DE4103369A1 - Magnetlagerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetlagerung für einen ferromag­ netischen Rotor, der in seiner Axialrichtung mittels eines ihn umgebenden, axial magnetisierten Permanentmagnetringes schwe­ bend gehalten 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.

Eine Magnetlagerung der eingangs genannten Art ist bekannt (Vortrag Karl Boden "Wide gap, electro-permanentmagnetic bea­ ring system with radial transmission of radial and axial for­ ces", 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 der passiven axi­ alen Lagerung wird eine aktive, radiale Stabilisierung vorgese­ hen. Diese radiale Stabilisierung enthält elektromagnetische Mittel in Form von paarweise einander gegenüberliegenden und verketteten Segmentspulen, die einen gemeinsamen ringförmigen Kern aufweisen, der den Rotor umgibt. Die Segmentspulen, die radial gerichtete magnetische Felder erzeugen, sind über eine elektronische Regeleinrichtung erregbar, an die Sensoren ange­ schlossen sind, die radiale Abweichungen des Rotors erfassen, deren Signale ausgewertet werden, um radiale Stabilisierungs­ kräfte zu erzeugen. Die bekannte Magnetlagerung wird so verwen­ det, daß dem zwischen zwei derartigen Magnetlagerungen gelager­ ten Rotor ein Stator eines Elektromotors zugeordnet wird, der den 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 als ein von einem Faden in Drehrichtung mitschleppbarer Spinn- oder Zwirn­ ring ausgebildet ist, der zusammen mit dem Permanentmagnetring und den elektromagnetischen Mitteln konzentrisch zu einer Spin­ del angeordnet ist und der eine Umlenkführung für den im we­ sentlichen in axialer Richtung der Spindel zuzuführenden und auf eine auf der Spindel angeordnete Spule aufzuwickelnden Fa­ den bildet.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich eine Mag­ netlagerung der eingangs genannten Art für einen Spinn- oder Zwirnring eignet, obwohl dabei in radialer Richtung wirksame Fadenzugkräfte auftreten, die darüber hinaus sich auch noch pe­ riodisch ändern. Die Erfindung nutzt dabei aus, daß durch die aktive Stabilisierung diese Zugkräfte derart ausgeglichen wer­ den können, daß sich eine Stabilisierung in radialer Richtung mit einer ausreichenden Genauigkeit erhalten läßt. Überraschend hat sich gezeigt, daß sich auf diese Weise ein schwebend gehal­ tener, von dem Faden mitgeschleppter Spinn- oder Zwirnring ver­ wirklichen läßt, der berührungsfrei gehalten ist.

Der Gedanke, einen freischwebenden Spinn- oder Zwirnring vorzu­ sehen, ist bereits sehr alt. Es ist jedoch niemals gelungen, eine praktikable Lösung zu schaffen.

Es ist bereits bekannt gewesen (FR-Patent 10 24 775), einen Spinn- oder Zwirnring allein aufgrund der umlaufenden Faden­ kräfte freischwebend zu halten. Um dabei bei Umkehr der Bewe­ gungsrichtung der Ringbank ein Anlaufen und ein damit verbun­ denes Bremsen des Spinn- oder Zwirnrings zu vermeiden, wird bei der bekannten Bauart vorgesehen, daß in der Ringbank Elektro­ magnete angeordnet werden, die bei der Umkehr der Bewegungs­ richtung der Ringbank eingeschaltet werden und auf diese Weise ein Anlaufen verhindern sollten. Eine praktische Verwirklichung ist jedoch nicht bekannt geworden.

Es war auch bekannt (DE-Patent 12 90 461), einen Spinnring aus ferromagnetischem Material vorzusehen, welcher von einem Per­ manentmagnetring umgeben ist. Zwischen diesem Permanentmagnet­ ring und dem Spinnring ist ein Abstandsring aus nicht magneti­ sierbarem Material vorgesehen, der den Permanentmagnetring trägt. Eine radiale Stabilisierung des Spinnrings erfolgte nicht, so daß der rotierende Spinnring den Abstandsring immer wieder kurzzeitig berühren konnte. Eine praktische Verwirkli­ chung ist nicht bekannt geworden.

Es war auch bekannt (DE-Auslegeschrift 12 51 192), auch den Spinnring als Permanentmagneten auszubilden, der innerhalb ei­ nes Permanentmagnetringes angeordnet ist. Die beiden Ringe sol­ len so magnetisiert sein, daß sie entweder in radialer oder in axialer Richtung entgegengesetzte Polarität aufweisen. Auch mit einer derartigen Lagerung ergibt sich keine stabile Gleichge­ wichtslage für den Spinnring, so daß auch diese Bauart für die Praxis nicht brauchbar war.

