatzes 7 angeordnet; Spulen
wirken auf einen im wesentlichen ringförmigen Ständer 13, dessen Oberfläche der Außenoberfläche des Läufers
gegenübersteht. Mit dem Ständer 13 stehen Polschuhe 14 in Verbindung, die von unten her auf den Läufer
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
■to 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 (13)
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) zu deren
radialen Zentrierung in der Scheibenebene ringförmig umschließt, 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 berührungiirei sind.
6. Vorrichtung nach ein<_m der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichn t, 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 I 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.
11. 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. Vorrich. mg nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Oberfläche
des Luftlagers mit selbstdruckerzeugenden Nuten, wie z. B. mit Spiralrillen oder Spiralnuten 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.
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