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Magnetische Lagereinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagereinrichtung zur berührungsfreien
Lagerung eines Rotors, enthaltend zwei radiale und ein axiales elektromagnetisches
Lager, Sensoren zur Erfassung der axialen und radialen Position des Rotors, eine
Regeleinrichtung, welche mittels der Signale der Sensoren Ansteuersignale zum Positionieren
des Rotors bildet und einen Antriebsmotor aus der DE-OS 24 OD 80 ist eine solche
Lagereinrichtunq bekannt. Ein Rotor wird mittels zweier elektromagnetischen Radi
all agern und einem Axiallager in einer vorgegebenen Position gehalten. Ein an der
Stirnseite angeordneter Axial sensor und mehrere ln- in verschiedenen axialen Ebenen
und mehrfach am Umfang angeordnete Radial sensoren sensieren die Rotorposition und
bilden Signale die den Abweichungen von der Sollposition entsprechen, wobei nicht
nur statische Anderungen, sondern auçh dynamische Anderungen, wie beispielsweise
Taumelbewegunoen, ermittelt verden und führen diese Signale einer Regel ein richtung
zu, die entsprechenae Stell ströme zur Lacerregelung des Rotors an die Elektromagnete
liefert.
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Der Antriebsmotor ist in däs elektromagnetische Lager integriert.
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Eine magnetische Lagereinrichtung kann in vielen Verwendungsfällen
durch die großen Vorteile in Bezug auf Reibungs- und Verschleißfreiheit in günstiger
Weise eingesetzt werden.
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Hierzu ist es jedoch erforderlich, die jeweils bestimmten Antriebsprobleme
optimal zu lösen, d.h. den Antriebsmotor dem entsprechenden Anwendungsfall anzupassen.
Ein in das Magnetlager integrierter Motor erfordert jedoch einen erheblichen konstruktiven
Aufwand zur Anpassung: ein Auswechseln des Motors ist beispielsweise auch bei einem
Störfall nur schwer durchführbar. Bei einem Ausfall der Lagerung, beispielsweise
durch kurzfristige.i Stromausfa'.l , fällt der Rotor in eine Endlage. Dies hat zur
Folge, daß Beschädigungen an den Kontaktflächen Rotor-Stator auftreten können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine zuverlässige und
sichere magnetische Lagereinrichtung zu schaffen, die in einfacher Weise herstellbar
und an verschiedene Anwendungsfälle anpaßbar ist. Die Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß der Antriebsmotor außerhalb des Magnetlagers angeordnet ist und das Magnetlager
wenigstens zwei Notlager, insbesondere Kugel notl ager, aufweist.
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In einem besonderen Anwendungsfall besteht die Aufgabe des Rotors
darin eine Schwungmasse zu tragen; dies ist beispielsweise zur Stabilisierung von
Satelliten erforderlich. Je nach Größe und Masse des Satelliten sind jedoch unterschiedliche
Schwungmassen zur Erzeugung eines bestimmten Drall erforderlich. Diese sind in bevorzugter
Weise s-o an dem Rotor mittels lösbaren Befestigungsel emente:1 verbunden, daß eine
individuelle Anpassung möglich ist.
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Ebenfalls ist es erforderlich, das Antriebselement und/oder die Drehzahl
des Motors auf die bestimmten Erfordernisse anzupassen. In günstiger Weise ist der
Motor an das Magnetlager angeflanscht und kann durch Lösen von Befestigungsmitteln
entfernt bzw. ausgetauscht werden. Hiermit ist eine optimale Auslegung auf die speziellen
Anwendungsfälle möglich.
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Um eine Beanspruchung des Magnetlagers durch Fifehkräfte, die durch
die Schwungmasse verursacht über Speichen eingeleitet werden können, zu vermeiden,
wird in einer Ausgestaltung der Erfindung der Flansch, mit dem die Speichen an dem
Magnetlager befestigt sind, derart ausgebildet, daß die Fliehkräfte lediglich Spannungen
innerhalb des Flansches bilden, diese jedoch nicht auf das Magnetlager ibertragen
werden können. Der Antriebsmotor ist in einfacher konstruktiver Weise ebenfalls
an dem Flansch befestigt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Notlager so angeordnet,
daß ein sicheres Abfangen des Rotors bei Störungen gewährleistet ist. Durch die
Verwendung von Kugel lagern wird eine Abnutzung vermieden. Die Montage der Kugellager
ist auch - durch eine Abstimmung der Durchmesser von Kugellager und Statorbauteilen
- nach dem Einbau der Statorbcuteile bzw der Austausch ohne aufwendige Demontage
durchführbar. Die Notlager erfüllen weiterhi; die Bedingung einer Transportsicherung
bzw. eines sogenannten "Caging", wobei vor allem große Stöße oder Vibrationen abgefangen
werden können.
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Der Aufbau eines aktiv geregelten Magnetlagers gestaltet sich normalerweise
durch die ineinandergreifenden Bauteile von Rotor und Stator äußerst schwierig.