Es war auch bekannt (DE-Auslegeschrift 11 61 504, DE-Patent 23 41 609), zusätzlich zu dem äußeren Permanentmagnetring und dem als Permanentmagnetring ausgebildeten Spinnring Druckluftdüsen anzuordnen, welche eine Stabilisierung des Spinnringes durch­ führen sollten. Auch diese Lösung ist in der Praxis nicht ver­ wirklicht worden.

Aufgrund der vorstehend aufgezeigten Fehlschläge ist der Gedan­ ke an einen schwebend gelagerten Spinn- oder Zwirnring schon vor längerer Zeit von der Fachwelt aufgegeben worden.

Mit der Erfindung ist es jetzt erstmals überraschend gelungen, eine schwebende Lagerung für Spinn- oder Zwirnringe zu schaf­ fen, bei denen der Spinn- oder Zwirnring insbesondere auch in radialer Richtung so stabilisiert ist, daß ein Anlaufen gegen ihn umgebende Teile und damit ein Abbremsen sicher ausgeschlos­ sen werden. Dadurch ist es möglich, auf die beim Ringspinnen oder Ringzwirnen üblicherweise verwendeten Läufer zu verzich­ ten, die einerseits Verschleißteile darstellen und die anderer­ seits das Leistungsvermögen beim Ringspinnen und Ringzwirnen begrenzen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß der Spinn- oder Zwirnring eine zylindrische Hülse ist, deren axiale Länge in etwa der Hälfte ihres Durchmessers ent­ spricht. Dadurch wird es möglich, einen Spinn- oder Zwirnring zu schaffen, der ausreichend bemessen ist, um einerseits die passive axiale Abstützung und andererseits die radiale Stabili­ sierung an in axialer Richtung aufeinanderfolgenden Bereichen durchzuführen. Bei praktischen Versuchen ist ein Spinn- oder Zwirnring verwendet worden, der bei einem Durchmesser von 45 mm eine Höhe von 35 mm aufweist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen darge­ stellten Ausführungsbeispiele.

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Magnetlagerung eines Spinn- oder Zwirnrings, der mit seinem unteren Stirnende eine Umlenkung für den zu­ laufenden und aufzuwickelnden Faden bildet, und

Fig. 2 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Magnetla­ gerung für einen Spinn- oder Zwirnring, der eine Öse für den zulaufenden und aufzuwickelnden Faden auf­ weist.

In Fig. 1 ist von einer angetriebenen, vertikal ausgerichteten Ringspinn- oder Ringzwirnspindel nur ein Ausschnitt einer Spule (1) dargestellt, auf die ein in Pfeilrichtung (A) im wesentli­ chen koaxial zur Ringspinn- oder Ringzwirnspindel zulaufender Faden (2) in Form von Windungen (3) aufgewickelt wird, vorzugs­ weise in Form einer Kopswicklung. Der Faden (2) läuft um das untere Stirnende (20) eines Spinn- oder Zwirnringes (4), der von dem auf die Spule (1) auflaufenden Faden (2) mitgeschleppt und somit zu Drehungen angetrieben wird. Um eine über die Höhe der Spule (1) in vorbestimmter Weise aufgebaute Wicklung (3) zu erhalten, vorzugsweise eine Kopswicklung, führt entweder die Spindel entsprechende Auf- und Abbewegungen in Richtung der Pfeile (B und C) aus, oder aber der Spinn- oder Zwirnring (4), der mit einer noch zu beschreibenden Magnetlagerung in einer entsprechend in Richtung der Pfeile (B und C) höhenbeweglichen Ringbank gehalten ist.

Der Spinn- oder Zwirnring (4) ist als eine zylindrische Hülse aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise Baustahl, hergestellt. Sein Innendurchmesser ist etwas größer als der maximale Durchmesser der zu wickelnden Spule (1). Seine axiale Höhe entspricht wenigstens seinem halben Durchmesser.

