DE2842165A1

DE2842165A1 - Magnetische lagereinrichtung

Info

Publication number: DE2842165A1
Application number: DE19782842165
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Auer; Josef Dipl Ing Hammer; Guenter Ing Grad Innerhofer; Dieter Ing Grad Rapp; Rainer Dipl Ing Sindlinger
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1978-09-28
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DE2842165C2; JPS5548000A

Description

Die Erfindung bezieht sich gemäß Oberbegriff des Patent-
anspruchs auf eine aus der DE-OS 26 49 182 bekannte magnetische Lagereinrichtung. Die bekannte magnetische Lagereinrichtung enthält zwischen zwei scheibenförmigen Polblechen einen ringförmigen axial magnetisierten Permanentmagneten sowie einen Rotorring mit u-förmigem Querschnitt. Polbleche und Rotorring weisen einander in radialer Richtung gegenüberliegende Polflächen auf, zwischen welchen ein enger Luftspalt vorhanden ist. Der magnetische Kreis des Permanentmagneten schließt sich über die genannten Luftspalte, wobei radial gerichtete Zugkräfte auf das Rotorring wirksam werden. In den Umfangsbereichen der Polbleche sind Spulen angeordnet, welche in Abhängigkeit der radialen Position des Rotorrings über geeignete Regeleinrichtungen angesteuert werden, wobei aufgrund der Verstärkung oder Schwächung der magnetischen Felder in den Luftspalten eine aktive Stabilisierung des Rotors in radialer Richtung bewirkt wird. Bei axialen Bewegungen des Rotors oder bei Kippbewegungen des Rotors um die zur Drehachse senkrechten Achsen wirken Rückstellkräfte bzw. Rückstellmomente, so daß insoweit eine passive Rotorstabilisierung erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand eine magnetische Lagereinrichtung zu schaffen, welche mit hoher Genauigkeit herstellbar ist und mit einem guten Wirkungsgrad eine exakte Stabilisierung des Rotors gewährleictet.
Diese Aufhabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße magnetische Lagereinriehtung ist mit einem vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand herstellbar und zwar in der zur Vermeidung von Verlusten erforderlichen Genauigkeit. Durch den Stützring wird eine exakte Ausrichtung der Polbleche bzw. der Polschuhe erreicht. Weiterhin wird mittels des Stützringes eine einfache Befestigung und exakte Ausrichtung des Statorteils an einem Stator gewährleistet. Die Spulen sind vorgefertigt und weisen untereinander die gleiche Impedanz auf und werden bei der Herstellung der Lagereinrichtung in einfacher Weise auf die genannten Ansätze der Ringe aufgeschoben. Als Permanentmagnet kann ein axial magnetisierter Permanentmagnetring oder es können bevorzugt mehrere axial magnetisierte, rechteckförmige Permanentmagnete vorgesehen werden, welche kostengünstig herstellbar sind und mit welchen ohne besonderen Aufwand ein weitgehend homogenes Magnetfeld in den Luftspalten erzielbar ist. In einer bevorzugten Ausführxmgsformist der Stützring sowie ein mit dem Rotorring verbundenes Bauteil derart ausgebildet, daß eine mechanische Notlagerung geschaffen wird. Eine derartige Notlagerung ist von besonderer Bedeutung bei Störungen der Lagereinrichtung, aber auch bei Rotorbewegungen in axialer Richtung oder bei Kippbewegungen, da die aktive Stabilisierung in den radialen Richtungen erfolgt. Da der Stützring das Bauteil des Rotors umgreift, werden, falls die in axialer Richtung gegenüber liegenden Flächen derselben sich berühren, stabilisierende Kräfte bzw. Momente wirksam, welche den genannten Bewegungen entgegen wirken und den Rotor in die Sollposition zurückbringen. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 - eine Prinzipdarstellung der magnetischen Lagereinrichtung im Längsschnitt, Fig. 2 - einen Querschnitt des Statorsteils entlang der Schnittlinie II in Fig. 1, teilweise ohne Permanentmagnete und Stützring.
Gemäß Fig. 1 enthält die Lagereinrichtung auf einem Statorteil 1 in zwei Radialebenen jeweils ein Polblech, bestehend aus einem Ring 2, 3 mit radial gerichteten Ansätzen 4, 5 sowie radial außen liegende Polschuhe 6, 7.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Ring 2 - entsprechendes gilt für Ring 3 - vier derartige Ansätze 4 aufweist, welche in Umfangsrichtung um 90° versetzt angeordnet sind.
Die Polschuhe 6 werden von den Ansätzen 4 teilweise überdeckt und weisen radial außen schmale, ringförmige Polflächen 8 auf, welche sich annähernd über einen Winkelbereich von 900 erstrecken. Zwischen den Polschuhen 6 und 7 befindet sich jeweils ein rechteckförmiger und mit geringem Aufwand hergestellter, axial magnetisierter Permanentmagnet 10 sowie ein Stützring 11, welcher eine exakte Ausrichtung der Polflächen 8, 9 gewährleistet. Das Statorteil 1 ist außen von einem Rotorring 12 umgeben, welcher aus einem ferromagnetischen Material besteht und einen u-förmigen Querschnitt aufweist. Der Rotorring 12 ist um die Längsachse 13 drehbar und weist ringförmige Polflächen 14, 15 auf, wobei zu den zugeordneten Polflächen 8, 9 des Statorteils 1 ringförmige Luftspalte 16, 17 vorhanden sind.
