DE60124104T2

DE60124104T2 - Magnetlager

Info

Publication number: DE60124104T2
Application number: DE60124104T
Authority: DE
Inventors: Seamus Dominic Garvey
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: JP5113313B2; US7485994B2; EP1301724B1; EP1301724A1; DE60124104D1; AU7079601A; AU2001270796B2; WO2002006689A1; US20080100162A1; US7301252B2; US20040021381A1; JP2004504554A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Magnetlager, sowohl passive auch als aktive Magnetlager, und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf raumsparende Magnetlager mit hoher Steifigkeit und einer hohen Belastbarkeit.
Hintergrund der Erfindung
Magnetlager: Zweckbestimmungen und Eigenschaften
Die Zweckbestimmung eines Magnetlagers besteht darin, eine Kraft zwischen zwei Haupt-Lagerteilen bereitzustellen, und zwar ohne auftreten eines Kontakts. Diese Kraft wird nachfolgend als die Lagerkraft bezeichnet. Übereinstimmend mit der normalen Definition eines jeden Lagers ermöglicht ein Magnetlager die freie Bewegung in einer oder mehreren Richtungen, während in wenigstens einer anderen Richtung die Brauchbarkeit zur Ausübung von Lagerkräften bereitgestellt wird. Die meisten Magnetlager werden in elektrischen Maschinen eingesetzt, um den Rotor und den Stator voneinander zu trennen. Magnetlager weisen die folgenden Vorteile auf: eine sehr niedrige Energieverlustrate (bei einer gegebenen geeigneten Gestaltung), kein Kontakt zwischen Teilen, einhergehend mit einer möglicherweise sehr langen Lebensdauer, und Fähigkeit, vergleichsweise hohen Temperaturen standzuhalten.
Magnetlager können aktiv oder passiv sein. Aktive Magnetlager erkennen die relative Position der beiden Haupt-Lagerteile. Sie stellen dann die elektrischen Ströme in Spulen derart ein, dass die Nutz-Kraft zwischen den beiden Haupt-Lagerteilen, die geeignete Stärke und Richtung aufweist. Passive Magnetlager beziehen in der Regel Magnetfelder von Permanentmagneten ein, sie können jedoch alternativ unter Verwendung von Leiter-Spulen aufgebaut sein, um die magnetomotorische Kraft (abgekürzt: MMF) bereitzustellen. Jedoch sind die in diesen Spulen fließenden elektrischen Ströme keine feste Funktion der relativen Position der beiden Lagerteile. Passive Magnetlager arbeiten oft auf der Basis der Abstoßung gleicher Pole.
Einfach betrachtet können aktive Magnetlager beliebig starr in dem Sinne sein, dass die kleinste Quantität einer relativen Bewegung zwischen den beiden Hauptlagerteilen vorgenommen werden kann, um eine endliche Kraftstärke zu verursachen. Hierbei bestehen offensichtlich Beschränkungen in Verbindung mit der Fähigkeit, die extrem kleinen Bewegungen zu erfassen und dem Bedarf nach der Stabilität des geschlossenen Schleifen-Steuersystems. Jedoch es ist allgemein bekannt, dass aktive Lager im allgemeinen um Größenordnungen steifer sind als ihre passiven Äquivalente. Die Steifigkeit eines Lagers ist sehr wichtig für akzeptable dynamische Eigenschaften, und dafür, dass die relative Position der beiden Haupt-Lagerteile unempfindlich ist gegenüber der äußerlich aufgebrachten Belastung, die zwischen ihnen vorhanden ist.
Eine andere sehr wichtige Eigenschaft eines jeden Lagers ist die Zuverlässigkeit. Aktive Magnetlager sind komplizierte Systeme, welche eine Erfassung, eine Steuerung, und Leistungsströme mit einbeziehen. So gibt es neben dem direkten mechanischen Bruch sehr viele Ausfallarten. Im Unterschied hierzu neigen passive Lager dazu, extrem stabil und zuverlässig zu sein, mit nur sehr wenigen anderen Ausfallarten als dem mechanischen Bruch.
Eine Schlüsseleigenschaft eines jeden Magnetlagers ist die Größe. Eine zweite, damit zusammenhängende und gleichermaßen wichtige Eigenschaft ist das Gesamtgewicht. Es ist allgemein bekannt, dass für eine gegebene Kraft-Belastbarkeit ein radiales Magnetlager vielfach größer ist als sein Wälzkörper-Gegenstück.
Elementare Lagerbereiche und die Zentral-Fläche.
Es seien Lager in Erwägung gezogen, die zwei Haupt-Lagerteile aufweisen zwischen denen eine gewisse freie relative Bewegung bereitgestellt wird. In vielen Fällen ist wenigstens eine der freien relativen Bewegungen eine Drehung. Die Drehung irgendeines physikalischen Körpers mit einem Maßstab über dem atomaren Maßstab umfasst die Translation der Partikel an der Fläche des Körpers. Um ein Lager bereitzustellen, das Kräfte bereitstellen kann, um relativen Bewegungen der beiden Haupt-Lagerteile in einigen Richtungen standzuhalten, und um dennoch eine freie Drehung um eine gewisse Achse zu ermöglichen, ist es sowohl notwendig als auch hinreichend Bereiche innerhalb des Lagers bereitzustellen, wo die Translation entlang wenigstens einer Achse gegenläufig ist und entlang wenigstens einer anderen Achse frei ist. Derartige Bereiche werden als elementare Lagerbereiche bezeichnet.
Das herkömmliche Kugellager ist für eine Veranschaulichung geeignet. Dieses Lager enthält eine endliche Anzahl von elementaren Lagerbereichen – einen pro Kugel –, wobei eine relative Translation des inneren Laufrings und des äußeren Laufrings entlang einer Richtung „schwer widerstehend" ausgebildet ist, und wobei die Translation der inneren Kugel und der äußeren Kugel in den anderen beiden Richtungen frei ist. Die „schwere" Richtung für jede einzelne Kugel befindet sich bei einem gegebenen Moment entlang des (Kugel)-Durchmessers zwischen Kontakten. Dieses einfache Begriffsmodell vernachlässigt offensichtlich Reibung und viskose Scherkräfte an den Kontakten. 1 veranschaulicht den elementaren Lagerbereich eines Kugellagers.
Die Zusammen-Wirkung all dieser elementaren Lagerbereiche in dem Fall eines Kugellagers führt zu einem Lager, das eine freie Drehung um eine Achse bereitstellt, jedoch allen Nutz-Translationen zwischen den beiden Haupt-Lagerteilen und (für ein Kontakt-Schrägkugellager) den Drehungen um die beiden anderen orthogonalen Drehachsen entgegenwirkt.
Eine ähnliche Betrachtung kann für ein zylindrisches Rollenlager vorgenommen werden. Jede Rolle kann einen sehr steifen Widerstand gegenüber relativen Translationen des inneren und des äußeren Laufrings in einer Richtung erzeugen. Es wird eine sehr freie Bewegung in der Roll-Richtung ermöglichen. Es stellt etwas Widerstand gegenüber einer relativen Bewegung des inneren und äußeren Laufrings in der Axial-Richtung bereit, obwohl dieser Widerstand üblicherweise nicht verwendet wird. Für zylindrische Rollenlager können wir annehmen, dass dort ein elementarer Lagerbereich für jede einzelne Rolle vorhanden ist. Für Rollenlager, die konische Rollen aufweisen, wird jede Rolle derart betrachtet, dass sie eine große Anzahl von scheibenähnlichen Teilen aufweist, und wobei die elementaren Lagerbereiche offen liegen. 2 veranschaulicht einen elementaren Lagerbereich von einem konischen Rollenlager.
Es ist geradlinig, diese Betrachtung auf alle Lager auszudehnen, die eine Drehung von hydrostatischen und hydrodynamischen Lagern aufnehmen. Im dem Fall von hydrostatischen Lagern können die elementaren Lagerbereiche als die individuellen Stellen betrachtet werden, wo unter Druck gesetztes Fluid dem Zwischenraum zwischen den beiden Hauptlagerteilen zugeführt wird. 3 kennzeichnet einen elementaren Lagerbereich von einem hydrostatischen Lager, das überlagert eine Druckverteilung über einer derartigen Stelle zeigt. In dem Falle von hydrodynamischen Lagern kann die Schmiermittel-Zwischenschicht zwischen den beiden Haupt-Lagerteilen in Stücken zerlegt sein, wobei jedes etwas Kraft ausübt, um einen Abstand zwischen den beiden Haupt-Lagerteilen aufrechtzuerhalten. 4 veranschaulicht ein derartiges Stück, und die Richtung der relativen Bewegung zwischen den Lagerteilen.
Folgt man der obigen Logik können alle Lager in Gruppen von elementaren Lagerbereichen zerlegt sein, die wenigstens eine Richtung von vergleichsweise freier relativen Translation aufweisen und wenigstens eine Richtung aufweisen, in der die Translation einem starken Widerstand ausgesetzt ist (sein kann).
In jedem der obigen Beispiele von Lagern umfassen die elementaren Lagerbereiche einen Abschnitt der Fläche eines jeden der beiden Haupt-Lagerteile. Zwischen diesen beiden Flächen befindet sich eine zentrale Fläche. Dies ist irgendeine glatte Fläche, derart, dass die Wirkung des Lagerbereichs in der Bereitstellung einer Richtung einer freien Translation als gleichwertig zu dem gleiten von einer Seite dieser zentralen Fläche relativ zu anderen betrachtet werden kann. Die Begriff zentrale Fläche wird durchweg regelmäßig in dem verbleibenden Rest dieses Dokuments verwendet.
In den meisten Fällen werden die elementaren Lagerbereiche nur (oder überwiegend) verwendet, um eine freie Translation in einer Richtung bereitzustellen. Diese Richtung befindet sich in der Ebene der zentralen Fläche. Folglich ist es möglich, eine Achsen-Gruppe von Haupt-Richtungen für einen elementaren Lagerbereich gemäß 5 einzuführen, mit den folgenden drei Achsen:

(1) Die Achse der (überwiegend) freien relativen Translation. Aus offensichtlich praktischen Gründen ist die freie relative Translation ähnlich zu einer diskreten reinen Scher-Arbeit an der zentralen Fläche. Diese Richtung ist in 5 willkürlich mit x gekennzeichnet.