Der Spinn- oder Zwirnring (4) wird mittels einer Magnetlagerung frei schwebend gelagert. Diese Magnetlagerung enthält einen axial magnetisierten Permanentmagnetring (6), dessen mit ge­ strichelten Linien angedeutetes Magnetfeld (7) den ferromagne­ tischen Spinn- oder Zwirnring (4) in einer vorgegebenen axialen Position in einem Gleichgewicht hält. Das obere Ende des in nicht näher dargestellter Weise in einer Ringbank gehaltenen Permanentmagnetrings (6) ist mit einem Stahlring (8) abgedeckt, dessen Oberseite mit einer umlaufenden Ringnut (10) versehen ist. In dieser Ringnut (10) sind gleichmäßig über den Umfang verteilte Sensoren (11) angeordnet. Diese Sensoren (11), die von den Feldlinien des Magnetfeldes (7) geschnitten werden, be­ stehen aus einem Material, das seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit der Feldstärke des Magnetfeldes (7) ändert. Diese Magnetfeldstärke ändert sich, wenn der Spinn- oder Zwirn­ ring (4) seine radiale Mitte verläßt, so daß dann die Sensoren (11) ein von der geänderten Magnetfeldstärke abhängiges elek­ trisches Signal abgeben.

Dieses elektrische Signal wird über eine nur angedeutete Lei­ tung (12) zu einer elektronischen Regeleinrichtung (13) zuge­ führt, die diese elektrischen Signale, die einer Auslenkung des Spinn- oder Zwirnrings (4) zur radialen Mitte entsprechen, in der elektronischen Regeleinrichtung (13) verstärkt und aus­ wertet. Die elektronische Regeleinrichtung (13) gibt dann Regelsignale an eine elektromagnetische Stabilisierungseinrich­ tung (14) ab, die im wesentlichen in radialer Richtung wirkende elektromagnetische Stabilisierungskräfte auf den Spinn- oder Zwirnring (4) ausübt und ihn damit in seiner zentrischen Posi­ tion hält. Die Stabilisierungseinrichtung (14) enthält einen ringförmigen Spulenkern (15), der beispielsweise als ein Blech­ paket ausgebildet ist. Um diesen Spulenkern (15) sind wenig­ stens vier paarweise verkettete und einander gegenüberliegende Segmentspulen (17) angeordnet, die jeweils radial gerichtete magnetische Felder erzeugen, wie dies mit der gestrichelten Linie (18) angedeutet ist. Auf diese Weise wird der Spinn- oder Zwirnring (4) unter Belassen eines relativ großen Luftspaltes (5) zentrisch zu dem Permanentmagnetring (6) ausgerichtet und dort auch gegen die in auslenkenden Fadenzugkräfte aktiv stabi­ lisiert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird der über einen zen­ trisch zur Spindel angeordneten Führungsring (26) zugeführte Faden (2) um das untere Stirnende (20) des Spinn- oder Zwirn­ rings (4) herumgeführt. Der Spinn- oder Zwirnring (4) erstreckt sich etwa über die Höhe der Magnetlagerung, so daß er mit sei­ nem oberen Stirnende (22) etwa in der Höhe der Stahlplatte (8) des Permanentmagnetrings (6) und mit seinem unteren Stirnende (20) etwa im unteren Endbereich der Stabilisierungseinrichtung (14) liegt. Der um das untere Stirnende (20) herumgelenkte Fa­ den (2) übt somit seine Auslenkkräfte auf den Spinn- oder Zwirnring (4) in dem Bereich aus, in welchem auch die radialen Stabilisierungskräfte wirksam sind.

Der Faden (2) bildet in dem Spalt (5) zwischen dem Spinn- oder Zwirnring (4) und dem Permanentmagnetring (6) einen Fadenballon (19). Dieser Fadenballon (19) wird mittels eines Ballonein­ engungsrings (21) eingeengt, der in Abstand oberhalb des Stirn­ endes (22) des Spinn- oder Zwirnrings (4) konzentrisch zur Spindel angeordnet ist. Der Balloneinengungsring (21) ist mit einem Halter (23) in nicht näher dargestellter Weise an einer Ringbank befestigt.

