DE2451972C3 - Aktives magnetisches Radiallager - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein aktives magnetisches Radiallager mit Vormagnetisierung gerr Sß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Magnetische Lager für rotierende Körper ersetzen den mechanischen Kraftschluß zwischen Ständerlager und rotierendem Körper durch magnetische Kräfte zwischen mechanisch berührungsfreien im Ständerlager ruhenden ferromagnetischen Polen und bewegten Polen am rotierenden Körper.

Während passive magnetische Lager durch perma nent magnetische Kräfte den rotierenden Körper elastisch in die zentrale Symmetrielage stellen, werden bei aktiven magnetischen Lagern mittels eines in festen Elektromagneten verlaufenden Steuerstromes auf den rotierenden Körper magnetische Kräfte ausgeübt, wobei die Symmetrielage von Sensoren überwacht und durch Steuerung des Steuerstromes die Symmetrielage eingeregelt wird.

Aktive magnetische Lager haben vor passiven den Vorteil, daß sie außer elastischen auch dämpfende Rückstellkräfte bewirken können, jedoch den Nachteil, daß beim Versagen des Regelkreises unter Umständen negative elastische Kräfte auftreten, das sind solche, die eine eventuelle Abweichung von der Symmetrielage nicht zu reduzieren, sondern zu vergrößern suchen. Jedenfalls aber setzt die Regelung der Symmetrielage aus, so tritt mechanische Berührung des rotierenden Körpers mit dem Ständerlager ein. was zur Zerstörung Anlaß geben kann.

Aus der DE-OS 22 13 470 und der GB-PS 13 42 919 ist die Kombination eines aktiven und eines passiven magnetischen Lagers bekannt. Duii-h den Aufbau des magnetischen Lagers aus zwei magnetischen Kreisen. wobei der eine Kreis einen eine Vormagnetisierung erzeugenden Permanentmagneten und der andere Kreis ein elektromagnetisches Feld erzeugende elektrische Wicklungen aufweist, wird mit diesen bekannten Anordnungen ein aktives magnetisches Lager mit Vormagnetisierung geschaffen, bei dem beim Ausfall eines Regelkreises für die Steuerströme die Wirkung eines passiven magnetischen Lagers, also eine positive elastische Rückstellkraft auf den rotierenden Körper verbleibt.

Aktive magnetische Lager mit Vormagnetisierung haben vor solchen ohne Vormagnetisierung erstens den Vorteil einer linearen Regelkennlinie zwischen Steuerstrom und Stellkraft, die beim Lager ohne Vormagnetisierung eine quadratische Funktion ist. Zweitens ist die erforderliche Leistungsfähigkeit des Verstärkers für den Steuerstrom bei gleicher Stellkraft und Stellfrequenz kleiner und dieser daher weniger aufwendig.

Bei den bekannter. Anordnungen verlaufen die wirksamen magnetischen Kraftlinien in den Luftspalten zwischen Ständer und Läufer im wesentlichen axial Durch die konzentrische Anordnung der Wicklung wire! durch den gesteuerten Strom die Rotationssymmetric der wirksamen Kraftlinien der einzelnen Ringspalte ir einigen Spalten erhöht und in anderen verringert. Die durch die Vormagnetisierung erzeugten axialen Felder ergeben unterschiedliche axiale Stellkräfte in beiden Axialrichtungcn, weil die der, Läufer in der einer Richtung ziehenden l.uftspaltfeldcr durch den Steuer

strom verstärkt werden, während die Felder der Luftspalte, die den Läufer in der anderen Richtung zu verstellen suchen, geschwächt werden. Die radialen Stellkräfte werden durch den Steuerstrom bei diesen bekannten Anordnungen nicht beeinflußt

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein aktives magnetisches Lager mit Vormagnetisierung der im Oberbegriff der Patentansprüche ! und 2 genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei Ausfall des Regelkreises für die Steuerströme die Wirkung eines passiven magnetischen Lagers, also eine positive elastische Rückstellkraft auf den rotierenden Körper verbleibt, und daß im Normalbetrieb eine Steuerung von Lagersteifigkeit und Dämpfung von Schwingungen in jeder Richtung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmaie des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 gelöst.