(2) Die Achse rechtwinklig zu der zentralen Fläche. Diese Richtung ist in 5 willkürlich mit z gekennzeichnet.
(3) Die verbleibende rechtwinklige Achse ist in 5 als y-Richtung gekennzeichnet.

In all den obigen Fällen ist die Kraft, die zwischen den beiden Flächen der beiden Haupt-Lagerteile wirkt, überwiegend entlang der Rechtwinkeligen zu der zentralen Fläche gerichtet, d.h. entlang der z-Richtung der 5.
Kein praktisches Lager mit Maßstäben über atomaren Maßstäben ist wirklich verlustfrei. Es ist dort etwas Rollwiderstand in Kugel- und Rollenlagern vorhanden. Es ist dort etwas Reibungswiderstand in hydrostatischen und hydrodynamischen Lagern vorhanden. Es sind dort Wirbelstromverluste und Hystereseverluste in Magnetlagern vorhanden. Folglich ist in allen Fällen immer eine gewisse Kraftkomponente vorhanden, die derart wirkt, dass sie der relativen Translation der beiden Flächen in der „freien" Richtung x einen Widerstand entgegensetzt.
Magnetische Spannungen in Magnetlagern.
Viele vorhandene Gestaltungen von Magnetlagern beruhen unmittelbar auf dem Umstand, dass dort wo Magnetfluss veranlasst wird durch Luft hindurchzugehen wirksam eine Maxwell-Zugspannung in der Luft in der Richtung der magnetischen Feldlinien vorhanden ist. Die meisten, wenn nicht alle, gegenwärtig erhältlich aktiven Magnetlager arbeiten unmittelbar auf der Basis dieser Zugspannung.
6 veranschaulicht die Wirkung der Maxwell-Zugspannung in dem wahrscheinlichsten einfachsten Fall, wo ein Permanentmagnet von der Form eines Hufeisenmagneten ein Magnetfeld durch sich selbst, einen Luftspalt (doppelt) und einen gewissen zweiten Körper treibt. Da die magnetischen Feldlinien in diesem Fall hauptsächlich rechtwinklig zu den Vorderseiten des Hufeisenmagneten und zu der Oberfläche des zweiten Körpers sind, ist es möglich, die Nutz-Kraft, die an jeder der beiden Luftspalt-Übergänge erzeugt wird, durch eine einfache Formel anzunähern. Diese beiden einzelnen Kräfte können dann unter Verwendung elementarer Trigonometrie kombiniert werden, um eine Darstellung für die gesamte resultierende Anziehungskraft zwischen dem Magnet und dem zweiten Körper zu bilden.
Die ältesten Gestaltungen von aktiven Magnetlagern weisen getrennt erregte Elektromagneten von der Form eines Hufeisenmagneten auf, die um den Umfang eines Luftspalts angeordnet sind, mit einem festen (oder hohlen) zylindrischen Rotor in dem Zentrum. Jeder Hufeisen-Elektromagnet weist seinen eigenen vollständigen Magnetkreis auf und dort besteht eine sehr geringe Wechselwirkung zwischen verschiedenen Elektromagneten. Im normalen Betrieb weist jeder Elektromagnet ein Vormagnetisierungs-Feld auf, derart, dass dort immer etwas Magnetfluss durch den Hufeisen-Elektromagneten vorhanden ist. Das Vormagnetisierungs-Feld wird manchmal durch eine DC-Komponente eines Stroms in dem Elektromagneten bereitgestellt, es kann jedoch durch einen Permanentmagneten in dem Magnetkreis bereitgestellt sein. Die Kräfte, die von den Vormagnetisierungs-Feldern erzeugt werden, summieren sich im allgemeinen auf nahe zu Null. Anschließend, durch Einführen eines vergleichsweise geringen Betrags eines (zusätzlichen) Stroms in einen Hufeisen-Elektromagneten und dem Negativen dieses (zusätzlichen) Stroms in den diametral entgegengesetzten Hufeisen-Elektromagneten wird eine Nutz-Querkraft zwischen dem Lager-Stator und dem Lager-Rotor gebildet.
Einige etwas modernere Gestaltungen von Magnetlagern verwenden Stator-Formen, die ähnlich sind zu den Statoren von geschalteten Reluktanzmaschinen, dahingehend, dass dort nach innen vorragende Stator-Pole auf durchgehende Zylinder aus hinterem Eisen befestigt sind. Dort können Spulen an einzelnen Statorpolen vorhanden sein oder Spulen können zwei oder mehr Pole verbinden. Alternativ können Spulen um das Hintere des Kerns gebildet sein, gemäß dem alten „Gram-ring"-Wickelverfahren, das vor einigen Jahren in elektrischen Maschinen üblich war. Permanentmagnete können in den Stator-Polen oder in dem Zylinder des „Hinter"-Eisens bereitgestellt sein, um das Vormagnetisierungs-Feld zu erzeugen. Der Zusammenhang zwischen einzelnen Strömen in Spulen (oder Phasen) und der Menge des Magnetflusses, die durch die einzelnen Stator-Pole hindurchgeht, ist in diesen Fällen komplexer als es für die einfache Anordnung von mehreren unabhängigen Hufeisen-Elektromagneten ist. Das Arbeits-Basisprinzip ist jedoch das gleiche: die Anziehungskraft pro Pol ist (annähernd) proportional zu dem Quadrat des Gesamtflusses durch die Polfläche.
Die meisten magnetomechanischen Vorrichtungen sind grundlegend durch die Flussdichte begrenzt. Es ist sehr selten, dass Flussdichten in irgendeiner Eisen enthaltenden Maschine irgendwo in dem Eisen aufgrund der Sättigung über 2 Tesla ansteigen. (Das Wort Eisen wird hier verwendet, um irgendein ferromagnetisches Material zu umfassen). Eine maximale Flussdichte in einem ferromagnetischen Material ist ein Schlüsselparameter bei der Auswahl eines derartigen Materials für eine Anwendung, aber sie ist nicht der einzige. Mechanische Festigkeit, Steifigkeit, elektrischer Widerstand (für Wirbelstrom-Verluste) und geringe magnetische Hysterese-Effekte sind andere Eigenschaften, die der Konstrukteur beachten muss, wenn er ein Material zur Verwendung in einer magnetomechanischen Vorrichtung auswählt. Sicherlich, dort ist letztlich keine maximale Magnetflussdichte in Eisen oder irgendeinem anderen Material vorhanden, die (inkrementale) relative Permeabilität für Eisen kann jedoch von über 1000 bei geringen Fluss-Beträgen auf nicht viel über 1 bei Fluss-Beträgen über 2 Tesla fallen.
Magnetflussdichten in dem Eisen einer eisentragenden magnetomechanischen Vorrichtung sind immer höher als die in den Luftspalten, wo der magnetische Fluss wirksam ist bei der Krafterzeugung. Die Begriff Luftspalt wird in diesem Zusammenhang verwendet, um einen Bereich eines Zwischenraums zu benennen, der von einem nicht-magnetischen Fluid gefüllt oder nicht gefüllt werden kann. Diese Verwendung ist konsistent mit der Sinndeutung des Begriffs in Zusammenhang mit elektrischen Maschinen. Am üblichsten ist der Zwischenraum zwischen relativ beweglichen Teilen der Vorrichtung durch Luft besetzt.
Da die Luftspalt-Flussdichte begrenzt ist, ergibt sich, dass die erzielbaren Maxwell-Spannungen ebenfalls in ihrer Größe begrenzt sind. Die Nutz-Kraft oder das Nutz-Drehmoment, das durch einen Luftspalt wirkt, kann berechnet werden durch Wahl irgendeiner sich durch diesen Luftspalt erstreckenden Fläche und durch Integrieren der magnetischen Spannungen über dieser Fläche. Falls dies vorgenommen wurde, kann eine mittlere wirksame Luftspalt-Spannung hergeleitet werden, gegeben durch die Gesamtkraft geteilt durch die gesamte Luftspaltfläche oder das Gesamt-Drehmoment geteilt durch das gesamte Erst-Drehmoment der Luftspaltfläche um die Drehachse. Die durchschnittliche Luftspaltspannung ist auf ca. 0,4 MPa begrenzt.
Im Zusammenhang mit der Gestaltung irgendeines Magnetlagers besteht ein Schlüsselerfordernis darin, es zu ermöglichen, eine bestimmte Nennkraft zu erzeugen, die geeignet ist, einer Bewegung in einer Richtung entgegenzuwirken. Vorausgesetzt, dass die wirksame Luftspalt-Spannung in irgendeiner magnetomechanischen Vorrichtung schon an sich durch die Sättigung des Eisens begrenzt ist, ergibt sich, dass dort ein minimaler Luftspalt-Wirkungsbereich für eine gegebene Nennlast besteht. Ein Weg, der von Konstrukteuren von Magnetlagern verfolgt wird, besteht darin, vergleichsweise große flache Lagerflächenbereiche zu verwenden, durch die der Magnetfluss hindurchgeht. Ein anderer Weg besteht darin, Lagerflächen zu verwenden, die einen relativ großen Durchmesser und eine relativ große Länge aufweisen, so dass der erforderliche Luftspaltbereich in einer begrenzten Schaftlänge realisiert werden kann.
Für eine in dem Luftspalt gegebene magnetische Flussdichte B ist die Maxwell-Zugspannung in der Richtung „r" der Feldlinien gegeben durch:
Eine Tatsache, die oft bei der Gestaltung von Magnetlagern vernachlässigt wird, besteht darin, dass in den beiden Richtungen „s" und „t" rechtwinklig zu r wirksam eine Druckspannung gegeben ist durch:
7a zeigt eine Gruppe von magnetischen Feldlinien in einer Fläche der Konstanten t. Der in 7a gezeichnete rechteckförmige Kasten kann dahingehend betrachtet werden, dass er eine Spannung σ_rr aufweist, die an zwei gegenüberliegenden Seiten einwirkt und eine Kompression (negative Spannung) σ_ss aufweist, die an den anderen beiden gegenüberliegenden Seiten einwirkt. 7b zeigt die gleiche Gruppe von magnetischen Feldlinien in der gleichen Fläche der Konstanten t. Ein rechteckförmiger Kasten mit der gleichen Größe wie in 7a ist hier auch eingezeichnet, jedoch erstreckt sich die Orientierung dieses rechteckförmigen Kastens unter 45° zu der Orientierung des Kastens in 7a. In dieser Figur sind die Achsen „u" und „v" derart definiert, dass sie sich mit 45°-Winkeln zu der Richtung des Magnetflusses erstrecken. An den Seiten dieses Kastens ist festzustellen, dass eine reine Schubspannung wirkt, ohne eine Normalspannungs-Komponente. Der Betrag dieser reinen Schubspannung „τ_uv" (in 7b) ist identisch zu dem Betrag der Normalspannungen an den Seiten des Kastens in 7a.
