-
Magnetisch gelagertes Schwungrad
-
Die Erfindung betrifft ein magnetisch gelagertes Schwungrad.
-
enthaltend ein Statorteil, ein Rotorteil, welches mittels wenigstens
eines Magnetlagers in einem berührungsfreien Schwebezustand gehalten ist, einem
Antriebsmotor und einer Schwungmasse.
-
Ein solches Schwungrad ist aus der Informationsschrift "Geräte für
die Raumfahrt" 4.78, S. 22/23 der Fa. Tel dix GmbH bekannt. Dieses besitzt einen
beidseitig anflanschbaren als Achse ausgebildeten Stator Auf diesem sind je zwei
Elektromagnetlager zur Stabilisierung eines Rotors in radialer und axialer Richtung
angeordnet. Der Rotor weist den Magnetlagern zugeordnete Pol teile bzw. Rückschlußelemente
auf, wodurch bei entsprechender Ansteuerung der Elektromagnetlager aufgrund von
Sensorsignalen der Rotor in einem Schwebezustand gehalten wird. Zum Abstützen des
Rotors bei Stillstand und bei Ausfall der Lagerung sind an den axialen Enden zwischen
Rotor und Stator sogenannte Notlager befestigt, die als Kugellager ausgebildet sind.
Der Außenring der Kugellager ist mit dem Stator fest verbunden, während der Innenring
einen bestimmten axialen und radialen Abstand zum Rotor auf-
weist
und somit ein berührungsfreies Schweben des Rotors bei Betrieb der Magnetlager ermöglicht.
-
Der Rotor besteht im wesentlichen aus einer Nabe auf welcher die rotorseitigen
Magnetlagerteile angeordnet sind und einer Schwungmasse mit relativ großem Durchmesser
die eine scheibenförmige Verbindung zu der Nabe aufweist. Auf dem äußeren Umfang
des Rotors ist ein Ring aufgeschrumpft, der zu einer Erhöhung des Trägheitsmoments
beiträgt. Um dem Rotor eine hohe Stabilität bzw. Steifigkeit zu verleihen, ist die
Nabe im Bereich der Einleitung der Fliehkräfte und die scheibenförmige Verbindung
entsprechend groß dimensioniert. Diese Anhäufung von Material bzw. Masse in einem
Bereich der nur unwesentlich zur Erhöhung des Trägheitsmomentes beiträgt, ergibt
ein ungünstiges Drall- Gewichtsverhältnis, d.h. einer bestimmten Nutzmasse steht
eine hohe Gesamtmasse gegenüber.-Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein magnetisch
gelagertes Schwungrad zu schaffen, dessen Schwungmasse mit einer steifen und gewichtssparenden
Verbindung rotorseits befestigt ist.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die ringförmige Schwungmasse
mit einer geradzahligen Anzahl, gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneter
Speichen an dem Rotor befestigt ist.
-
Es ist aus der Informationsschrift der Fa. Tel dix weiterhin ein "Drallrad"
bekannt, welches im Prinzip dem magnetisch gelagerten Schwungrad ähnlich ist, jedoch
eine Kugellagerung
aufweist. Bei diesem Drallrad ist die Schwungmasse
mittels 5 Speichen befestigt. Eine Anwendung dieser Befestigungsart ist jedoch bei
dem magnetisch gelagerten Schwungrad nicht möglich, da eine unsymmetrische Verformung
der Nabe durch 5, oder einer beliebigen unsymmetrischen Anzahl von Speichen, auch
eine unsymmetrische Verformung der auf der Nabe angeordneten Magnetlagerteilen und
damit eine Störung des Magnetlagerbetriebs bewirkt.
-
Die unsymmetrische Verformung beruht darauf, daß jede Speiche bei
Rotation unter Fliehkraftbelastung, verursacht durch den Schwungring, steht. Bei
höheren Drehfrequenzen ist eine Verformung der Nabe unvermeidlich. Pflanzt sich
diese Verformung in den Ring der radialen Positionssensoren des Magnetlagers fort,
so wird durch eine Differenzschaltung 1800 gegenüber liegender Sensoren jede unsymmetrische
Verformung als scheinbare Rotorauslenkung aufgenommen. Bei hohen Magnetlagersteifi
gkeiten führen Verformungen des Sensorrings die beispielsweise im µm-Bereich liegen,
bereits zu hohem Leistungsverbrauch insbesondere im rotatorischen Regelkreis des
Magnetlagers, welcher eine hohe Bandbreite besitzt.