Der Rotorring kann alternativ auch aus einzelnen Ringen oder Scheiben bestehen, zwischen welchen ein Rückschlußring oder auch ein axial magnetisierter Permanentmagnetring angeordnet ist (nicht dargestellt), wobei aber entsprechende ringförmige Polflächen vorhanden sind. In den genannten Buftspalten 16, 17 bildet sich ein weitgehend homogenes Radial-Magnetfeld aus, zumal in Umfangsrichtung die Abstände 18 der Polsenuhe 6 bzw. der Polflächen vergleichsweise klein sind. Die Abstände zwischen den Polschuhen vergrößern sich, wie aus Fig. 2 ersichtlich zur Drehachse 13 hin. Im Bereich dieser Erweiterungen ist der Stützring 11 mit axialen Bohrungen 19 versehen, so daß eine Befestigung des Statorteils 1 an anderen Bauteilen ermöglicht wird. Es ergeben sich. somit in den radialen Richtungen magnetische Zugkräfte auf den Rotorring 12. Der Rotorring 12 kann gegebenenfalls zur Erhöhung der Zugkräfte einen Permanentmagnetring enthalten (nicht dargestellt). Aufgrund der in Richtung der Drehachse 13 schmalen Ausbildung der Polflächen 8, 9 bzw.
14, 15 werden bei Bewegungen des Rotorrings 12 in Richtun derDrehachse 13 oder bei Kippbewegungen um die zur Drehachse 13 senkrechten Achsen Rückstellkräfte wirksam, d.h., es erfolgt insoweit eine passive Stabilisierung des Rotorrings 12 bzw. des Rotors Zur aktiven Stabilisierung sind auf den Ansätzen 4, 5 elektrische Spulen 20, 21 vorgesehen. Diese Spulen 20, 21 werden über bekannte Regeleinrichtungen in Abhängigkeit von Signalen von Positionssensoren, welche die radiale Lage des Rotorrings 12 erfassen, angesteuert. Die Ansteuerung ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird daher nicht im einzelnen beschrieben. Es ist ersichtlich, daß bei entsprechender Ansteuerung beispielsweise sämtlicher in Fig. 1 dargestellten Spulen 20, 21 ein magnetischer Fluß erzeugbar ist, welcher sich dem der Permanentmagnete 10 in den Luftspalten 16, 17 überlagert, und somit eine Schwächung bzw. Verstärkung der magnetischen Zugkräfte auf den Rotorring erreicht wird.
Auf diese Weise wird der Rotorring 12 in seiner dargestellten Sollposition gehalten. Es ist von besonderer Bedeutung, daß der magnetische Fluß im Rotorring 12 in den Schenkeln 23 radial und in dem Zwischenstück 24 axial verläuft und nicht in Umfangsrichtung, so daß der Rotorring mit einem vergleichsweise geringen Querschnitt ausgebildet ist. Weiterhin weisen die Polschuhe bzw. die Polflächen 8, 9 einen geringeren axialen Abstand auf als die Ringe 2, 3, wodurch der magnetische Streufluß erheblich geringer ist als bei gleich großen Abständen. Es bereitet keine besonderen Schwierigkeiten, die axialen Abstände der Ringe 2, 3 in geeigneter Weise vorzugeben, so daß auch die Spulen 20, 21 einen großen Wickelquerschnitt aufweisen können. Die Spulen weisen in radialer Richtung gesehen einen rechteckförmigen Querschnitt auf, so daß im Vergleich mit langgestreckten Spulen ein geringer ohmscher Widerstand vorhanden ist und die Verluste klein sind.
Der Stützring 11 ist an der Außenfläche mit einer Ringnut 24 versehen, in welche ein mit dem Rotorring 12 verbundenes Bauteil 25 hineinragt, wobei zwischen deneinander gegenüber liegenden Flächen (26, 27 bzw. 28, 29) Luftspalte vorgesehen sind. Zumindest die genannten Flächen oder auch Teile derselben bestehen aus Werkstoffen mit guten Gleiteigenschaften, so daß eine mechanische Notlagerung des Rotors geschaffen ist. Da die Flächen 26 des Stützringes 11 die Flächen 27 des Bauteils 25 von außen umgreifen, werden bei Berührung der genannten Flächen auf den Rotor ring stabilisierende Kräfte bzw. Momente wirksam, welche den Rotorring 12 in die dargestellte Sollposition zurückführen.
Zur Dämpfung von Bewegungen des Rotorrings 12 sind weiterhin im Bereich der Polflächen 8, 9 Dämpfungsringe 30, 31 aus elektrisch leitendem Material, insbesondere Kupfer, vorgesehen. Die Dämpfungsringe 30, 31 sind in Ringnuten 32, 33 des Stützringes eingelegt oder sie können auch in axialer Richtung von außen auf die Polschuhe 6, 7 aufgelegt sein (nicht dargestellt). Bei axialen Bewegungen oder Kippbewegungen des Rotorringes 12 werden aufgrund der Magnetfeldänderungen in den Dämpfungsringen 30, 31 Wirbelströme induziert, durch welche den genannten Bewegungen entgegengerichtete Kraftkomponenten auf dem Rotorring 12 wirksam werden. Die gleiche Wirkung entfalten Dämpfungsringe 34, 35 auf dem Rotorring 12 oder auch ein aus elektrisch leitendem Material hergestellter Stützring 11.
L e e r s e i t e