Wieder bezugnehmend auf die Beschreibung von elementaren Lagerbereichen ist zu beachten, dass magnetische Feldlinien (auch magnetische Flusslinien genannt) zwischen den beiden begrenzenden Flächen des elementaren Lagerbereichs in 5 derart hin durchgehen, dass jede Feldlinie (zumindest teilweise) rechtwinklig zu der x-Richtung (die Richtung, in der die freie Bewegung der beiden begrenzenden Flächen erwünscht ist) ist. Unter der Voraussetzung, dass diese Bedingung zufriedenstellend erfüllt ist, wird eine Kraftkomponente zwischen den beiden Hauptkomponenten in der x-Richtung gegeben sein. Falls diese Feldlinien parallel zu der z-Richtung sind (rechtwinkelig zu der zentralen Fläche), wird die Kraft zwischen den beiden begrenzenden Flächen gleich sein zu der Spannung mal der Fläche, d.h. B²A/2μ₀, wobei B die Flussdichte und A die Flächengröße der zentralen Fläche ist.
Falls, wie in 8 gekennzeichnet, die Feldlinien alle rechtwinklig zu x sind und sie unter einem Winkel α zu der Normalen z liegen, dann werden Kraftkomponenten zwischen den beiden begrenzenden Flächen des elementaren Lagerbereichs in den Richtungen y und z vorhanden sein, gegeben durch:
In 8 wirkt eine positive Kraft F_y, um die obere begrenzende Fläche in die (–y)-Richtung zu ziehen, und sie wirkt, um die untere begrenzende Fläche in die (+y)-Richtung zu ziehen. Eine positive Kraft F_X wirkt, um die obere begrenzende Fläche in die (–z)-Richtung zu ziehen, und sie wirkt, um die obere begrenzende Fläche in die (+z)-Richtung zu ziehen.
Darlegung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetlager bereitgestellt, wobei ein jedes von einem ersten und zweiten Lagerteil eine Gruppe von Lagerelementen trägt, und wobei die Lagerelemente der Gruppe, die von dem ersten Teil getragen werden, mit den Lagerelementen der Gruppe ineinander greifen, die von dem zweiten Teil getragen werden, um mindestens sechs im wesentlichen parallele Durchlass-Zwischenräume zwischen den aufeinanderfolgenden Elementen zu bilden, so dass infolge von magnetischen Schubspannungen, die über den Zwischenräumen wirken, Lagerkräfte entstehen können. Ein derartiges Lager ist aus der WO-A-92/15795 bekannt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lager derart angeordnet ist, dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien entstehen kann, welche die Durchlass-Zwischenräume unter einem Winkel zu der Normalen der Oberflächen der Lagerelemente durchsetzt, welche die Durchlass-Zwischenräume bilden, so dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien dazu veranlasst wird, einem Zickzack-Weg zu folgen, während sie durch die ineinander greifenden Lagerelemente hindurchgeht.
Gemäß einem ergänzenden Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung von Lagerkräften in einem Lager bereitgestellt, wobei das Lager zwei Lagerteile aufweist, wobei jedes eine Gruppe von Lagerelementen trägt, umfassend:
Anordnen der Lagerteile derart, dass die Lagerelemente der Gruppe, die von einem Lagerteil getragen werden, mit den Lagerelementen der Gruppe ineinander greifen, die von dem anderen Lagerteil getragen werden, um mindestens sechs im wesentlichen parallele Durchlass-Zwischenräume zwischen aufeinanderfolgenden Elementen zu bilden, so dass infolge von magnetischen Schubspannungen, die über diesen Zwischenräumen wirken, Lagerkräfte entstehen können, wobei das Lager derart angeordnet ist, dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien entstehen kann, welche die Durchlass-Zwischenräume unter einem Winkel zu der Normalen der Oberflächen der Lagerelemente durchsetzt, welche die Durchlass-Zwischenräume bilden, so dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien dazu veranlasst wird, einem Zickzack-Weg zu folgen, während sie durch die ineinander greifenden Lagerelemente hindurchgeht.
Ein kennzeichnendes Merkmal der vorliegenden Erfindung basiert auf der Gegebenheit, dass dem beschriebenen Magnetlager seine Lagerkraft durch die Summe der Kraftanteile von einer Anzahl von parallelen (oder nahezu parallelen) Luft-Zwischenräumen (bzw. Luftspalten) bereitgestellt wird, und wobei jeder dieser einzelnen Luft-Zwischenraum-Kraftbeiträge sich durch die Integration von magnetischen Schubspannungen über dem Luft-Zwischenraumbereich ergibt, dadurch hervorgerufen, dass die Magnetfluss-Linien (bzw. die magnetischen Feldlinien) dazu veranlasst werden, den Luft-Zwischenraum unter einem Winkel zu der Normalen zu durchsetzen. Ein wesentlicher Anteil der innerhalb des Lagers zu irgendeinem Zeitpunkt vorhandenen Magnetfluss-Linien sind wirksam für die Erzeugung einer brauchbaren Luft-Zwischenraum-Schubspannung bei mindestens sechs parallelen Luft-Zwischenräumen.
Die Erfindung kann beispielsweise ein Magnetlager bereitstellen, umfassend ein erstes und ein zweites Lagerteil, wobei jedes mit mindestens zwei vorstehenden Elementen versehen ist, die ineinander greifen, um mindestens sechs Zwischenräume zwischen aufeinanderfolgenden Elementen der beiden Lagerteile zu bilden, und eine Quelle einer magnetomotorischen Kraft (MMF), derart, dass Magnetfluss-Linien Durchlass-Zwischenräume unter einem Winkel zu der Normalen durchsetzen, um eine magnetische Schubspannung über jedem derartigen Zwischenraum zu erzeugen, um dadurch eine Lagerkraft oder Lagerkräfte zwischen den Lagerteilen zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Lager bereit, das aus einer stabilen Konstruktion bestehen kann, und sie ermöglicht die Bereitstellung passiver Magnetlager mit einer hohen Steifigkeit.
Vorteilhafter Weise ist mindestens eine Quelle einer magnetomotorischen Kraft derart angeordnet ist, dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien entsteht, welche die Durchlass-Zwischenräume durchsetzt, und wobei mindestens der Hauptanteil der Lagerkraft infolge von magnetischen Schubspannungen entsteht, die über diesen Durchlass-Zwischenräumen wirken.
Die Quelle(n) einer magnetomotorischen Kraft ist bzw. sind derart angeordnet, dass eine einzelne Gruppe von Flusslinien entsteht, welche die Durchlass-Zwischenräume durchsetzen, und wobei mindestens der Hauptanteil der Lagerkraft infolge von magnetischen Schubspannungen entsteht, die über der Gruppe von Durchlass-Zwischenräumen wirken. Um diese Wirkung herbeizuführen, wird der Magnetfluss dazu veranlasst, einem Zickzack-Weg zu folgen, während er durch den ineinander greifenden Stapel von Lagerelementen hindurchgeht. Es ist insbesondere bevorzugt, dass im wesentlichen alle Durchlass-Zwischenräume in der Gruppe enthalten sind. 9 veranschaulicht den Zickzack-Weg schematisch.
Eine wesentliche Ersparnis an Gewicht und Materialien ist aufgrund dieser Anordnung möglich, und dementsprechend begünstigt die Anordnung die Realisierung geringer Kosten und die Bereitstellung einer hohen spezifischen Belastbarkeit. Ein wesentlicher Faktor, der das Gewicht irgendeines Magnetlagers bestimmt, ist das Material, das erforderlich ist, um den Magnetfluss-Kreis zu vervollständigen, d.h. um den Fluss von einer Seite der Gruppe von Zwischenräumen, wo er verwendbar ist, um einen gewissen Lagerkraft-Beitrag zu bilden, zu der anderen zu leiten. Die Anordnung aller oder vieler der von einer einzelnen Gruppe von Flusslinien zu durchsetzenden Zwischenräume kann das Gewicht minimieren, das mit dem magnetischen Rückkehr-Weg für ein gegebenes maximales Lagerkraft-Potential verbunden ist.
Magnetlager gemäß der Erfindung können eine hohe Belastbarkeit erzielen, und zwar derart, dass die Entstehung einer sinnvollen Arbeits-Schubspannung an jeder der zahlreichen (nahezu) parallelen Luft-Zwischenräume veranlasst wird. Um die Entstehung einer magnetischen Schubspannung in einem Luft-Zwischenraum zu veranlassen, ist es notwendig, eine Quelle einer magnetomotorischen Kraft bereitzustellen, die einen Magnetfluss bereitstellt, und den Magnetfluss zu veranlassen, den Luft-Zwischenraum unter einem Winkel zu durchsetzen. Die höchste Schubkraft für eine gegebene Flussdichte wird sich ergeben wenn der Winkel 45° beträgt. Es ist daher vorteilhaft, es zu ermöglichen, den Weg zu steuern, auf dem die Magnetfluss-Linien die verschiedenen Durchlass-Zwischenräume des Lagers durchsetzen. Viele unterschiedliche Aufbauten können erdacht werden, welche die Entstehung gewisser Schubspannungen verursachen können. Jedoch bestehen tatsächlich nur drei verschiedene Möglichkeiten mit denen der Weg des Magnetflusses gegenüber dem Weg geändert werden kann, den er normalerweise durch freien Raum nehmen würde. Dies sind: (a), durch Anordnen von etwas ferromagnetischem Material in den Flussweg; (b), durch Anordnen von etwas Permanentmagnet-Material in den Flussweg; oder (c), durch Anordnen eines gewissen elektrischen Teilstroms in den Flussweg.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist elektrisch leitendes Material innerhalb eines oder mehrerer der ineinander greifenden Lagerelemente angeordnet ist, um den Fluss von elektrischen Strömen zu ermöglichen, um so den Weg des Magnetflusses über mindestens einen Durchlass-Zwischenraum zu beeinflussen. Alternativ, oder zusätzlich, kann Permanentmagnet-Material innerhalb der ineinander greifenden Lagerelemente verteilt sein, um den Weg des Magnetflusses über mindestens einen Durchlass-Zwischenraum zu beeinflussen.