-
Da die Speichen eine E;genmasse aufweisen und damit die von den Speichen
aufzunehmende Fliehkraft nicht über die gesamte Länge der Speichen konstant ist,
sondern zur Nabe hin ansteigt ist in einer Ausgestaltung der Erfindung der Querschnitt
jeder Speiche so gestaltet, daß über die gesamte Länge der Speiche die durch die
Fliehkraft verursachte Spannung a konstant ist.
-
Der Querschnitt der Speiche kann formel mäßig tür jedes Längenelement
berec:hnet werden. Hierbei entsteht ein Speichenquerschnitt der zur Nabe hin nach
einer e-Funktion zunimmt.
-
Um diese Querschnittsvergrößerung der Speiche zu bewerkstelligen,
ist in einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung die Speiche im Querschnitt
als Doppel-T-Profil ausgebildet und die Deckflächen des Profils trapezförmig gestaltet,
wobei eine möglichst genaue Annäherung der Form an die Bedingung der konstanten
Spannung a erreicht wird.
-
Die Speichen sind durch die Schwungmasse sehr hohen Biegebelastungen
insbesondere durch von außen einwirkenden Schwingungen ausgesetzt. In günstiger
Weise bestehen die Speichen aus mehreren einzelnen Blechstreifen, die zu einer Doppel-T-Profilform
miteinander derart verbunden werden, daß durch Reibung der Bleche gegeneinander
eine wirksame Bedämpfung der Schwingungen erreicht wird.
-
Zur zusätzlichen Erhöhung der axialen- und der Kippsteifigkeit sind
weiterbildungsgemäB die Speichen gegenüber der Radial ebene geneigt, die Schwerpunktebene
der Schwungmasse bleibt jedoch durch eine versetzte Befestigung der Speichen an
der Nabe in der Lagermitte. Es hat es sich als vorteilhaft erwiesen die Schwungmasse
mit 6 symmetrisch am Umfang angeordneten Speichen befestigen, wobei ein günstiges
Verhältnis zwischen Speichenmasse und Stabilität erreicht wird.
-
Eine Ausführungsform eines magnetisch gelagerten Schwungrads ist in
der Zeichnung dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen Fig. 1 den Aufbau eines magnetisch gelagerten Schwungrads
in Schnittbilddarstellung, Fig. 2 die perspektivische Ansicht einer Speiche.
-
Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau eines magnetisch gelagerten Schwungrades
zeigt im wesentlichen drei Baugruppen; Magnetlager, Rotor und Antriebsmotor.
-
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 der Mitte geteilt und besteht
aus einer Hülse 6 und einem Achsbolzen 7 wobei beide Teile mit einer spielfreien
Passung oder einer leichten Preßpassung ineinander gefügt und gegeneinander verschraubt
werden. Auf jeder Teilachse ist eine symmetrische Lagerhälfte aufgeschrumpft. Die
Achse muß zur Demontierbarkeit des Rotors geteilt ausgeführt sein, weil die rotierende
Axiallagerscheibe 8 in den Stator greift. Die Statorachse 6, 7 trägt in der Mitte
das Axiallager 9, bestehend aus Spulen 10 und Rückschlußringen 11, wodruch eine
axial gerichtete Kraft auf die Axiallagerscheibe 8 ausgeübt werden kann. Weiterhin
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 aufgebaut, deren Blechschnitt
acht Pol schuhe enthält auf denen die Wicklungen 18, 19, 20, 21 und hier nicht dargestellt
weitere vier Wicklungen angeordnet sind. Die Ansteuerung der Magnetlagerwicklungen,
sowohl der Radial-, als auch des Axiallagers, erfolgt durch Regeleinrichtungen,
die die Sensorsignale in entsprechende Stellsignale umformen und dadurch den Rotor
in seiner Sollage halten. Zur Vermeidung eines Aufsitzens des
Rotors
auf die Magnetlagerteile des Stators, beispielsweise bei Stromausfall oder beim
Abschalten der Lagerung, sind an den Enden der Statorachse 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
Magnetlagerteilen des Rotors und des Stators. Somit können zu große Rotorbewegungen
keine Beschädigung der Magnetlagerteile hervorrufen. Das Magnetlager einschließlich
Notlager ist eine komplette Bau gruppe, kann also ohne Motor und Rotor getestet
bzw. ausoetauscht werden.
-
An der Rotorhülse 26 ist ein Motor 27 befestigt. Dieser ist ein eisenloser,
elektronisch kommutierter Gleichstromantrieb.