Durch die aktive Beeinflussung der Axiallagerung und der Radiallagerung wird mit der er'indungsgemäßen Anordnung bei Ausfall des Regelkreises für die Steuerströme die Wirkung eines positiven magnetischen Lagers erzielt und im Normalbeirieb die Steuerung von Lagersteifigkeit und Dämpfung von Schwingungen in jeder Richtung ermöglicht. Insbesondere kommt das für den Hochlauf überkritisch betriebener Zentrifugen und anderer Rotationskörper vorteilhaft zur Geltung, wo die Radialschwingungen beim Durchfahren der kritischen Drehzahl gedämpft werden müssen, wenn die durch Restunwucht bedingten Schüttelkräfte mit der Eigenfrequenz des Rotorkörpers übereinstimmen.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist also ringförmige permanentmagnetisch wirksame konzentrische Pole an Ständer und Läufer auf, wobei der Ständer in drei oder mehr Segmente geteilt ist, die je für sich von vom Steuerstrom durchflossenen Wicklungen in ihrer Polstärke verstärkt oder geschwächt werden können. Diese Wicklungen können mit den Polschenkeln der Ständersegmentpole verkettet sein oder — oder und — mit Streuflüssen der Ständermagnete, die parallel zu dem magnetischen Nutzfluß verlaufen, der über die Segmentpole zu dem Läuferringpol führt. Diese mit den Streuflußnebenwegen verketteten Wicklungen können auch mit weichmagnetischen Kerner versehen sein und können dazu dienen, den Ständermagneten von den schnellen Flußänderungen des Steuerstromkreises zu entlasten.

Die Segmentpole können auch über ein Ringpolrückschlußjoch miteinander verbunden sein, das mit zwischen den Segmentpolschenkeln liegenden Steuerwicklungen verkettet ist Insbesondere können auch zwei Ständersegmentpolringe oberhalb und unterhalb eines ringförmigen weichmagnetischen Läuferpolringes angeordnet werden, deren Polsegmente über Polschenkel mit einem oberen und einem unteren Rückschlußjochring verbunden sind, wobei zwischen den Polschenkeln die Steuerwicklungen mit den Rückschlußjochen verkettet sind und die Ständermagnete zwischen oberem und unterem Rüekselilußjoehring an den wicklungsfreien Abschnitten angreifen.

Zum Zwecke der Montage eines den Läuferringpol außen, oben und unten umschließenden Ständers wird dieser vorleilhafterweise in drei oder mehr Segmente soll durchteilt, die radial verstellbar oder nach Art von Irisblenden um exzentrische Achsen schwenkbar angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der die radiale Positionierung der Ständersegmente durch barometerdosenartige elastische luftdichte Behälter bewirkt wird. Dient das magnetische Lager zur Lagerung eines rasch laufenden Rotors, der zur Verminderung der Luftreibung in einem Rezipienten mit gegen den Normalluftdruck vermindertem Gasdruck umläuft, so bewirken die elastischen luftdichten Behälter bei Normaldruck im Rezipienten, daß die Ständersegmente nach außen geschwenkt sind, so daß der Rotor eingesetzt und axial positioniert werden kann,

ίο Wird zur Betriebnahme der Rezipient evakuiert, so dehnen sich die elastischen Behälter aus und bewirken dadurch das Einschwenken der Ständersegmente in ihre Arbeitsstellung mit ringförmig geschlossenen Polringsegmenten.

Einem weiteren Erfindungsgedanken entsprechend kann auch auf eine ober- und unterhalb des Läuferringpoles umgreifende Ständersegmentpolform verzichtet werden, indem die Polringe scharfkantig bzw. mit so kleinem Krümmungsradius ausgeführt werden, daß nach Maßgabe des axialen Luftspalt. , die magnetischen Kräfte zwischen Ständer- und Läute, poikante auch dann noch nahezu axial gerichtet sind, wenn der Läuferringaußendurchmesser zwecks Montagemöglichkeit ein wenig kleiner als der Ständer-Polring-Innendurchrv.-jsser gemacht wird. Diese Wirkung ist in praktisch ausreichendem Maße, d. h. ohne erhebliche Minderung der radialen Lagersteifigkeit erreicht, wenn der Innendurchmesser des Ständerpolringes sich von dem Außendurchmesser des Läuferpomnges um weni-

■K> ger als dem doppelten Wert des kleinsten vorkommenden axialen Luftspaltes zwischen Ständer- und Läuferpolring unterscheidet.

