DE4018541A1 - Magnetlagerung fuer einen rotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetlagerung für einen Rotor aus magnetisierbarem Material, der in seiner Axialrichtung mittels eines ihn umgebenden, axial magnetisierten Permanentmagnetrin­ ges schwebend gehalten und in radialer Richtung mittels ring­ förmig um ihn herum angeordneter, elektromagnetischer Mittel stabilisiert ist, die mittels einer elektronischen Regelein­ richtung erregbar sind, die mit Sensoren verbunden ist, die radiale Abweichungen des Rotors erfassen.

Eine Magnetlagerung der eingangs genannten Art ist bekannt (Vortrag Karl Boden "Wide gap, electro-permanentmagnetic bearing system with radial transmission of radial and axial forces", anläßlich eines Symposiums vom 06. bis 08. Juni 1988 in Zürich). Bei der bekannten Magnetlagerung wird ein Rotor mit Hilfe eines axial magnetisierten Permanentmagnetringes in axia­ ler Richtung schwebend gehalten. Zusätzlich zu dieser passiven axialen Lagerung wird eine aktive, radiale Stabilisierung vor­ gesehen. Diese radiale Stabilisierung enthält elektromagneti­ sche Mittel in Form von paarweise einander gegenüberliegenden und verketteten Segmentspulen, die einen gemeinsamen ringförmi­ gen Kern aufweisen, der den Rotor umgibt. Die Segmentspulen, die radial gerichtete magnetische Felder erzeugen, sind über eine elektronische Regeleinrichtung erregbar, an die Sensoren angeschlossen sind, die radiale Positionsabweichungen des Ro­ tors erfassen. Die Signale dieser Sensoren werden ausgewertet, um die Segmentspulen so zu erregen, daß radiale Stabilisierungs­ kräfte erhalten werden. Die bekannte Magnetlagerung wird so verwendet, daß zwischen zwei derartigen Magnetlagerungen ein Stator eines Elektromotors angeordnet wird, der einen magnetge­ lagerten Rotor antreibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die bekannte Mag­ netlagerung ein neues Anwendungsgebiet zu erschließen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Rotor eine im we­ sentlichen zylindrische Hülse ist, die als ein von einem Faden mitschleppbarer Ballonbegrenzer ausgebildet ist und die zen­ trisch zu einer Spinn- oder Zwirnspindel angeordnet ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es mit einer Magnetlagerung der eingangs genannten Art nicht nur möglich ist, elektromotorisch angetriebene Rotoren zu lagern, sondern auch eine Hülse, obwohl diese Hülse durch Fadenschleppkräfte angetrieben wird, die nicht nur in Umfangsrichtung wirken, son­ dern auch eine radiale Kraftkomponente aufweisen. Die aktive Stabilisierung in radialer Richtung bringt ausreichend große Kräfte auf, um die Hülse mit der erforderlichen Genauigkeit zentriert zu halten. Die schwebend gehaltene Hülse läßt sich somit berührungsfrei lagern.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Hülse unabhängig von einer mit der Spindel mitrotieren­ den Scheibe gelagert ist. Dadurch ist es möglich, für eine Dop­ peldrahtspinn- oder -Zwirnspindel einen Ballonbegrenzer zu schaffen, der unabhängig von der Scheibe ist und unabhängig von der Scheibe rotiert, wobei er von der Reibungskraft des Fadens mitgenommen wird.

Mitrotierende Ballonbegrenzer sind bei Doppeldrahtzwirnspindeln bekannt (CH-PS 4 17 418, DE-PS 27 00 820), jedoch sind bei die­ sen Bauarten die Ballonbegrenzer fest an der rotierenden Schei­ be angebracht, so daß sie mit dieser Scheibe rotieren.

Bei langen Hülsen, wie sie für Doppeldrahtzwirnspindeln als Ballonbegrenzer benötigt werden, wird in zweckmäßiger Ausge­ staltung der Erfindung vorgesehen, daß die Hülse im Bereich ihrer beiden Stirnenden magnetisch gelagert ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vorgese­ hen, daß die als Ballonbegrenzer dienende Hülse oberhalb einer Ringspindel angeordnet ist.

Es ist bekannt, einen mitrotierenden Ballonbegrenzer bei Ring­ spindeln vorzusehen (FR-A 24 50 888), der aerostatisch gelagert ist. Eine derartige Lagerung hat sich jedoch in praktischen Maschinen nicht bewährt, was wohl in erster Linie an der in Spinnereien bestehenden Verflugungsgefahr liegt.

Bei einem derartigen Ballonbegrenzer, der nur eine geringe axi­ ale Erstreckung aufweist, genügt eine einzige Magnetlagerung, die dann zweckmäßigerweise im wesentlichen mittig zu der Hülse angeordnet wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsform.

Die Zeichnung zeigt einen axialen Schnitt durch eine Doppel­ drahtspinn- oder -Zwirnspindel.