Claims

Magnetische Lagereinrichtung PatentansEruche 1. Magnetische Lagereinrichtung mit einem vorzugsweise u-förmigen Rotorring sowie einem- Statorteil, enthaltend zwei Polbleche, zwischen welchen wenigstens ein Permanentmagnet angeordnet ist, sowie wenigstens zwei Spielenzur aktiven Stabilisierung des Rotorrings in den zur Drehachse senkrechten Richtungen, wobei Rotorring und Polbleche ringförmige Polflächen aufweisen, zwischen welchen ein enger Luftspalt vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polblech einen Ring (2, 3) mit radial gerichteten Ansätzen (4, 5) sowie mit den Ansätzen verbundene Polschuhe (6, 7) aufweist, daß die Spulen (20, 21) auf die Ansätze (4, 5) aufgeschoben sind und daß zwischen den Polschuhen (6, 7) ein Stützring (11) angeordnet ist.
Patentanspruche 2. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (6, 7) in Richtung auf den Rotorring (12) abgeschrägt oder abgewinkelt sind und daß die Polflächen (8, 9) einen geringeren axialen Abstand aufweisen als die Polbleche im Bereich der Spulen (20, 21).
3. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung die Polschuhe (6, 7) im Bereich der Polflächen (8, 9) geringe Abstände zueinander aufweisen, daß diese Abstände zur Drehachse hin sich erweitern und daß dort der Stützring (11) mit axialen Bohrungen (19) versehen ist.
4. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (20, 21) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.
5. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polschuhen (6, 7) rechteckförmige Permanentmagnete (io) mit axialer Magnetisierungsrichtung angeordnet sind.
6. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (6, 7) in axialer Richtung zwischen den Ansätzen (4, 5) angeordnet sind.
7. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ring (2, 3) jeweils vier um 900 in Umfangsrichtung versetzte Ansätze (4, 5) aufweist, welchen Patentansprüche jeweils ein Polschuh (6, 7) und eine Spule (20, 21) zugeordnet ist.
8. Magnetische Lagereinrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (11) und der Rotorring (12) bzw. ein mit diesem verbundenes Bauteil (25) derart ausgebildet sind, daß eine mechanische Notlagerung des Rotorrings (12) vorhanden ist.
9. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (11) eine Ringnut (24) aufweist, in welche das Bauteil (25) zumindest teilweise hineinragt, wobei zwischen den einander gegenüber liegenden Flächen (26, 27 bzw.

28, 29) vorgegebene Luftspalte vorgesehen sind.
10. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (11) und das Bauteil (25) oder die genannten Flächen (26 bis 29) oder zumindest Teile derselben aus Werkstoffen mit guten Gleiteigenschaften hergestellt sind.
11. Magnetische Lagereinrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Polflächen (8, 9 bzw. 14, 15) wenigstens ein 1)ämpf-ungsring (30, 31; 34, 35) aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist oder daß der Stützring (ii) aus einem derartigen Material hergestellt ist.
12. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsringe (30, 31) in Ringnuten (32, 33) des Stützringes (11) angeordnet sind und an den Polschuhen (6, 7) anliegen.
Patentansprüche 13. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsringe auf den Polschuhen (6, 7) angeordnet sind.
14. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsringe (34, 35) auf dem Rotor (12) angeordnet sind.