In noch anderen bevorzugten Ausführungsformen sind Materialien mit unterschiedlichen magnetischen Permeabilitäten innerhalb der ineinander greifenden Lagerelemente verteilt, um den Weg des Magnetflusses über mindestens einen Durchlass-Zwischenraum zu beeinflussen. In derartigen Fällen ist ferromagnetisches Material für diesen Zweck innerhalb der ineinander greifenden Lagerelemente geeignet verteilt. Folglich kann ferromagnetisches Material musterartig innerhalb mindestens eines der ineinander greifenden Lagerelemente angeordnet sein, derart, dass der magnetische Widerstand, den eine Magnetfluss-Linie erfährt, die sich von einer Seite des Lagerelements bzw. der Lagerelemente zu der anderen erstreckt, eine feste Funktion der Lage der Flusslinie ist; wobei diese Abhängigkeit des magnetischen Widerstands von der Lage dann dazu dient, den Weg des Magnetflusses über mindestens einen Durchlass-Zwischenraum zu beeinflussen.
Irgendein Verfahren oder alle diese Verfahren der Beeinflussung des Magnetflusses über mindestens einen Durchlass-Zwischenraum können in einer einzelnen Ausführungsform der Erfindung vereinigt sein. 10, 11 und 12 zeigen schematisch wie die drei unterschiedlichen Effekte (uneinheitliche Permeabilität in einem Lagerelement, Permanentmagnet-Material in einem Lagerelement und elektrischer Strom in der Ebene eines Lagerelements) den Weg des Magnetflusses über Luft-Zwischenräume beeinflussen können.
In solchen Ausführungsformen, die etwas Permanentmagnet-Material in einem oder mehreren der Lagerelemente oder gewisse Verteilungen von elektrischem Strom in einem oder mehreren der Lagerelemente enthalten können, kann es oder kann es nicht notwendig sein, eine separate Quelle einer magnetomotorischen Kraft bereitzustellen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Lager als ein aktives Lager gebildet. In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Lager als ein passives Lager gebildet. In noch anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist die Quelle der magnetomotorischen Kraft eine einzelne Spule auf, und zwar zur wahlweisen Einstellung der gesamten Fluss-Verbindung, wobei in diesem Fall das Lager als ein halb-aktives Lager gebildet ist.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist das Lager als ein Linearlager gebildet. In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Lager der Erfindung als ein Drehlager gebildet. Wenn es als ein Drehlager gebildet ist, kann das Lager angeordnet werden, um radiale Lagerkräfte zu erzeugen oder um axiale Lagerkräfte zu erzeugen.
Vorzugsweise weist eines der Lagerteile ein ineinander greifendes Element mehr auf als das andere. Dies begünstigt die Lagersymmetrie, und hat auch zur Folge, dass dort wenigstens vier derartiger Zwischenräume vorhanden sind. Eine Schubspannung wird in jeder dieser Zwischenräume erzeugt. Durch Bereitstellung mehrerer Zwischenräume wird der gesamte zur Erzeugung der Kraft oder Kräfte zwischen den Lagerteilen wirkende Flächenbereich erhöht und eine hohe Belastbarkeit des Lagers kann realisiert werden. Die Breite der in dem Lager vorhandenen Zwischenräume weist einen minimalen Wert auf, bestimmt von der erzielbaren Lagegenauigkeit der beiden Lagerteile.
Die Anzahl der ineinander greifenden Elemente kann erhöht werden, passend zu der Erhöhung der Anzahl der Durchlass-Zwischenräume und folglich des gesamten zur Erzeugung der Kraft oder der Kräfte zwischen den Lagerteilen wirkenden Flächenbereichs. Dort sind vorzugsweise wenigstens acht oder zehn derartiger Durchlass-Zwischenräume vorhanden, und dort können so viele vorhanden sein wie sechsundzwanzig oder sogar mehr.
Die Zwischenräume zwischen ineinander greifenden Elementen sind optional mit einem unmagnetischen Fluid gefüllt. Die Zwischenräume können durch Luft besetzt sein. Die Zwischenräume können evakuiert sein.
In solchen Ausführungsformen, die uneinheitliche Verteilungen von ferromagnetischen Material enthalten, können die Bereiche hoher Permeabilität gebildet sein durch ein oder mehrere ferromagnetische Materialien, und die Bereiche der geringen Permeabilität können gebildet sein durch irgendein nicht-ferromagnetisches Material, beispielsweise einen Verbundstoff, wie etwa ein faserverstärktes Harzmaterial. Kohlenstofffaser-Verbundstoffe sind besonders geeignet.
Die Kraft oder Kräfte zwischen den Lagerteilen können entweder in einer oder zwei Richtungen erzeugt werden. Die Kraft oder Kräfte zwischen den Lagerteilen sind vorzugsweise in einer Richtung parallel zu den zentralen Flächen der Zwischenräume ausgerichtet. Die Kraft oder Kräfte zwischen den Lagerteilen wirken in einer Richtung allgemein parallel zu der zentralen Fläche der Zwischenräume.
Die Elemente des ersten Lagerteils können zusammen gebracht werden. Die Elemente des zweiten Lagerelements können zusammen gebracht werden. Die Elemente können an einer mechanischen Plattform befestigt werden. Die mechanische Plattform kann ein Schaft sein oder kann eine Buchse sein, die an dem Schaft befestigt ist. Die mechanische Plattform kann eine Ummantelung sein, welche die Elemente an ihren äußeren Kanten zusammenhalten kann. Die mechanische Plattform ist vorzugsweise aus einem unmagnetischen Material gebildet, um sie davor zu bewahren, einen magnetischen Kurzschluss bereitzustellen.
Die ineinander greifenden Elemente des ersten und des zweiten Lagerteils können ringförmige Scheiben sein. In einem Drehlager werden derartige Scheiben rechtwinklig zu der Drehachse befestigt. Derartige ineinandergreifende Scheiben können angeordnet werden, um Lagerkräfte zu erzeugen, die rechtwinklig zu der Lagerdrehachse wirken.
Die ineinandergreifenden Elemente des ersten und zweiten Lagerteils können Zylinder sein. In einem Drehlager werden derartige Zylinder koaxial mit der Lagerdrehachse montiert. Derartige ineinandergreifende Zylinder können angeordnet werden, um Lagerkräfte zu erzeugen, die koaxial mit oder rechtwinkelig zu der Lagerdrehachse wirken, gemäß dem Weg, auf dem der Magnetfluss veranlasst wird, zwischen den ineinandergreifenden Zylindern zu schlängeln.
In noch weiteren Ausführungsformen der Erfindung können die ineinandergreifenden Elemente des ersten und zweiten Lagerteils konisch sein. In einem Drehlager werden derartige konische Elemente koaxial mit der Lagerdrehachse befestigt. Derartige ineinandergreifende konische Elemente können angeordnet werden, um Lagerkräfte zu erzeugen, die koaxial mit oder rechtwinkelig zu der Lagerdrehachse wirken, gemäß dem Weg, auf dem der Magnetfluss veranlasst wird, zwischen den ineinandergreifenden konischen Elementen zu schlängeln.
Die ineinander greifenden Elemente, ob sie nun ringförmige Scheiben, oder zylindrische oder konische Elemente, oder lineare Lagerelemente sind, können aus geschichtetem Stahl hergestellt sein. Andere Konstruktionsverfahren oder Materialien sind auch möglich, umfassend die Verwendung eines Pulvermetallurgie-Verbundstoffs, der eine hohe Widerstandsfähigkeit aufweist, und die Verwendung eines Verbundmaterials, das einen Anteil eines magnetischen Drahts aufweist, der in einer Matrix eingebettet und geeignet orientiert ist.
Die MMF-Quelle oder MMF-Quellen können eine Serie von Permanentmagneten oder zwei konzentrische Spulen oder vier identische Stücke aufweisen, die an die Geometrie einer G-Klemme erinnern. Die MMF-Quelle oder MMF-Quellen können auch dazu dienen, den magnetischen Weg durch das Lager zu vervollständigen. Die MMF-Quelle oder die MMF-Quellen können einen Rückkehr-Weg an nur einem Ende des Lagers aufweisen.
Das erste Lagerteil kann ein Rotor sein und das zweite Lagerteil kann ein Stator einer elektrischen Maschine bzw. Drehmaschine sein. Alternativ kann das erste Lagerteil der Stator sein und das zweite Lagerteil kann der Rotor einer elektrischen Maschine bzw. Drehmaschine sein. Die MMF-Quelle oder MMF-Quellen befinden sich vorzugsweise in dem gleichen Bewegungs-Rahmen wie der Lager-Stator, wenn bereitgestellt.