Die dargestellte Doppeldrahtspindel besitzt einen Spindel­ schaft (1), dessen oberer Teil (2) mit einer Axialbohrung (3) versehen ist. Der untere Teil (4) ist mittels einer bekannten Lagerung in einem Lagergehäuse (5) gelagert. An dem unteren Teil (4) des vertikal stehenden Spindelschaftes (1) ist ein Antriebswirtel (6) angebracht, über den der Spindelschaft (1) mittels eines Tangentialriemens (7) antreibbar ist. Der Tangen­ tialriemen (7) läuft in Längsrichtung durch eine Maschine hin­ durch und treibt dabei alle Spindelschäfte (1) einer Maschinen­ seite an.

Zwischen dem oberen Teil (2) und dem unteren Teil (4) ist dreh­ fest an dem Spindelschaft (1) eine Speicherscheibe (8) angeord­ net. Die Speicherscheibe (8) besteht aus einem vorzugsweise nicht metallischen, den Durchtritt von magnetischen Feldlinien gestattenden Material. Die Speicherscheibe (8) weist eine Radi­ albohrung (9) auf, welche die Axialbohrung (3) des oberen Teils (2) des Spindelschaftes (1) fortsetzt. Mit der Speicherscheibe (8) ist ein Zwirnteller (10) fest verbunden, der eine schalen­ förmige Gestalt mit einem nach oben gewölbten Rand aufweist.

Auf dem oberen Teil (2) des Spindelschaftes (1) ist mittels Wälzlagern (11, 12) ein Lieferspulenträger (13) drehbar gela­ gert. Der eine im wesentlichen rohrförmige Gestalt besitzende Lieferspulenträger (13) nimmt eine Spulenhülse (14) einer Lie­ ferspule (15) auf. Zwischen dem Lieferspulenträger (13) und der Spulenhülse (14) sind Kupplungselemente in Form von elastischen Kunststoffringen (16, 17) angeordnet, um eine möglichst kraft­ schlüssige, drehfeste Verbindung zu erhalten. Der Lieferspulen­ träger (13) ist an seinem unteren, der Speicherscheibe (8) zu­ gewandten Ende mit einem Ringbund (18) versehen, an welchem eine Ringscheibe (19) aus magnetisierbarem Material, insbeson­ dere aus Stahl, befestigt ist. Die Ringscheibe (19) trägt auf ihrer der Speicherscheibe (8) zugewandten Seite gleichmäßig über den Umfang verteilte Permanentmagnete (20), die in Form eines Ringes (21) angeordnet sind. Die einzelnen Permanentmag­ nete (20) sind so angeordnet, daß ihre Polarität wechselt, d. h. daß einem Permanentmagneten (20) mit einem nach unten weisenden Nordpol ein Permanentmagnet (20) mit einem nach unten weisenden Südpol folgt.

Auf der in axialer Richtung gegenüberliegenden Seite der Spei­ cherscheibe (8) ist ein Ring (22) mit weiteren Permanentmagne­ ten (23) angeordnet, die von einem stationären Halter (24) ge­ halten sind. Die Permanentmagneten (23) besitzen ebenfalls eine abwechselnde Polarität, wobei sie so angeordnet sind, daß je­ weils ein Pol eines Permanentmagneten (20) einem gegensinnigen Pol eines Permanentmagneten (23) gegenüberliegt. Mittels der Permanentmagnetringe (21, 22) wird der Lieferspulenträger (13) mit der Lieferspule (15) trotz rotierendem Spindelschaft (1) stillstehend gehalten.

Im Betrieb wird von der Lieferspule (15) ein Faden (25) in Richtung des Pfeiles (A) abgezogen, der in die Axialbohrung (3) einläuft. Der Faden (25) verläßt dann den Spindelschaft (1) über die Radialbohrung (9) der Speicherscheibe (8) und wird an­ schließend in Pfeilrichtung (B) nach oben zurück zu einem Fa­ denführer (26) geführt, der zentrisch über dem Spindelschaft (1) angeordnet ist. Anschließend wird der Faden (25) auf eine nicht dargestellte Spule aufgewickelt. Der von dem Zwirnteller (10) umgelenkte Faden (25) bildet einen Ballon (27), dessen Durchmesser von einem Ballonbegrenzer (28) begrenzt wird. Der Ballonbegrenzer (28) ist zentrisch zum Spindelschaft (1) ange­ ordnet und erstreckt sich über die Höhe der Lieferspule (15) und bis zu dem Bereich des Zwirntellers (10).

Der Ballonbegrenzer (28) besteht aus einer zylindrischen Hülse aus ferromagnetischem Material, die mit einer Magnetlagerung unabhängig von dem Spindelschaft (1) und der Speicherscheibe (8) an einem nicht dargestellten Teil eines Maschinengestelles gelagert ist.