In günstiger Weise ist in einer weiteren Ausgestaltul9 der Erfindung die eine Hälfte
der Mag netl age rt eile des Stators auf einer Hülse angeordnet, d.h. dieser Teil
kann vormontiert werden und wird nach dem
Montieren der direkt auf
dem Dorn angeordneten Magnetlagerteile des Stators und dem Anbringen des Rotors
ebenfalls auf dem Dorn befestigt. Dadurch wird auch ein einfacher Austausch beliebiger
Komponenten des Magnetlagers möglich. Zur einfachen Kompensation von Kippmomenten
und zur besseren Wirksamkeit des Magnetlagers ist weiterbildungsgemäß das axiale
Lager in der Schwerpunktebene und die beiden Radiallager in einem größtmöglichen,
axialen Abstand von der Schwerpunktebene symmetrisch angeordnet.
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Eine besonders gute Wirkung des Magnetlagers, welches die radiale
Stabilisierung bewirkt, wird dadurch erreicht, daß die beiden Magnetl agergruppen
an den äußeren Enden des Stators bzw. des Rotors angeordnet sind, d.h. der Hebel
arm zur Krafteinleitung möglichst groß gewählt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 der prinzipielle Aufbau eines magnetisch gelagerten
Scnwungrings, Fig. 2 einen Schnitt durch das Magnetlager.
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Nachrichtensatell iten haben die Aufgabe, ein bestimmtes Gebiet der
Erde im Richtfunkbetrieb mit Nachrichten zu versorgen.
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Dazu ist es natürlich erwünscht, daß der Satellit ununterbrochen über
seinem Versorgungsgebiet stehen bleibt, da seine Nachrichten im allgemeinen zu jeder
Tageszeit benötigt werden. Das wird dadurch erreicht, daß der Satellit eine der
Erddrehung synchrone Umlaufbahn beibehält. Hierzu ist eine exakte Lageregelung erforderlich.
Eine einfache und genaue Lageregelung wird durch Verwendung von im Satelliten eingebauten
Schwungradstabilisierungen, sogenannte Drallräder,
erreicht. Diese
Drallräder stabilisieren den Satelliten in zwei zur Spinachse senkrecht stehende
Achsen, die Stabil isierung der dritten Achse geschieht durch Drehzahländerungen
der Schwungmasse. Es ist ersichtlich, daß bei der sehr langen Missionszeit von Nachrichtensatelliten
(im Bereich einiger Jahre) die Anforderungen an die Lager der Schwungmasse in Bezug
auf die Zuverlässigkeit sehr hoch sind. Daher erscheint es günstig, anstelle der
bisher verwendeten Kugellager elektromagnetische Lager zu verwenden, die einen reibungs-
und verschleißfreien Betrieb gestatten. Selbstverständlich kann ein magnetisch gelagertes
Schwungrad für viele weitere Anwendungsfäll, 9 beispielsweise für Enerqiespeicher,
eine günstige Lösung darstellen.
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Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau eines magnetisch gelagerten Schwungrings
zeigt im wesentlichen die drei Hauptbaugruppen Magnetlager 1, Rotor 2, bestehend
aus Speichen, Schwungmasse 4 und Motor 3: Diese sind leicht austauschbare Einheiten,
die durch Schrauben miteinander verbunden werden. Zur Erzeugung eines bestimmten
Drall kann sowohl die Schwungmasse 4 des Rotors 2 als auch die Drehzahl des Motors
3 durch Austausch des Rotors bzw. des Motors verändert werden. Das Magnetz auger
1 ist so dimensioniert, daß die äußeren Komponenten beliebig variiert werden können:
Dies bedeutet eine erheb-1 che Vereinfachung und Einsparung an Fertigungskosten.
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Die Fig. 2 zeigt die konstruktive Auslegung des in Fig. 1 prinzipiell
dargestellten Magnetlagers. Die Baugruppe Magnetlager setzt sich zusammen aus der
Statorachse 6, 7, den magnetischen Stellgliedern 8-11, 14-21, Sensoren 12, 13, Notlager
22, 23 und der Rotorhülse 26. Die Statorachse 6, 7 ist in dr Mitte geteilt und besteht
aus einer Hülse 6 und einem Achsbolzen 7 wobei beide Teile mit einer spielfreien
Passung oder einer Preßpassung ineinander gefügt und gegeneinander verschraubt werden.
Auf jeder Teil achse ist eine symmetrische
Lagerhälfte aufgeschrumpft.