Das Magnetlager kann ein passives Magnetlager sein oder kann ein aktives Magnetlager sein. Das Magnetlager kann ein raumsparendes und ein leichtes aktives Magnetlager mit hoher Kraft-Belastbarkeit sein. Das Magnetlager kann ein raumsparendes passives Magnetlager mit einer hohen Steifigkeit sein. Diese Erfindung stellt ein passives Lager bereit, das eine Steifigkeit pro Einheitsvolumen aufweist, die vielfach größer ist als die Steifigkeit pro Einheitsvolumen, die von herkömmlichen Konstruktionen passiver Lager zur Verfügung gestellt wird. Das Magnetlager kann ein raumsparendes passives Magnetlager mit einer hohen Steifigkeit sein, das eine relative Drehung ermöglicht, aber einer relativen axialen Bewegung durch Erzeugung einer Rückstell-Längskraft widersteht. Das Magnetlager kann ein passives Drucklager sein, das eine axiale Druckbelastbarkeit pro Einheit Volumen/Masse aufweist, die vielfach größer ist als der Druck pro Einheit Volumen, der von anderen Konstruktionen passiver Magnet-Drucklager bereitgestellt wird. Das Magnetlager kann eine wesentlich höhere axiale Steifigkeit pro Einheit Volumen/Masse bereitstellen, die viel höher ist als jene, die von anderen Konstruktionen passiver Magnet-Drucklager zur Verfügung gestellt wird. Das Magnetlager kann für einen wesentlichen Axial-Druck bereitgestellt sein, bei einem gegebenen, vergleichsweise geringen Betrag einer relativen axialen Bewegung, mit einhergehender Bereitstellung eines geringen oder nicht vorhandenen Widerstands gegenüber einer relativen Drehung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft in bezug auf die folgenden skizzenhaften Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen elementaren Lagerbereich eines Kugellagers darstellt;
2 einen elementaren Lagerbereich eines konischen Kugellagers darstellt;
3 einen elementaren Lagerbereich eines hydrostatischen Lagers darstellt;
4 einen Fluid-Keil und eine relative Bewegung in einem elementaren Lagerbereich von einem hydrodynamischen Lager darstellt;
5 die (orthogonalen) Haupt-Richtungen für jeden elementaren Lagerflächenbereich darstellt, wobei die Achse z rechtwinkelig zu der zentralen Fläche ist;
6 die Wirkung der Maxwell-Zugspannung in der einfachsten Weise veranschaulicht, wobei ein Permanentmagnet von der Form eines Hufeisenmagneten ein Magnetfeld durch sich selbst, einen Luftspalt (doppelt) und einen gewissen zweiten Körper treibt;
7a Normalspannungen in einer gegebenen Fläche eines Magnetfeldes in Luft zeigt;
7b Schubspannung in einer gegebenen Fläche eines Magnetfeldes in Luft zeigt;
8 einen Magnetfluss veranschaulicht, der sich unter einem Winkel α zu der z Achse erstreckt;
9 einen Magnetfluss veranschaulicht, der in einem Zickzack-Muster durch parallele Luftspalte hindurchgeht;
10 ein Magnetfluss-Bündel veranschaulicht, das von einem Bereich von hoher Permeabilität gerichtet ist;
11 ein Magnetfluss-Bündel veranschaulicht, das von einem Permanentmagneten gerichtet ist;
12 ein Magnetfluss-Bündel veranschaulicht, das von einer Stromlinie gerichtet ist;
13 eine Schnittansicht einer Hälfte eines passiven Radiallagers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
14 eine Schnittansicht einer Hälfte des Lager-Rotors der 13 ist;
15 eine Schnittansicht der Hälfte des Lager-Stators der 13 darstellt;
16 eine Draufsicht eines Rotorplatten-Lagerelements der 13 ist;
17 eine Draufsicht eines Statorplatten-Lagerelements der 13 ist;
18 eine Schnittansicht des gesamten Lagers der 13 bis 17 ist;
19 eine graphische Darstellung einer statischen Rückstellkraft als eine Funktion der relativen lateralen Verschiebung zwischen einem Lagerrotor und einem Lager-Stator ist;
20 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der MMF-Quelle der 13 bis 19 ist;
21 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der MMF-Quelle der 13 bis 19 ist;
22 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der MMF Quelle der 13 bis 19 ist;
23 eine Schnittansicht einer Hälfte eines passiven axialen Drucklagers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
24 ein Schnitt durch den Lager-Rotor des in 23 dargestellten Lagers ist, worin Bereiche (Ringe) von hoher Permeabilität als dunkle Rechtecke dargestellt sind;
25 ein Querschnitt des Lager-Stators des in 23 dargestellten Lagers ist, worin Bereiche (Ringe) hoher Permeabilität wieder als dunkle Rechtecke dargestellt sind;
26 ein Schnitt des Lager-Stators und Lager-Rotors des in 23 dargestellten Lagers ist, etwas axial verschoben, um darzustellen wie sich die Reaktion entwickelt;
27 ist eine schematische Darstellung, welche die drei Haupt-Komponenten und insbesondere die Spulen (8) darstellt, welche zu der gleichpoligen MMF in dem in 23 dargestellten Lager beitragen;
28 ist ein Querschnitt parallel zu der Drehachse einer Ausführungsform mit ineinandergreifenden Zylindern eines aktiven Radiallagers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, in dem die Linien des Magnetflusses als vertikale gestrichelte Linien mit Pfeilen dargestellt sind;
29 ist ein Querschnitt rechtwinkelig zu der Drehachse der Ausführungsform aus 8, worin einige Teilwege des Magnetflusses als gestrichelte Zickzack-Linien dargestellt sind;
30 ist ein Querschnitt rechtwinkelig zu der Drehachse des Lager-Stators und MMF-Quellen der Ausführungsform aus 28;
31 ist ein Querschnitt parallel zu der Drehachse des Lager-Stators der Ausführungsform aus 28;
32 ist ein Querschnitt rechtwinkelig zu der Drehachse des Lager-Rotors der Ausführungsform aus 28;
33 ist ein Querschnitt parallel zu der Drehachse des Lager-Rotors der Ausführungsform aus 28;
34 ist eine externe MMF-Quelle zusammenhängend mit dem äußersten Statorplatten-Lagerelement des in 28 dargestellten Lagers;
35 ist eine interne MMF-Quelle zusammenhängend mit dem innersten Statorplatten-Lagerelement des in 28 dargestellten Lagers;
36 ist ein Querschnitt parallel zu der Drehachse einer Ausführungsform mit ineinandergreifenden Scheiben eines aktiven Lagers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
37 ist eine Vorderansicht eines einzelnen Statorplatten-Lagerelements von dem Lager aus 36;
38 ist ein Schnitt durch den Stator von dem Lager aus 36;
39 ist eine Vorderansicht eines einzelnen Rotorplatten-Lagerelements von dem Lagers aus 36;
40 ist ein Schnitt durch den Rotor von dem Lager aus 36;
41 ist eine schematische Darstellung, welche die Haupt-Komponenten einer Ausführungsform mit ineinandergreifenden Scheiben eines aktiven Radiallagers gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
42 ist eine schematische Darstellung, welche das Arbeitsprinzip des Lagers aus 41 darstellt, die veranschaulicht, wie Zickzack-Linien des Flusses eine gute Arbeits-Schubspannung an jedem Zwischenraum zwischen den Scheiben bilden;
43 sind Vorder- und Seitenansichten einer Ausführungsform der MMF-Quelle zur Verwendung mit dem Lager der 41;
44 ist eine Vorder- und Seitenansicht einer einzelnen Stator-Scheibe zur Verwendung mit dem Lager der 41;
45 ist eine Vorder- und Seitenansicht einer einzelnen Rotor-Scheibe zur Verwendung mit dem Lager der 41 und welche ihre 4-polige axiale Magnetisierung zeigt;
46 ist eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform eines Lineallagers, konstruiert gemäß der Erfindung. Dies ist die sechste beschriebene Ausführungsform.
47 ist eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform eines Lineallagers, konstruiert gemäß der Erfindung.
Es wurde bereits auf die 1 bis 12 bezug genommen.
Spezifische Ausführungsform „A". Ein passives Radial-Magnetlager.
13 bis 18 zeigen ein passives Radial-Magnetlager gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Magnetlager weist drei Hauptkomponenten auf, ein Rotor-Lagerteil 1, ein Stator-Lagerteil 2 und eine magnetomotorische Kraft(MMF)-Quelle 3.
Bemerkend, dass die Funktion eines so genannten Radiallagers darin besteht, eine gegebene relative laterale Position von zwei Lagerteilen, die eine relative Drehung durchmachen, aufrechtzuerhalten, ist es verständlich, dass eines der Lagerteile stationär sein kann und das andere sich bewegt. Hier und auch an anderer Stelle in der Beschreibung werden die Begriffe Lager-Rotor und Lager-Stator nur verwendet, um zwischen den beiden Lagerteilen zu unterscheiden. Es wird implizit angenommen, dass wenigstens in dem Falle von Drehlagern sich die MMF-Quelle in dem gleichen Bewegungsrahmen befindet wie das Stator-Lagerteil.
13 zeigt einen Querschnitt durch die Hälfte des Lager-Rotors 1, des Lager-Stators 2 und der MMF-Quelle 3. In dieser Figur ist dargestellt, dass die MMF-Quelle auch dazu dient, den Magnet-Weg zu vervollständigen. Die gestrichelten Linien 12 in 13 kennzeichnen die Richtung des Flusses des Magnetflusses. Die MMF-Quelle stellt eine vernünftige gleichpolige MMF durch den Lager-Rotor und Lager-Stator bereit. Das heißt, irgendein Abschnitt durch das Lager wird mehr oder weniger das gleiche Muster und die gleiche Magnetfluss-Dichte, die durch den Rotor und Stator hindurchgeht, zeigen.
Der Lagerrotor 1 weist eine Anzahl von kreisförmigen Rotorplatten-Lagerelementen 4 auf, die auf einer einzelnen mechanischen Plattform 5 befestigt sind, wie 14 veranschaulicht. Die zentralen Ebenen der Rotorplatten-Lagerelemente 4 sind rechtwinkelig zu der Drehachse. Die mechanische Plattform 5 ist eine Buchse, die auf einem Schaft befestigt sein kann. Die mechanische Plattform des Lagerrotors 1 ist aus einem unmagnetischen Material hergestellt, so dass sie keinen magnetischen Kurzschluss für die Gruppe der Magnetfluss-Linien 12 (bzw. der magnetischen Feldlinien 12) bereitstellt, welche durch die Rotorplatten-Lagerelemente und die Statorplatten-Lagerelemente 4, 6 hindurchgehen, und folglich auch durch die Durchlass-Zwischenräume 11, die durch solche Lagerelemente gebildet sind.
Der Lager-Stator 2 weist eine Anzahl von kreisförmigen Statorplatten-Lagerelementen 6 auf, die auf einer einzelnen mechanischen Plattform 7 befestigt sind, wie 15 veranschaulicht. Ähnlich wie die Rotorplatten-Lagerelemente sind die zentralen Ebenen der Statorplatten-Lagerelemente auch rechtwinkelig zu der Drehachse. Die mechanische Plattform 7 ist eine Ummantelung, welche die Statorplatten-Lagerelemente an ihren äußeren Durchmessern zusammenhält. Die mechanische Plattform 7 des Lager-Stators 2 ist aus einem unmagnetischen Material hergestellt, so dass sie keinen magnetischen Kurzschluss für den Magnetfluss bereitstellt, der dafür vorgesehen ist, durch die Rotorplatten-Lagerelemente und die Statorplatten-Lagerelemente hindurchzugehen.