Die Regelung der Steuerströme bei der Kombination \on passivem magnetischem Lager mit den magneti-

Ji sehen Fluß variierenden Steuerwicklungen ist eine grundsätzlich andere als bei bekannten akiiven magnetischen Lagern. Während nämlich bei diesen dem Steuerstrom eine Stellkraft in einer best,:nniien Richtung zugeordnet ist, wird beim Erfindungsgegen-

■>" stand durch Steuerstrom die Lagersteifigkeit in einer bestimmten Richtung variiert. Die durch diesen Steuerstrom ausgelöste Stellkraft bzw. Stellkraftänderung ändert also mit dem Vorzeichen der auszuregelnden Exzentrizität ebenfalls ihr Vorzeichen.

*~> Soll bei einem Lager mit vier Segmenten die Lagersteifigkeit der dauermagnetischen passiven Lagerung durch die Steuerspulen in Abhängigkeit vom Meßwert der Exzentrizität erhöht werden, so wird diese in Abhängigkeit vom Betrag des Meßwertes, also

"><> unabhängig von seinem Vorzeichen, z. B. von seiner gleichgerichteten oder von seiner quadrierten GröPe, gesteuert. Legt man de. Messung der Exzentrizität ein XY- 'Koordinatensystem zugrunde, dann wird die in X-Richtung gemessene Komponente der Exzentrizität unabhängig von ii.rem Vorzeichen die Vonjiagnetisierung des Ringluftspaltes in der X-Koordinatenrichtung verstärken und in der K-K.oordinatenrichtung schwächen.
Offensichtlich ist dann bei Exzentrizität in der

^ Richtung der Winkelhalbierenden zwischen der X-- und K-Richtung keine Steigerung der passiven Lagersteifigkeit durch Steuerströme möglich, da durch die gleichen Beträge der Komponenten der in X- und V-Richtung gemessenen Exzentrizitäten entgegengesetzt gleiche Steuerströme ausgelöst werden, die sich zu Null ergänzen.

Andererseits kann man Schwingungen der Exzentrizitäten in .V- oder V-Richtung auch dämpfen, indem man

die Steuerströme dem Produkt von dem Exzentrizilaismeßwert in der betreffenden Richtung und der zeitlichen Ableitung dieses Meßwertes proportional macht. Diese Dämpfung ist auch für umlaufende Exzentrizitäten, Präzessionsbewegung der Rotationsachse, wirksam, jedoch versagt auch sie bei nur 4 Segmentlagcrn, wenn die Schwingungsebene unter 45 zur X- und V-Richtung liegt.

Für eine generelle Steucrtingsmöglichkeit von l.agersteifigkeit und Dämpfung von Schwingungen in jeder Richtung ist deshalb eine Unterteilung in sechs oder acht Segmente erforderlich. Bei Ausführung mit acht Segmenten sind die acht Steuerspulen zu je- vier zu einer Steuerwicklung zusammengefaßt, die für um 45' unterschiedliche Richtungen die Steifigkeit erhöhen und I .eigenschwingungen dämpfen können. Dabei sind allerdings unterschiedliche Schaltungen für den einen und den anderen Zweck erforderlich, nämlich Steuerströme proportional dem Gleichrichtwert der Exzentrizität zur Regelung der Steifigkcitssteigerung und proportional dem Produkt von Meßwert und seiner zeitlichen Ableitung /um Zwecke der Dämpfung.

Beide Wirkungen lassen sich jedoch auch vereinen, wenn man die Steuerslröme den Gleichrichtwcrten der Summe von Meßwert und zeitlicher Ableitung des Meßwertes proportional macht.

