DE4401262A1 - Aerostatische und aerodynamische Lagerung eines Motors - Google Patents
Aerostatische und aerodynamische Lagerung eines MotorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine aerostatische und aerody
namische Lagerung eines Motors nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Derartige Lagerungen werden als reibungsarme Lager
verwendet.
Solche Lagerungen sind verbreitet für feinwerktech
nische Anwendungen, insbesondere bei elektronischen
Speicherantrieben und optischen Datenübertragungsge
räten. Diese verwenden i.a. eine zentral im Motor
liegende Welle mit Radiallagerung und mit einer Axial
lagerung, die ihrerseits ein einseitiges Luftlager
oder eine mechanische Spitze und jeweils magnetische
Vorspannung verwendet.
Die geforderten, maximal zulässigen Abweichungen von
Rundlauf und Planlauf der Lagerung im sub-µm-Bereich
sind zwar heute technisch herstellbar - jedoch mit
großem Aufwand und Montage-Risiko.
Besonders störend sind bekannte, nicht wiederholbare
Abweichungen, die nicht auf Fertigungstoleranzen beruhen,
sondern auf Strömungszufälligkeiten im Schmierfilm.
Sie wirken sich bei der gegebenen Nutzung (Disc) um
so schädlicher aus, desto kleiner der Lagerungsdurch
messer ist: Die im Rahmen des Spiels noch möglichen
Abweichungen, insbesondere Winkelabweichungen führen
zu größeren Werten auf Durchmesserzonen die über die
Lagerung hinausragen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
reibungsarmes Lager nach dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1 so weiterzubilden, daß die nicht wieder
holbaren Abweichungen des Lagers minimiert werden.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung
durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekenn
zeichnet.
Absolutes Lagerspiel und Betrag der nicht wiederholbaren
Lageunsicherheit sind vom Durchmesser der Lagerung
weitgehents unabhängig. Deshalb ist die erste Maßnahme
der vorliegenden Erfindung die Vergrößerung des Lage
rungsdurchmessers soweit, daß der Motor innerhalb der
ihn umgebenden Lagerung liegt. Im Vergleich zur kon
ventionellen Lagerung "innen" wirken sich Abweichungen
am Ort der Disc geringer aus, wie man rein geometrisch
sieht.
Beim hier vorgesehenen größeren Durchmesser ergibt
sich bei fester Drehzahl eine größere Relativge
schwindigkeit zwischen Rotor und Stator, was besonders
dem hydromatischen, dynamischen Pumpeffekt zuträglich
ist.
Die größere Lagerungsfläche gestattet eine höhere Vor
spannung und damit bessere Steife.
Bekannte Lagerungsausführungen zur Lösung dieser Auf
gabe sind die Kombination einer zylindrischen Lagerzone
mit einer hier magnetisch vorgespannten Planlaufzone.
Wegen ebenso bekannter Montage-Probleme lehnen wir diese
Lösung ab. Auch kegelförmige Lagerungsflächen sind
denkbar - doch auch sie sind problematisch: Ist der
Kegel zwecks Vermeidung der Selbsthemmung genügend
stumpf, z. B. 45°, dann ist die Zentrierung der Lagerung
beeinträchtigt.
Die zweite erfindungsgemäße Maßnahme ist daher die
Wahl eines Lagerungsquerschnittes, der die Vorteile
des Kegels, einfachste Montage, mit denen der Plan/
-Zylinder-Lagerung, optimale Definition Rund- und Plan
lauf, vereint.
Als weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsge
mäßen Maßnahmen ist anzuführen, daß bezogen auf ein
bestimmtes Volumen des Lagers die zur Verfügung
stehende Lagerfläche aufgrund der toroidförmigen
Ausbildung größer ist, als vergleichsweise die Lager
fläche, die einem Kegellager gleichen Volumens zur
Verfügung steht.
Mit der Ausbildung großer Lagerflächen besteht aber
der Vorteil, daß das das Lagergut trägt und daß die Last
vektoren in einer Ringebene liegen (eine Ringebene
bilden), wobei die Ringebene nahe der Nutzebene liegt, so
daß bei den erwarteten Belastungen eine Verkantung oder
Verkippung des Lagers praktisch ausgeschlossen ist.
Mit der Verwendung eines derartigen Toroidlagers be
steht der weitere Vorteil, daß nur zwei einfache, zu
einander kongruente Lagerteile (Rotor und Stator)
gefertigt werden müssen. Es entfällt also die Not
wendigkeit, ein mehrteiliges Lager montieren zu
müssen.
Die Tatsache, daß das Lager magnetisch vorgespannt
wird, bietet die Möglichkeit, daß während der Start-
und Stopphase des Motors, den Elektromagneten so
umzupolen, daß während der Start- und Stopphase der
Lagerspalt des Lagers vergrößert wird. Das gewähr
leistet eine Verbesserung des Anlaufverhaltens.