Alle der Rotorplatten-Lagerelemente 4 sind ähnlich zueinander, und alle der Statorplatten-Lagerelemente 6 sind ebenfalls ähnlich zueinander, abgesehen von den beiden Endplatten-Lagerelementen, welche sich unterscheiden können, dahingehend, dass sie zusammenhängend mit der MMF-Quelle 3 ausgebildet sein können. Irgendein einzelnes Rotorplatten-Lagerelement 4 scheint nahezu identisch zu einem Statorplatten-Lagerelement 6 zu sein. Der prinzipielle Unterschied besteht darin, dass die innersten und äußersten Durchmesser an einem Rotorplatten-Lagerelement 4 geringfügig kleiner sind als solche eines Statorplatten-Lagerelements 6. 16 zeigt ein Rotorplatten-Lagerelement 4 und 17 zeigt ein Statorplatten-Lagerelement 6. Jedes dieser Platten-Lagerelemente weist eine Gruppe von ringförmigen Bereichen von hoher Permeabilität 8 auf, beabstandet durch eine Gruppe von ringförmigen Bereichen vergleichsweise geringer Permeabilität 9. Der Radialabstand der Bereiche von hoher Permeabilität 8 ist der gleiche für die Rotorplatten-Lagerelemente, so wie er es auch für die Statorplatten-Lagerelemente ist, und die Bereiche von hoher Permeabilität 8 weisen im Rahmen einer sehr groben Annäherung die gleiche radiale Tiefe auf wie die Bereiche von geringer Permeabilität 9, sowohl an den Statorplatten-Lagerelementen als auch an den Rotorplatten-Lagerelementen. Die Abmessungen dieses Radialabstands sind in dem Diagramm zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt. In der Praxis würde der Radialabstand der Bereiche hoher Permeabilität 8 näherungsweise in der Größenordnung des dreifachen der maximalen relativen lateralen Bewegung, die zwischen dem Lager-Rotor 1 und dem Lager-Stator 2 möglich ist, liegen. Die Abmessung der Luft-Zwischenräume zwischen den Rotorplatten-Lagerelementen und den Statorplatten-Lagerelementen wird typischerweise ungefähr eine Hälfte dieser radialen Tiefe betragen.
18 zeigt einen Querschnitt durch den kombinierten Lager-Rotor und Lager-Stator, mit einem Maß einer lateralen Falschausrichtung, die zwischen ihnen in der Schnittebene vorhanden ist. Nur die Rotorplatten-Lagerelemente 4 und die Statorplatten-Lagerelemente 6 sind mit den Bereichen von hohen Permeabilität 8 und geringer Permeabilität 9 in diesen Platten-Lagerelementen dargestellt. Offensichtlich sind die Bereiche hoher Permeabilität 8 nicht ausgerichtet. Die Wirkung der MMF-Quelle besteht darin, zu versuchen, Magnetfluss axial durch den Stapel der Rotorplatten-Lagerelemente 4, der Statorplatten-Lagerelemente 6 und die dazwischen befindlichen Luft-Zwischenräume zu treiben. Wo Abschnitte der Bereiche von hoher Permeabilität ausgerichtet sind erstrecken sich Flüsse mit relativ hoher Dichte, wobei jedoch – wo dies auftritt – eine sehr kleine Kraft zwischen dem Rotor und dem Stator erzeugt wird. Wo Abschnitte der Bereiche von hoher Permeabilität nicht ausgerichtet sind, ist der gesamte magnetische Widerstand des axialen Magnetwegs zwischen den beiden Enden höher und ein derartiger Magnetfluss, der er entlang dieses Wegs fließt, wird gezwungen einer „Zickzack"-Kurve zu folgen. 18 umfasst Linien 10, die diese Zickzack-Kurve kennzeichnen, allgemein als Magnetfluss mit dem Bestreben axial durch den Stapel von ineinandergreifenden Rotorplatten-Lagerelementen 4 und Statorplatten-Lagerelementen 6 hindurchzugehen. Der Umstand, dass der Fluss durch jeden Luft-Zwischenraum unter einem Winkel hindurchgeht, bedeutet, dass dort eine gewisse nutzbare Schubspannung vorhanden ist, und die Wirkung dieser Schubspannung besteht darin, zu versuchen, den Rotor und Stator zurück in laterale (radiale) Ausrichtung zu ziehen.
19 zeigt ein typisches Diagramm einer statischen Rückstellkraft als eine Funktion einer relativen lateralen Verschiebung zwischen dem Lager-Rotor und dem Lager-Stator für eine feste axiale MMF in der MMF-Quelle. Offenbar besteht dort eine gewisse relative Verschiebung δ_max über der eine geringe zusätzliche Kraft verfügbar ist falls die Verschiebung weiter erhöht wird. Diese Verschiebung δ_max ist näherungsweise gleich einem Viertel des mittleren radialen Abstands zwischen den Zentren der benachbarten Regionen von hoher Permeabilität an den Rotorplatten-Lagerelementen oder den Statorplatten-Lagerelementen. Die maximal zu erwartende relative Ablenkung zwischen dem Lager-Rotor und dem Lager-Stator stellt daher eine geringste Begrenzung für den Radialabstand von Bereichen hoher Permeabilität in den Rotorplatten-Lagerelementen und in den Statorplatten-Lagerelementen bereit.
Die Dicke der Luft-Zwischenräume, die in dem Lager vorhanden sind, weist einen minimalen Wert auf, der von der erzielbaren axialen Lagegenauigkeit des Lager-Rotors relativ zu dem Lager-Stator bestimmt wird. Um ein wirksames Lager bereitzustellen, muss der Radialabstand zwischen Bereichen hoher Permeabilität wesentlich größer sein als die mittlere Dicke des Luft-Zwischenraums – typischerweise zwei bis zehn Mal größer.
Folglich ordnet eine erreichbare axiale Lagegenauigkeit wirksam eine andere untere Begrenzung an Radialabstand der Bereiche von hoher Permeabilität an.
Die axiale Dicken der Rotor- und Statorscheiben weisen zwei separate untere Begrenzungen auf: Schubspannungen (τ_rθ) in den Scheiben und die Tatsache, dass diese Dicken wesentlich größer sein sollen als die axialen Dicken der Luft-Zwischenräume. Die Dicken der Rotor- und Statorscheiben können beträchtlich in Bezug auf den Radius variieren. Aus Gründen betreffend das Widerstehen gegenüber Schubspannungen können die Rotorplatten-Lagerelemente an ihren inneren Durchmessern besonders dick sein, mit fortschreitender Dickenabnahme, z.B. gleichmäßig, zu ihren äußeren Durchmessern hin. Die Dicke der Statorplatten-Lagerelemente wird zum großen Teil von den Anforderungen nach einer gewissen minimalen Dicke an den kleinen Radien und der Aufrechterhaltung eines ergiebigen Luft-Zwischenraums an den anderen Radien bestimmt. Die Statorplatten-Lagerelemente können in der Dicke variieren, um so parallele, seitliche Zwischenräume mit ineinandergreifenden Rotorplatten-Lagerelementen bereitzustellen.
Die aktuelle MMF, die in der MMF-Quelle vorhanden ist, kann irgendeine von zahlreichen Formen annehmen. Oftmals kann sie eine Serie von Permanentmagneten aufweisen, die in dem Rückkehr-Weg, wie in 20 dargestellt, aufgestapelt sind. 21 zeigt wie zwei konzentrische Spulen für einen sehr ähnlichen Effekt verwendet werden können. 22 zeigt wie die MMF-Quelle für ein gegebenes Lager aus vier identischen Stücken zusammengesetzt sein kann, die an die Geometrie einer G-Klemme erinnern. 22 stellt nur eine Hälfte einer G-Klemme dar.
Die Bereiche von hoher Permeabilität 8 entweder in dem Rotorplatten-Lagerelement oder dem Statorplatten-Lagerelement oder sogar in beiden können selbst Permanentmagnet-Materialien sein. Die Bereiche von geringer Permeabilität 9 in den Rotorplatten-Lagerelementen 4 können oft als Kohlenstoff-Faser-Verbundstoffe (oder Verbundstoffe anderer Fasern) gebildet sein, um die Stabilität und mechanische Integrität in jedem Rotorplatten-Lagerelement zu fördern.
Spezifische Ausführungsform „B". Ein passives Axial-Magnetlager
23 bis 27 zeigen ein passives Axial-Magnetlager gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das hier beschriebene Magnetlager ist für einen wesentlichen Axial-Druck bereitgestellt, bei einem gegebenen, vergleichsweise geringen Betrag einer relativen axialen Bewegung, mit einhergehender Bereitstellung eines geringen oder nicht vorhandenen Widerstands gegenüber einer relativen Drehung. Das Lager weist drei Hauptkomponenten auf, ein Rotor-Lagerteil 21, ein Stator-Lagerteil 22 und eine MMF-Quelle 23.
23 zeigt einen Querschnitt durch eine Hälfte des Lager-Rotors, des Lager-Stators und der MMF-Quelle. In dieser Figur ist dargestellt, dass die MMF Quelle auch dazu dient, den Magnetweg zu vervollständigen. Die gestrichelten Linien in 23 kennzeichnen die Richtung des Flusses des Magnetflusses. Die MMF-Quelle stellt eine vernünftige gleichpolige MMF durch den Lager-Rotor 21 und Lager-Stator 22 bereit. Das heißt, dass irgendein Abschnitt durch das Lager, umfassend die Drehachse in der Schnittebene, mehr oder weniger das gleiche Muster und die gleiche Magnetflussdichte die durch den Rotor und Stator hindurchgeht, zeigt.
Der Lager-Rotor 21 weist eine Anzahl von konzentrischen zylindrischen Rotorplatten-Lagerelementen 4 auf, die auf einer einzelnen mechanischen Plattform 25 befestigt sind, wie 24 veranschaulicht. 24 ist ein Querschnitt durch den Lager-Rotor 21, wobei die Schnittebene die Drehachse enthält. Die mechanische Plattform ist im allgemeinen scheibenförmig und ist aus einem unmagnetischen Material hergestellt, so dass sie keinen magnetischen Kurzschluss für den Magnetfluss bereitstellt, der dafür vorgesehen ist, durch die Rotorplatten-Lagerelemente und die Statorplatten-Lagerelemente hindurchzugehen.