Handelt es sich um die Ausregelung von in bekanntem festem Drehsinn umlaufenden Exzentrizitäten, so kann man auch die Steuerung aus dem Gleichrichtmeßwert der Exzentrizitäten zur Steigerung der I.agerstcifigkeit dadurch für die Dämpfung mit verwenden, daß man die betreffenden Steuerströme jeweils auf die im Umlaufsinn der Exzentrizität benachbarten Steuerwicklungen schaltet, statt auf die Steuerwicklung, die in der Meßrichtung die Steifigkeit erhöht.

Anhand einer Zeichnung sei ein schcrna.isehcs Ausführungsbeispiel tier Erfindung erläutert.

Fig. I zeigt eine Anordnung, bei der nur im Ständer ein Dauermagnet 1 von zylindrischer Form vorgesehen

IM. WUIIIUlIU ULM LdUlCI L O1S ItUl (-llll.il

weichmagnetischen Ring 3 aufweist, der zwischen den in je vier Segmente unterteilten oberen Ständerpolring 4 und unteren Polring 5 mit Axialluftspalt frei beweglich spielt. Die Ständersegmentpole setzen sich nach außen mil Schenkeln 6 und 7 fori, mit denen die Wicklungen 8 und 9 verkettet sind. Je nach der Stromrichtung des Steuerstromes in diesen Wicklungen wird das durch den Dauermagneten 1 in den Luftspalten erzeugte Feld in den einzelnen Sektoren verstärkt oder geschwächt. In jedem der Sektoren ist noch ein ferromagnetischer Nebenweg 10 vorgesehen, der über weitere Luftspalte mit Hilfe der Steuerwicklungen 11 den Streuflußantei! des Magneten, der an den aktiven Luftspalten vorbeiführt, verstärken oder schwächen kann. Werden die Wicklungen 8, 9 und die Sleiicrwicklung Il jedes Sektors gleichsinnig bezüglich des Einflusses auf die Feldstärke in den Luftspalten /wischen Ständer und Läufer in Reihe geschaltet, so kann der Stcuerfiuß am -. Dauermagneten 1 vorheigefiihrt werden. Das hat Vorteile bei der Verwendung von metallischem Dauermagnelmaterial. Du· weichrnagnctischen Teile 4, 5, β. 7 und 10 können auch aus lamellicrien Uleclipakelen oder aus Fcrriten gebildet werden.

in Fig. 2, als Schnitt in [· Ί g. 2a und als Draufsicht in I i g. 2b dargestellt, zeigt ein in seinen ferromagnetisehen Teilen ähnliches Ausführungsbeispiel, das jedoch geschlossene Riickschiußjochringc 26 oberhalb und 27 unterhalb der vier einzelnen Magnete 21 besitzt, mit

Γι denen je vier Sicuerwicklungen 28 oben und desgleichen — nicht dargestellt — unten zwischen den Segmentpolslücken verkettet sind. Diese Stcuerwicklungcn sind nur in der Draufsicht 2b von F i g. 2 erkennbar. Das Schnittbild 2a läßt die Anordnung der

2" Magnete 21 und des Läuferpolringes 23 erkennen.

F i g. J zeigt eine ähnliche Anordnung wie F i g. 2. bei der jedoch die vier Sektoren voll durchgeteilt sind und mit Fortsätzen 30 versehen sind, die diese Sektoren um eine Achse 31 herausschwenkbar machen. Barometer-

2> dosen 32 sind des weiteren vorgesehen, die bei Überdruck oder bei normalem Luftdruck in dem Re/ipienten, in dem das Lager und der Rotor untergebracht sind, sich zusammenziehen und daher die Sektoren radial nach außen stellen, während sie bei dem

in niedrigeren Betriebsdruck größere Länge annehmen und so die Sektoren selbsttätig in die gezeichnete Betriebsstellung bringen, bei der die Ständer- und Läuferpolringe axial übereinander stehen.