Der damit verbundene Vorteil liegt im wesentlich ver
minderten Verschleiß und in der wesentlich geringeren
Motorleistung in der Anlaufphase.
Folglich kann man mit einem entsprechend kleiner
dimensionierten Motor und einer entsprechend auch
kleiner dimensionierten Ansteuerschaltung arbeiten,
ohne daß die Notwendigkeit besteht, mit hohen Strömen
den Anlauf zu erzwingen.
Bei der Fertigung eines derartigen Toroidlagers be
steht im übrigen der Vorteil, daß nur lediglich eine
einzige Aufspannfläche erforderlich ist, was eine
sehr vereinfachte Fertigung gewährleistet.
Zur Herstellung der Lager können daher auch Stanz-
und Prägeteile verwendet werden, ohne daß es einer
aufwendigen Drehbearbeitung des neuartigen Lagers
bedarf.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt
sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentan
sprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen
Patentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen,
einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben
und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dar
gestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungs
wesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in
Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen
Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung
weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der
Erfindung hervor.
Es zeigen:
Fig. 1 Schematisiert eine perspektivische Seitenansicht
des Rotors eines Lagers;
Fig. 2 Ein Schnitt durch ein Lager nach der Erfin
dung.
Fig. 1 zeigt den toroidförmigen Querschnitt der für
diese Anwendung vorgeschlagenen Lagerung. Die Flächen
normalen (=Richtung der wirksamen Lagerkraft) schneiden
sich in einem Kreisring außerhalb des für den Motor
vorgesehenen Volumens.
Die Lagerungsteile können in einer Aufspannung gefertigt
werden und sie sind äußerst montageunkritsch. Dadurch
ist auch keine Überbestimmung gegeben.
Diese Lagerung kann sowohl statisch wie auch dynamisch
betrieben werden.
In Radialrichtung zentriert sich die Lagerung, in
Axialrichtung benötigt sie eine Vorspannung.
Die Vergrößerung des Durchmessers der Lagerung bringt
bezüglich der Start-/Stopphase einen gravierenden Nachteil,
wenn diese nur aerodynamisch betrieben werden soll:
Das Losbrechmoment müßte ausreichend groß sein - jeden
falls deutlich größer als bei Lagerung innerhalb des
Motors.
Eine dritte erfindungsgemäße Maßnahme bezieht sich
daher auf die Art der axial wirksamen Vorspannung.
Sie soll nämlich mindestens während der Startphase
aufgehoben werden, wozu sich eine elektromagnetische
Lösung anbietet. Diese kann im jetzt frei gewordenem
inneren Volumen des Motors angebracht werden. Teil
dieser dritten Maßnahme ist eine zusätzliche Entlastung
des Rotors durch eine im Schwerpunkt des Rotors an
greifende mechanische Stützlagerung durch eine kleine
Kugel, die während des Betriebs der Einheit soweit
retraktiert ist (elektromagnetisch), daß ausschließ
lich die aerodynamische Lagerung wirksam ist.
Fig. 1 erläutert schematisch den Zusammenhang. Ge
zeichnet ist hier das rotierende Lagerteil (Rotor 1),
dessen Lagerquerschnitt in Form einer toroidischen
Kurve 2 gegeben ist. Auf der toroidischen Lagerfläche
sind die bekannten aerodynamischen Profile angebracht,
die bei Drehung dieses Rotors den bekannten Pumpeffekt
bewirken.
Fig. 2 zeigt, wie der Rotor 1 in einer stationären
Lagerschale 4 aufgenommen ist.
Bezugszeichenliste
1 Rotor
2 toroidische Kurve
3 Stirnrand
4 Stator
5 Lauffläche
6 Drehzentrum
2 toroidische Kurve
3 Stirnrand
4 Stator
5 Lauffläche
6 Drehzentrum
Claims (6)
1. Hochpräzise, axiale und radiale aerostatische und
aerodynamische Lagerung eines Motors, dadurch
gekennzeichnet, daß sowohl der Rotor
(1) wie auch der Stator (4) in ihren Laufflächen (5)
jeweils toroidförmig ausgebildet sind.
2. Lagerung gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rotor (2) Lauf
flächenpaarungen besitzt, die gegeneinander wirken.
3. Lagerung gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rotor durch Mittel
in einer axial stabil vorgespannten Lage gehalten wird.
4. Lagerung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorspannung durch
magnetische Kräfte aufgebracht wird.
5. Lagerung nach den Ansprüchen 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
während der Start-/Stopphase die axiale Vorspannung
durch einen elektromagnetisch getätigten Abhebestift
gelockert und dadurch ein Sanftanlauf ermöglicht wird.
6. Lagerung nach den Ansprüchen 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
magnetische Vorspannung elektromagnetisch erzeugt wird
und die Polung derselben in der Start-/Stopphase um
gekehrt und der Rotor gegen eine zentrale Auflauf
lagerung (z. B. Uhrenstein) gedrückt wird.
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Inventor name: LANGENBECK, PETER, DR.-ING., 88699 FRICKINGEN, DE |
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