Die Achse muß zur Demontierbarkeit des Rotors geteilt ausgeführt sein, weil die
rotierende Axiallagerscheibe 8 in den Stator qreift. Die Statorachse 6, 7 trägt
in der Mitte das Axiallager 9, bestehend aus Spulen 10 und Rückschlußringen 11,
wodurch eine axial gerichtete Kraft auf die Axiallagerscheibe 8 ausgeübt werden
kann. Weiterhi n sind auf der Statorachse Sensoren 12, 13 angeordnet, die über den
gesamten Umfang verteilt sowohl die axiale als auch die radiale Auslenkung und Kippbewegungen
des Stators sensieren und entsprechende Signale an Regeleinrichtungen liefern. Der
Aufbau der Sensoren wurde in der DE-OS 28 48 173 ausführlich beschrieben. Die Statorachse
6,7 trägt weiterhin an den Ebenen die elektromagnetischen Radiallager 14,15. Diese
sind statorseitig aus axial geschichteten Blechpaketen 16, 17 aufqebaut, deren Blechschnitt
acht Pol schuhe enthält und denen die Wicklungen 18, 19, 20, 21 und hier nicht dargestellt
weitere vier Wicklungen angeordnet sind. Die Ansteuerung der Magnetlagerwicklungen,
sowohl der Radiale, als auch des Axiallagers, erfolgt durch Regeleinrichtungen,
die die Sensor20 signale in entsprechende Stellsignale umformen und dadurch den
Rotor in seiner Sollage halten. Zur Vermeidung eines Aufsitzen des Rotors auf die
Magnetl agertei 1 e des Statcrs, beispielsweise bei Stromausfall oder beim Abschalten
der Lagerung, sind an den Enden der Statorachä 6,7 weiterhin zwei Notkugellager
.22, 23 befestigt. Zwischen den Außenringen 24, 25-der Kugellager und der Rotorhülse
26 ist ein Luftspalt von ca. 0,2 mm vorgesehen, so daß bei Betrieb des Magnetlagers
keine Berührung zwischen den Notkugellagern 22, 23 und dem Rotor stattfindet. Dieser
Luftspalt ist jedoch geringer als der Luftspalt zwischen den Magnetl agerteil en
des Rotors und des Stators: Somit können zu große Rotorbewegungen keine Beschädigung
der Magnetlaqerteile hervorrufen. Das Magnetlager einschließlich Notlager ist eine
komplette Baugruppe, kann also ohne Motor und Rotor getestet bzw. ausgetauscht werden.
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An der Rotorhülse 26 ist der Motor 27 befestigt. Dieser ist ein eisenloser,
elektronisch kommutierter Gl eichstromantrieb.
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Die statorseitig angeordnete Wicklung 28 ist aus 18 Einzelspulen aufgebaut,
die in einem glasfaserverstärkten Epoxidharzkörper eingegossen sind Die Wicklung
ist dreiphasig mit sechs Spulen pro Phase Um die Wirbelstromverluste gering zu halten
weden die werden die Spulen aus einer Hochfrequenzlitze hergestellt. Auf beiden
Seiten der Wicklung 28 sind rotorseitig Permanentmagnete 29 auf Rückschlußringen
30, 31 angebracht Zwölf Polpaare sind am Umfang symmetrisch verteilt Durch beidseitig
der Wicklung angeordnete Permanentmagnete erhält man eine sehr günstige Feldverteilung.
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Am äußeren RiTckschlußring 31 des Motcrs 27 befirden sich 12 symmetrisch
am Umfang verteilte Blenden 32 für die Ansteuerung der induktiven Kommutierungssensoren
33. Diese sind geschlitzte Ringkerne aus Ferrit, in die die Blenden hineingreifen.
Die Ringkerne tragen zwei Wicklungen, eine Erregerwicklung und eine Sensorwickl
ung. Drei solcher KommutierunQssensoren sind am Umfang 120 versetzt angeordnet.
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An der Rotorhülse 26 sind ferner mehrere Speichen 34 befestigt. Diese
Speichen besitzen ein Doppel-T-Prc;il : Hierdurch sind diese verwindungssteif, leicht,
und gleichzeitig durch den Aufbau aus verschweißten Blechen vibrationsabsorbierend.
An den äußeren Enden der Speichen ist die Schwungmasse 35 angeordnet: Diese besteht
aus einem massiven Ring und kann zur Vibration des Drall in verschiedenen Größen
oder mit unterschiedlichen Materialien hergestellt und in einfacher Weise an die
Speichen angeschraubt werden.
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Zum Schutz gegen äußere Einflüsse und für Testzwecke, bei denen die
Umgebung des magnetisch gelagerten Schwungrades evakuiert werden muß, ist die gesamte
Anordnung mit einem luftdichten Gehäuse 36 umgeben, welches mit dem Absaugrohr 37
luftleer
gepumpt werden kann und wodurch ein exakter Leistungsnachweis unter äußerem Atmosphärendruck
durchgeführt werden kann. Das Gehäuse 36 schließt eine Grundplatte 38 ein, wobei
mittels Aufnahmebohrungen 39 die gesamte Anordnung einseitig an der Satellitenstruktur
befestigt wird. Die Kommutierungselektronik für den Motor 27 ist im Gehäuse auf
einer Platine 40 angeordnet: Die Versorgungsleitungen und die Verbindungsleitungen
des Magnetlagers zu dem außerhalb des Gehäuses angeordneten Regeleinrichtung führen
mit dem Obergabestecker nach außen.
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