-
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 werden die Spulen aus einer Hochfrequenzlitze hergestellt. Auf beiden Seiten
der Wicklung 28 sind rotorseitig Permanentmacnete 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.
-
Am äußeren Rückschlußring 31 des Motors 27 befinden 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 Sensorwicklung.
Drei solcher Kommutierungssensoren sind am Umfang 120° versetzt angeordnet.
-
An der Rotorhülse 26 sind sechs Speichen 34 befestigt. Diese Speichen
besitzen ein Doppel-T-Profil, die nähere Darste-llung des Aufbaus ist weiter unten
beschrieben. An den äußeren Enden der Speichen ist die Schwungmasse 35 angeordnet:
Diese besteht aus einem massiven Ring und kann zur Variation des Dralls in verschiedenen
Größen oder mit unterschiedlichen Materialien hergestellt und in einfacher Weise
an die Speichen angeschraubt werden.
-
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 Verso gun gsl ei tun gen und die Verbindungsleitungen
des Magnetlagers zu der außerhalb des Gehäuses angeordneten Regeleinrichtung führen
mit dem Übergabestecker 41 nach außen.
-
Die einzelne Speiche besteht wie in Fig. 2 dargestellt aus 4 Blechstreifen
1-4, die Streifen 3, 4 sind U-förmig gebogen und gegeneinander angeordnet. Auf die
Ober- und Unterseite der so gebildeten Doppel-T-Form werden die Streifen 1, 2 befestigt.
Das Zusammenfügen der Streifen geschieht mittels Punktschweißung 5, denkbar sind
natürlich auch andere Verbindungsarten wie Nieten, Kleben, Laserstrahlschweißen
o.ä.
-
Die Schweißpunkte sind so festgelegt, daß eine möglichst hohe Steifigkeit
und eine gute Schwingungsdämpfung erreichbar ist.
-
Die Speiche ist an einem Ende mit der Breite II an dem Schwungring,
und am gegenüberliegenden Ende mit der Breite I an der Nabe befestigt. Durch die
Masse des Schwungrings wird bei Rotation eine bestimmte Fliehkraft erzeugt, die
von der Speiche an die Nabe weitergeleitet wird. Die durch die Speichenmasse verursachte
Fliehkraft die vor allem bei hohen Drehfrequenzen nicht vernachlässigbar ist, führt
zu einer erhöhten Belastung der Speiche im nabenseitigen Bereich. Um diese Belastung
bzw. Zugspannung nicht über eine bestimmte Spannungs grenze hinaus anwachsen zu
lassen, ist ein größerer Materialquerschnitt zur Nabe hin erforderlich. Eine über
die gesamt Länge 1 der Speiche konstante Spannung die eine gleichmäßige Belastung
und eine geringe Speichenmasse gewährleistet, wird durch einen Speichenquerschnitt
erreicht, der nach der Beziehung
ermittelt werden kann. Hierbei bedeutet x der variable Abstand zur Nabe, Ao der
Anfangsquerschnitt der Speiche an der Befestigungsstelle der Schwungmasse bei x
= 1, p die Dichte des Speichenwerkstoffes, # die Drehfrequenz, 1 die gesamte Speichenlänge
und a die zulässige Spannung.
-
Die Veränderung des Materialquerschnitts kann durch verschiedene Maßnahmen
erfolgen, beispielsweise durch eine Variation der Blechstreifen, der Höhe oder der
Breite des Doppel-T-Profils. Es hat sich gezeigt, daß die Variation der Breite des
Profils eine günstige Lösung darstellt. Eine Querschnittsveränderung durch unterschiedliche
Höhe erscheint in dem vorliegenden Fall nicht günstig, da eine konstante Höhe annähernd
konstantes Flächenträgheitsmoment bedeutet,
dieses ist vor allem
bei axialen Vibrationsbelastungen entscheidend, da die hierbei auftretenden Momente
an den Übergängen Schwungring/Speiche und Nabe/Speiche dann gleich groß sind.
-
Die angewendete Variation der Breite des Profils als ferti gungstechnisch
einfachste Lösung wurde dadurch noch weiter vereinfacht, daß eine trapezförmige
Ausbildung des Profils gefunden wurde, d.h. die Breite der Speiche nimmt linear
von der Breite I zu der Breite II ab, derart, daß eine größtmögliche Annäherung
an die errechnete Form bzw. den errechneten Querschnitt erreicht wird.