Jedes der Rotorplatten-Lagerelemente 24 weist eine Gruppe von ringförmigen Bereichen 28 von hoher relativer magnetischer Permeabilität auf, die unter regelmäßigen Abständen durch eine Gruppe von ringförmigen Bereichen 29 geringer relativer Permeabilität voneinander beabstandet sind.
Der Lager-Stator 22 weist eine Anzahl von konzentrischen, zylindrischen Statorplatten-Lagerelementen 26 auf, die auf einer einzelnen mechanischen Plattform 27 befestigt sind, wie 25 veranschaulicht. 25 ist ein Schnitt durch die Hälfte des Lager-Stators 22, wobei die Schnittebene die Drehachse enthält. Die in 25 dargestellte mechanische Plattform 27 ist im allgemeinen scheibenförmig und besteht aus einem unmagnetischen Material, so dass sie keinen magnetischen Kurzschluss für den Magnetfluss bereitstellt, der dafür vorgesehen ist, durch die Rotorplatten-Lagerelemente und die Statorplatten-Lagerelemente hindurchzugehen.
Jedes der Statorplatten-Lagerelemente 26 weist eine Gruppe von ringförmigen Bereichen 28 von hoher relativer magnetischer Permeabilität auf, die unter regelmäßigen Abständen durch eine Gruppe von ringförmigen Bereichen 29 geringer relativer Permeabilität voneinander beabstandet sind.
26 zeigt einen Querschnitt durch die Hälfte des kombinierten Lager-Rotors 21 und Lager-Stators 22, mit einem Maß einer axialen Falschausrichtung, die zwischen ihnen in der Schnittebene vorhanden ist. Nur die Rotorplatten-Lagerelemente 24 und die Statorplatten-Lagerelemente 26 sind dargestellt, mit den Bereichen von hoher Permeabilität 28 und geringer Permeabilität 29 in diesen Platten-Lagerelementen. Offensichtlich sind die Bereiche hoher Permeabilität nicht ausgerichtet. Die Wirkung der MMF-Quelle besteht darin, zu versuchen, den Magnetfluss radial durch den Stapel von Statorplatten-Lagerelementen 24, Rotorplatten-Lagerelementen 26 und die dazwischen befindlichen Luft-Zwischenräume zu treiben. Wo Abschnitte der Bereiche von hoher Permeabilität ausgerichtet sind, stellt die ineinandergreifende Anordnung der Rotorplatten-Lagerelemente 24 und Statorplatten-Lagerelemente 26 einen Weg mit einem vergleichsweise geringen magnetischen Widerstand für den Magnetfluss bereit, und nur eine sehr kleine Nutzkraft wird zwischen dem Rotor und dem Stator erzeugt. Wo Abschnitte der Bereiche von hoher Permeabilität nicht ausgerichtet sind, ist der gesamte magnetische Widerstand des axialen Magnetwegs zwischen den beiden Enden höher, und der Magnetfluss wird gezwungen, einer „Zick-Zack"-Kurve zu folgen. 26 enthält Linien 30, die diese Zick-Zack-Kurve kennzeichnen, allgemein als Magnetfluss mit dem Bestreben radial durch den Stapel von ineinandergreifenden Rotorplatten-Lagerelementen und Statorplatten-Lagerelementen hindurchzugehen. Der Umstand, dass der Fluss durch jeden Luft-Zwischenraum unter einem Winkel hindurchgeht, bedeutet, dass dort eine gewisse nutzbare Schubspannung vorhanden ist, und die Wirkung dieser Schubspannung besteht darin, zu versuchen, den Rotor und Stator zurück in axiale Ausrichtung zu ziehen.
Die Dicke der Luft-Zwischenräume, die in dem Lager vorhanden sind, weist einen minimalen Wert auf, der von der erzielbaren Transversal-Lagegenauigkeit des Lager-Rotors 21 relativ zu dem Lager-Stator 22 bestimmt wird. Um ein wirksames Lager bereitzustellen, muss der Axialabstand zwischen Bereichen hoher Permeabilität wesentlich größer sein als die mittlere Dicke des Luft-Zwischenraums. Folglich ordnet eine erreichbare Transversal-Lagegenauigkeit wirksam eine andere untere Begrenzung an Axialabstand der Bereiche von hoher Permeabilität an. Die Verwendung von näher zueinander beabstandeten Bereichen von hoher Permeabilität ermöglicht die Realisierung eines Axiallagers mit höherer Steifigkeit, jedoch beeinflusst dies nicht in hohem Maße den Betrag der verfügbaren Axialkraft. Falls der Axialabstand relativ zu den Luft-Zwischenräumen zu klein wird, wird die verfügbare Axialkraft beeinträchtigt.
Die radialen Dicken der zylindrischen Rotorplatten-Lagerelemente 24 und der zylindrischen Statorplatten-Lagerelemente 26 weisen zwei separate untere Begrenzungen auf: Schubspannungen (τ_zθ) in den Zylindern und die Tatsache, dass diese Dicken wesentlich größer sein sollen als die radialen Dicken der Luft-Zwischenräume. Die Dicken der Statorplatten-Lagerelemente und der Rotorplatten-Lagerelemente können beträchtlich in bezug auf die axiale Position variieren. Aus Gründen betreffend das Widerstehen gegenüber Schubspannungen können die Rotorplatten-Lagerelemente an ihrer jeweiligen Basis besonders dick sein – nahe der mechanischen Plattform 25 für den Lager-Rotor 21. Das gleiche gilt für das Statorplatten-Lagerelement 26 aus denselben Gründen.
Das aktuelle MMF, die in der MMF Quelle 23 vorhanden ist, kann irgendeine von zahlreichen Formen annehmen. Oftmals kann sie eine Serie von Permanentmagneten aufweisen, die in dem Rückkehr-Weg aufgestapelt sind, entweder axial ausgerichtet in dem „zylindrischen" Teil der MMF-Quelle 23 oder radial in dem „scheibenförmigen" Teil der MMF-Quelle 23. 27 zeigt wie die MMF zufriedenstellend durch Bereitstellen von Spulen 31 gebildet werden kann, gewickelt, um einen gleichpoligen Fluss anzutreiben.
Die Bereiche von geringer Permeabilität in dem Rotor können oft als Kohlenstoff-Faser-Verbundstoffe (oder Verbundstoffe anderer Fasern) gebildet sein, um die mechanische Integrität in den Rotorplatten-Lagerelementen 24 und Statorplatten- Lagerelementen 26 zu fördern – insbesondere hinsichtlich des Widerstehens gegenüber hohen Drehzahlen.
In 23 wurde die MMF-Quelle dargestellt als eine zweiseitige Bereitstellung, insofern als dort radiale Rückkehrwege für den Magnetfluss durch die MMF-Quelle an beiden Enden des Lagers vorhanden sind. In vielen Fällen kann ein Rückkehrweg nur an einem Ende des Lagers vorhanden sein. Die Querschnitte der Bereiche von hoher Permeabilität in den Rotorplatten-Lagerelementen 24 und den Statorplatten-Lagerelementen 26 sind in den Figuren als Rechtecke dargestellt. Abhängig von der erwünschten Form der Kraft-Ablenkungskurve können diese unterschiedlich geformt sein. In 24 und 25 scheinen die Bereiche geringer Permeabilität in den Rotorplatten-Lagerelementen und den Statorplatten-Lagerelementen zu den Bereichen der hohen Permeabilität identische Abmessungen zu haben. Im allgemeinen wird dies nicht notwendigerweise der Fall sein. Ein Argument überwiegt in wenigstens einigen Fällen zur Reduzierung der Axiallängen der Bereiche von hoher Permeabilität relativ zu den Bereichen von geringer Permeabilität, um das Erfordernis für einen sehr umfangreichen Rückkehr-Weg in der MMF-Quelle zu reduzieren. In 26 ist der Schaft ein Teil des Magnetkreises. Im allgemeinen kann der Schaft einen Teil oder keinen Teil des Kreises bilden. Falls der Schaft unmagnetisch ist, muss eine innere Buchse bereitgestellt werden, um den Magnetkreis zu vervollständigen. Diese Buchse kann physikalisch entweder mit dem Rotor oder dem Stator verbunden sein. Offensichtlich ist es in wenigstens einigen Fällen sinnvoll, sie mit dem Schaft zu verbinden. Die Bereiche hoher Permeabilität, entweder in den Rotorplatten-Lagerelementen oder den Statorplatten-Lagerelementen oder beiden, können selbst aus Permanentmagnet-Material hergestellt sein, magnetisiert mit einer gleichpoligen Magnetisierung in der Radialrichtung. In derartigen Fällen kann es für die MMF-Quelle genannte Komponente notwendig sein oder nicht notwendig sein, irgendeine Nutz-MMF zu dem Magnetkreis beizutragen, wobei in diesem Fall ihre Rolle lediglich die Vervollständigung des Magnetkreises umfasst.
Spezifische Ausführungsform „C". Ein aktives Radial-Magnetlager.
28 bis 35 zeigen ein aktives Radial-Magnetlager gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Magnetlager weist vier Hauptkomponenten auf, ein Rotor-Lagerteil 33, ein Stator-Lagerteil 34, eine externe MMF-Quelle 35 und eine interne MMF-Quelle 36. In der vorliegenden Erfindung befindet sich die interne und externe MMF-Quelle in dem gleichen Bewegungsrahmen wie der Lager-Stator.
28 zeigt einen Querschnitt durch den Lager-Rotor, den Lager-Stator und die externe und interne MMF-Quelle. Dieser Schnitt ist parallel zu der Drehachse. Die gestrichelten Linien in 28 kennzeichnen die Richtung des Flusses des Magnetflusses. Die MMF-Quellen erzeugen ein 2-poliges MMF-Muster durch das Lager. Das heißt, dass bei irgendeiner gegebenen diametralen Linie unter Winkel θ die Nutz-MMF über dem Lager entlang irgendeiner derartigen diametralen Linie gemäß cos(θ + ϕ(t)) variiert, wobei ϕ(t) eine gewisse zeitabhängige Phasenverschiebung ist. In dieser Figur ist implizit eingeschlossen, dass die MMF-Quellen 35, 36 auch dazu dienen, den Magnetweg zu vervollständigen – d.h., den Magnetfluss in Umfangsrichtungen zu leiten.