Unterhalb des Spinn- oder Zwirnrings (4) ist in axialem Abstand ein Sicherungsring (27) angeordnet, der ebenfalls konzentrisch zur Spindel ausgerichtet ist und der ebenfalls in nicht näher dargestellter Weise an der Ringbank mittels eines Halters (28) gehalten ist. Der Balloneinengungsring (21) und der Sicherungs­ ring (27) sind aus einem nicht magnetisierbaren Material herge­ stellt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 schleppt der Faden (2) den Spinn- oder Zwirnring (4) nur aufgrund der auftretenden Rei­ bungskräfte mit. Um eine formschlüssige Mitnahme zu erzielen, wird bei einer abgewandelten Ausführungsform vorgesehen, daß im Bereich des unteren Stirnendes (20) des Spinn- oder Zwirnrings (4) ösenartige Aussparungen vorgesehen sind, in die der Faden (2) über einen Einfädelschlitz eingeführt wird. Bei einer wei­ teren Abwandlung wird vorgesehen, daß die axiale Länge des Spinn- oder Zwirnrings (4) wesentlich größer gehalten wird, d. h. sich auch über eine größere axiale Länge der Spule (1) er­ streckt. In diesem Fall wird dann vorgesehen, daß der Spinn- oder Zwirnring (4) dann über zwei in axialem Abstand angeordne­ te Magnetlager entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rung schwebend gehalten wird. Er wird dann im Bereich beider Lager mit einer aktiven radialen Stabilisierung versehen. Bei einer weiteren Abwandlung wird vorgesehen, daß der Faden (2) innen in dem Spinn- oder Zwirnring (4) geführt ist, so daß die­ ser gleichzeitig als ein Ballonbegrenzer dient. In diesem Fall wird dann zweckmäßigerweise im Bereich des unteren Stirnendes (20) ein ösenartiger Fadenführer vorgesehen. Dieser ösenartige Fadenführer kann ein nach innen ragendes Bauteil sein. Es kann aber auch vorgesehen werden, daß der Spinn- oder Zwirnring (4) mit wenigstens einer ösenartigen Aussparung versehen wird, durch die der Faden (2) zunächst nach außen und dann um das untere Stirnende (20) zurück nach innen zur Spule (1) geführt wird.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht in ihrem Grundaufbau der Ausführungsform nach Fig. 1. Der Spinn- oder Zwirnring (4) ist bei dieser Ausführungsform im Bereich seines oberen Stirn­ endes (22) mit einer Öse (25) versehen, durch die hindurch der Faden (2) von der äußeren Mantelfläche (24) nach innen zur Spu­ le (1) geführt wird.

Claims (11)

1. Magnetlagerung für einen ferromagnetischen Rotor, der in seiner Axialrichtung mittels eines ihn umgebenden, axial magnetisierten Permanentmagnetringes schwebend gehalten 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 als ein von einem Faden (2) in Drehrichtung mitschleppbarer Spinn- oder Zwirnring (4) ausgebildet ist, der zusammen mit dem Permanentmagnetring (6) und den elektromagnetischen Mitteln (14) konzentrisch zu einer Spindel angeordnet ist und der eine Umlenkführung für den im wesentlichen in axialer Richtung der Spindel zuzuführenden und auf eine auf der Spindel angeordnete Spule (1) aufzuwickelnden Faden (2) bildet.

2. Magnetlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spinn- oder Zwirnring (4) eine zylindrische Hülse ist, deren axiale Länge wenigstens der Hälfte ihres Durchmessers entspricht.

3. Magnetlagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das untere Stirnende (20) der Hülse als Umlenk­ führung für den Faden (2) dient, und daß zwischen dem Perma­ nentmagnetring (6) und dem Spinn- oder Zwirnring (4) ein Spalt (5) zum Hindurchführen des zulaufenden Fadens (2) vorgesehen ist.

4. Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spinn- oder Zwirnring (4) mit ei­ nem Mitnehmer (25) für den Faden (2) versehen ist.

5. Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spinn- oder Zwirnring (4) mit we­ nigstens einer von seiner Außenseite (24) nach innen führenden Öffnung (25) versehen ist.

6. Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sensoren (11) im Bereich eines Stirnendes (22) des Spinn- oder Zwirnringes (4) und die elek­ tromagnetischen Mittel (14) im Bereich des anderen Stirnendes angeordnet sind.

7. Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung gleichmäßig ver­ teilt zwischen drei und acht Sensoren (11) angeordnet sind.

8. Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Mittel (14) wenigstens vier Segmentspulen (17) enthalten, die auf einem ringförmigen Kern (15) angeordnet sind und die jeweils paar­ weise einander gegenüberliegen und miteinander verkettet sind.

9. Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß in Fadenzulaufrichtung (A) dem Spinn- oder Zwirnring (4) ein Balloneinengungsring (21) vorgeschaltet ist.

10. Magnetlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß unterhalb des Spinn- oder Zwirnrings (4) ein Sicherungsring (27) angeordnet ist.

11. Magnetlagerung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Balloneinengungsring (21) und/oder der Siche­ rungsring (27) aus nicht magnetisierbarem Material hergestellt sind.