Die Magnetlagerung enthält zwei Magnetlager (31, 32), die im Bereich der Stirnenden (29 und 30) angeordnet sind. Jedes die­ ser Magnetlager (31, 32) enthält zunächst einen axial magneti­ sierten Permanentmagnetring (33), der einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweist. Die beiden Permanentmagnet­ ringe (33) halten den Ballonbegrenzer (28) in seiner axialen Richtung in der Schwebe. Die beiden Permanentmagnetringe (33), die vorzugsweise aus Bariumferrit bestehen, sind jeweils, auf der oberen oder unteren Stirnseite mit einer der Konzentration der magnetischen Feldlinien dienenden Stahlplatte (34) abge­ deckt. Jeder dieser Stahlplatten (34) enthält mehrere gleich­ förmig in Umfangsrichtung verteilte Sensoren (35), deren Anzahl zwischen drei und acht liegen kann. Diese Sensoren (35), die von den magnetischen Feldlinien geschnitten werden, bestehen aus einem Material, das seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Stärke der Feldlinien ändert. Da die Stärke der Feldlinien abhängig von der Größe des Ringspaltes zwischen den Sensoren (35) und dem Ballonbegrenzer (28) ist, geben diese Sensoren (35) Signale ab, die für den Ringspalt und insbesondere eine Änderung des Ringspaltes repräsentativ sind. Diese Signale wer­ den einer elektronischen Regeleinrichtung (38) zugeführt, die diese Signale für eine radiale Stabilisierung des Ballonbegren­ zers (28) auswertet.

Jede Magnetlagerung (31, 32) enthält einen ringförmigen Weich­ eisenkern (36), der den Ballonbegrenzer (28) zentrisch umgibt.

Über den Umfang des Kerns (36) sind Segmentspulen (37) angeord­ net, die diametral gegenüberliegend paarweise verkettet sind.

Vorzugsweise werden insgesamt vier derartige, paarweise verket­ tete Segmentspulen (37) vorgesehen, die symmetrisch angeordnet sind. Diese Segmentspulen (37) werden in von der elektronischen Regeleinrichtung (38) geregelter Weise erregt, um radiale Ab­ weichungen des Ballonbegrenzers (28) aus seiner radialen Be­ triebsposition auszugleichen und diesen damit zu stabilisieren.

Der Ballonbegrenzer (28) ist somit berührungsfrei gelagert. Er kann daher relativ einfach von dem laufenden Faden (25) in Um­ fangsrichtung aufgrund der auftretenden Reibungskräfte mitge­ nommen werden. Aufgrund des mitrotierenden Ballonbegrenzers (28) ergeben sich relativ geringe Relativgeschwindigkeiten zwi­ schen dem Faden (25) und dem Ballonbegrenzer (28), die im we­ sentlichen auf die Abzugsgeschwindigkeit des Fadens beschränkt sind. Dadurch wird erreicht, daß nur eine relativ geringe Er­ wärmung des Fadens (25) auftritt, so daß insbesondere das bei synthetischen Fäden gefürchtete "Verbrennen" vermieden wird.

In Abweichung von dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird bei einer anderen Ausführungsform vorgesehen, daß nur ein Permanentmagnetring (33) vorgesehen ist. Dieser wird dann zweckmäßigerweise auf beiden Stirnseiten mit Stahlplatten (34) und Sensoren (35) versehen, so daß dann die Kerne (36) mit den Segmentspulen (37) auch auf Kippbewegungen reagieren können.

Bei Ballonbegrenzern (28) , die nur eine relativ geringe axiale Erstreckung benötigen, wie dies beispielsweise bei Ringspindeln der Fall ist, genügt unter Umständen auch eine einzige Magnet­ lagerung (31 oder 32), um einen derartigen Ballonbegrenzer (28) sicher zentrisch zu halten.

Claims (5)

1. Magnetlagerung für einen Rotor aus magnetisierbarem Ma­ terial, der in seiner Axialrichtung mittels eines ihn umgeben­ den, axial magnetisierten Permanentmagnetringes schwebend ge­ halten und in radialer Richtung mittels ringförmig um ihn herum angeordneter elektromagnetischer Mittel stabilisiert ist, die mittels einer elektronischen Regeleinrichtung erregbar sind, die mit Sensoren verbunden ist, die radiale Abweichungen des Rotors erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine im wesentlichen zylindrische Hülse ist, die als ein von einem Fa­ den (25) mitschleppbarer Ballonbegrenzer (28) ausgebildet ist und die zentrisch zu einer Spinn- oder Zwirnspindel angeordnet ist.

2. Magnetlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Ballonbegrenzer (28) dienende Hülse unabhängig von einer mit dem Spindelschaft (1) mitrotierenden Scheibe (8) ge­ lagert ist.

3. Magnetlagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Ballonbegrenzer (28) dienende Hülse im Bereich ihrer beiden Stirnenden (29, 30) magnetisch gelagert ist.

4. Magnetlagerung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die als Ballonbegrenzer (28) dienende Hülse die Scheibe (8) bis wenigstens zu dem Bereich eines radialen Kanals (9) der Scheibe (8) übergreift.

5. Magnetlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Ballonbegrenzer dienende Hülse oberhalb einer Ring­ spindel angeordnet ist.