Für verschiedene Anwendungen magnetischer Lager ist es erforderlieh, daß bei jeder beliebigen Exzentrizität des Läufers die zur Wiederherstellung der Syrnmetrielage auszulösende Sielikiafi einen bestimmten Winkel gegen die Richtung der Exzentrizität bildet. Die Zahl der Segmente muß dann größer als vier, beispielsweise

⁴⁽i sechs oder acht sein. Im übrigen bleibt die Ausführung uie gieiciie wie in ueii Figuren üargesieiii.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich von dem nach Fig. 1 nur durch die Form der Polringe unterscheidet. Diese sind am aktiven Luftspalt

■*"' scharfkantig oder mit sehr kleinem Krümmungsradius ausgeführt. Außerdem isi der Außendurchmesser des Läuferpolringes 43 etwas kleiner als der Innendurchmesser der Ständerpolringsegmente 44 und 45. Auf diese Weise kann der Läufer, auch wenn er mit ehern

■"'" Rotor 46 von größerem Durchmesser als dem des Läuferpolringes 43 verbunden ist, in den geschlossenen Ständer eingesetzt werden. Es kann die Durchteilung der Segmente und die radiale Zustellung, wie zu F i g. 3

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 Patentansprüche: 24 5i

1. Aktives magnetisches Radiallager mit Vormagnetisierung, bei dem ringförmige permanent magnetisch wirksame konzentrische Pole am Stander in einzelnen Segmenten vorgesehen sind, die je für sich von vom Steuerstrom durchflosiienen Wicklungen in einer Polstärke entsprechend den Ausgangsgrößen von Sensoren verstärkt oder geschwächt werden, und bei dem der Läufer mit konzentrisch ungeteilten Ringpolen ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen magnetischen Kraftlinien in den Luftspalten zwischen Ständer (1 und 4 bis 7) und Läufer (2) axial angeordnet und sechs oder acht Segmente am Ständer (1 und 4 bis 7) vorgesehen sind, und daß die Steuerströme der gleichgerichteten Meßwertspannung der Sensoren oder dem Produkt der Meßivertspannungen der Sensoren und der zeitlichen Ableitung dieser Meßwenspannungen proportional sind.

2. Aktives magnetisches Radiallager mit Vormagnetisierung, bei dem ringförmig permanent magnetisch wirksame konzentrische Pole am Ständer in einzelnen Segmenten vorgesehen sind, die je für sich von dem Steuerstrom durchfloi^enen Wicklungen in einer Polstärke entsprechend den Ausgangsgrößen von Sensoren verstärkt oder geschwächt werden, und bei dem der Läufer mit konzentrisch ungeteilten Ringpolen ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, μ daß die wirksamen magnetischen Kraftlinien in den Luftspalten zwischen Ständer ;i und 4 bis 7]i und Läufer (2) axial angeordnet und sechs oder acht Segmente am Ständer (1 und ν bis 7) vorgesehen sind, und daß die Steuerströme den gleichgerichteten Werten der aus der Summe von Meßwertspannung der Sensoren und ihrer zeitlichen Ableitung gebildeten Spannung proportional gemacht werden.

3. Aktives magnetisches Radiallager nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- ·"> wicklungen (11) mit Schenkeln (6,7) der Segmentpo-Ie des Ständers (1 und 4 bis 7) oder mit Streuflüssen der Ständermagnete (1) verkettet sind, die parallel zu dem magnetischen Nutzfluß verlaufen oder mit beiden verkettet sind, wobei sich dann kein Streufluß über den Permanentmagneten (1) schließt.

4. Aktives magnetisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Polsegmenten (4, 5) des Ständers (1 und 4 bis 7) weichmagnetische Rückschlußjochringe bzw. Joch- ^o ringteile (26, 27) angeordnet sind, die die Steuerwicklungen (28) tragen.

5. Aktives magnetisches Lager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Läuferpolringes (3) kleiner ist als der Innendurchmesser der Ständerringpole (4,5).

6. Aktives magnetisches Lager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnungen mit größerem Läuferaußendurchmesser als Ständerinnendufehmesser der Ständer (1 und 4 bis 7) in wi einzelne Segmente geteilt ist, die je um zur Drehachse des Läufers (2) parallele exzentrische weitere Achsen schwenkbar sind.

7. Aktives magnetisches Lager nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkung der Ständersegmente (4 bis 7) abhängig vom Gasdruck erfolgt, in dem das magnetische Lager arbeitet.

8. Aktives magnetisches Lager nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkung durch eine Barometerdose (32) erfolgt.