29 zeigt einen Querschnitt – rechtwinkelig zu der Drehachse – durch den Lager-Rotor, den Lager-Stator und die externe und interne MMF-Quelle 35, 36. Eine Gruppe von konzentrischen Ringen ist erkennbar, mit jedem Ring, der abwechselnde Bereiche 37 von geringer relativer Permeabilität und Bereiche 38 von hoher relativer Permeabilität (ferromagnetisches Material/Verbundmaterial) aufweist. Mit den Ausnahmen der innersten und äußersten Ringe gehören alternierende Ringe in 29 zu dem Lager-Stator bzw. dem Lager-Rotor.
Der innerste Ring repräsentiert den Abschnitt durch die interne MMF-Quelle 36. Der äußerste Ring repräsentiert den Abschnitt durch die externe MMF-Quelle 35. Es sei angemerkt, dass das Detail betreffend die Wicklung in diesen MMF-Quellen in der Figur der Deutlichkeit halber ausgelassen ist. Die Aufgabe der Gestaltung einer Wicklung für die MMF-Quellen zur Erzeugung einer 2-poligen MMF ist ein perfekter Standardteil der Gestaltung/Konstruktion von elektrischen Drehmaschinen und nahezu alle Möglichkeiten, die aus der industriellen Fertigung von elektrischen Maschinen verfügbar sind, sind in den vorliegenden Fällen anwendbar.
29 kennzeichnet auch einige der Wege 39, die von dem magnetischen Fluss durch das Lager zu einem gegebenen Zeitpunkt genommen werden. Das strenge Zickzack-Muster in diesem Fluss ist unverzüglich offensichtlich, was bedeutet, dass dort eine wesentliche Luft-Zwischenraum-Schubspannung über jedem einzelnen Luft-Zwischenraum vorhanden ist, wirkend (in dem vorliegenden Fall), um den Lager-Rotor runter zu ziehen und den Lager-Stator rauf zu ziehen. (Die Linien des Magnetflusses versuchen wirksam zu glätten, um den Magnetwiderstand des Magnetwegs zu minimieren).
Wie aus 29 ersichtlich, ist dort ein sehr hoher magnetischer Widerstand vorhanden, der irgendeinen wesentlichen Fluss-Durchgang durch die obere Hälfte des Lagers zu diesem Zeitpunkt vermeidet. Der Fluss würde mehrere vollständige Bereiche von geringer Permeabilität zu durchsetzen haben, um durch diesen Bereich hindurchzugehen. Dort sind einige Wege mittleren geringen magnetischen Widerstands durch die Bodenhälfte des Lagers zu diesem Zeitpunkt vorhanden, und eine gewisse endliche Flussmenge wird hier hindurchgehen. Die Nutz-Kraftmenge zwischen Lager-Rotor und Lager-Stator, die aus diesem Fluss in der unteren Hälfte des Lagers zu diesem Zeitpunkt resultiert, wird klein sein.
30 stellt einen Querschnitt durch den Lager-Stator 34 und die beiden MMF-Quellen 35, 36 rechtwinkelig zu der Drehachse bereit. Die radiale Ausrichtung der Bereiche von hoher Permeabilität 38 an allen der Statorelemente ist dargestellt. 31 stellt einen Schnitt durch den Lager-Stator 34 parallel zu der Drehachse und diese enthaltend bereit. Dies zeigt deutlich, wie der Lager-Stator eine Anzahl von Stator-Zylindern 40 aufweist, die auf einer einzelnen mechanischen Plattform 41 befestigt sind. Die mechanische Plattform 41 des Lager-Stators 34 ist aus einem unmagnetischen Material hergestellt, so dass sie keinen magnetischen Kurzschluss für den Magnetfluss bereitstellt, der dafür vorgesehen ist, durch die Rotor- und Statorelemente hindurchzugehen.
32 stellt einen Querschnitt durch den Lager-Rotor 33 rechtwinkelig zu der Drehachse bereit. Die radiale Ausrichtung der Bereiche hoher Permeabilität 38 an allen der Rotorelemente ist dargestellt. 33 stellt einen Schnitt durch den Lager-Stator 33 parallel zu der Drehachse bereit. Dieser zeigt klar, dass der Lagerrotor 33 eine Anzahl von Rotorzylindern 42 aufweist, die auf einer einzelnen mechanischen Plattform 43 befestigt sind. Diese mechanische Plattform ist ebenfalls aus einem unmagnetischen Material hergestellt, so dass sie keinen magnetischen Kurzschluss für den Magnetfluss bereitstellt, der dafür vorgesehen ist, durch die Rotor- und Statorelemente hindurchzugehen.
Die Anzahl der Bereiche von hoher Permeabilität 38 an jedem Stator-Zylinder 40 ist die gleiche und diese Bereiche sind unter gleichen Winkelinkrementen verteilt. Im allgemeinen wird diese Anzahl mit N_S gekennzeichnet. Die Anzahl der Bereiche hoher Permeabilität 38 an jedem Rotor-Zylinder 42 ist die gleiche und diese Bereiche sind ebenfalls unter gleichen Winkelinkrementen verteilt. Im allgemeinen wird diese Anzahl mit N_R gekennzeichnet. Die beiden Anzahlen N_S und N_R unterscheiden sich um 1. In dem vorliegenden Fall gilt: N_S = 20 und N_R = 21.
Zu einem gegebenen Zeitpunkt wird dort eine Richtung vorhanden sein, wo es möglich ist, eine wesentliche Kraft zwischen dem Lager-Stator 34 und dem Lager-Rotor 33 zu erzeugen. Falls diese Richtung von dem Rahmen des Stators betrachtet wird, dreht sich diese Richtung mit einer Frequenz von N_R mal der Geschwindigkeit der relativen Drehung des Stators und Rotors. Falls diese „Richtung" von dem Rahmen des Rotors betrachtet wird, dreht sich diese Richtung mit einer Frequenz von N_S mal der Geschwindigkeit der relativen Drehung des Stators und Rotors. Folglich, falls beispielsweise der Stator der vorliegenden Erfindung stationär ist und der Rotor sich mit 100 Zyklen pro Sekunde dreht, sind dort 2100 individuelle Möglichkeiten in jeder Sekunde vorhanden, mit denen ein Impuls auf den Rotor in irgendeiner gegebenen Richtung übertragen werden kann. Durch Variation des Betrages und der Richtung des aufgebrachten MMF-Felds können sehr starke Frequenz-Kraftkomponenten in irgendeiner Richtung erzielt werden, für Frequenzen bis 1050 Hz in diesem Fall. In allgemeinen liegt die Frequenzgrenze (vor dem Aliasing) bei N_RΩ/2, wobei Ω die Schaft-Drehzahl ist.
Offensichtlich, da dieses Lager anstelle einer stetigen Kraft durch Zuführung einer Gruppe von Impulsen arbeitet, besteht eine gewisse Möglichkeit, dass Rotor- oder Statorresonanzen hervorgerufen werden könnten. Folglich ist eine sorgfältige Auswahl der Lagerstelle und Lager-Trageigenschaften zwingend notwendig. Durch korrektes Formen der Strom-Wellenformen in den MMF-Quellen kann der harmonische Inhalt der relativen Nutz-Kraft über N_RΩ/2 zu beliebig geringen Höhen reduziert werden.
Die Dicke der Luft-Zwischenräume, die zwischen den Rotor- und Statorzylindern in dem Lager vorhanden sind, weist offensichtlich einen minimalen Wert auf, der durch die zulässige transversale Falschausrichtung bestimmt wird, die das Lager voraussichtlich aufnimmt. Üblicherweise wird der kleinste Luft-Zwischenraum um vielfaches größer sein als dieser minimale Wert. Die Luft-Zwischenräume zwischen benachbarten Rotor- und Statorzylindern in dieser Ausführungsform steigen mit steigendem Radius – näherungsweise proportional.
29, 30 und 31 implizieren, dass nur 7 aktive Luft-Zwischenräume vorhanden sein können. Bei einer aktuellen Verwirklichung kann die Anzahl der Luft-Zwischenräume wesentlich größer sein. Es ist vorstellbar, dass in einigen Fällen dort wenigere Luft-Zwischenräume vorhanden sein können. Jedoch ist es in derartigen Fällen möglich, dass eine herkömmlichere Gestaltung des Lagers ein höheres Kraftpotential aufweisen könnte.
In der obigen Beschreibung ist die interne MMF-Quelle 36 aktiv bei der Bereitstellung von einigem der MMF, um den Magnetfluss durch die Rotor- und Statorzylinder zu treiben, und sie ist in dem gleichen Bewegungsrahmen fixiert wie die externe MMF-Quelle 35. Die interne MMF-Quelle muss nicht notwendigerweise irgendeine Nutz-MMF zu dem Magnetfeld in diesem Fall beitragen, sie kann sich frei mit dem Rotor drehen. Die interne MMF-Quelle kann einen einfachen Stapel von ringförmig geformten Schichten in diesen Fällen aufweisen – die nur dazu dienen, den Magnetfluss über den zentralen Abschnitt des Lagers zu leiten. Alternativ kann die externe MMF-Quelle nicht erforderlich sein, um irgendeine Nutz-MMF beizutragen, falls eine hinreichende MMF durch die interne MMF-Quelle bereitgestellt werden kann, wobei sich in diesem Fall die externe MMF-Quelle frei mit dem Rotor drehen wird. Sie könnte einen einfachen Stapel von ringförmig geformten Schichten in diesen Fällen aufweisen – die nur dazu dienen, den Magnetfluss entlang des Umfangs um das Äußere des Lagers zu leiten.
Die radialen Dicken der Rotor- und Statorzylinder 40, 42 sind in den 29, 30 und 31 so dargestellt, dass sie konstant sind, jedoch würden diese in einigen optimierten Fällen entlang der axialen Länge variieren. Da die Lagerkraft entlang der Länge zunimmt, kann manchmal ein Bedarf danach bestehen, dass die Basisbereiche der Zylinder sowohl an dem Rotor als auch dem Stator (in beiden Fällen nahe der mechanischen Plattform) radial dicker sind als die Spitzen.
Wenn die externe MMF-Quelle 35 gestaltet ist, um eine Nutz-MMF zu dem Magnetkreis beizutragen, ist es sinnvoll, diese Komponente zusammenhängend mit dem äußersten Statorzylinder zu realisieren, so dass die Bereiche von geringer Permeabilität dieses Statorzylinders durch Wicklungen besetzt sind. Ähnlich, wenn die interne MMF-Quelle 36 gestaltet ist, um eine Nutz-MMF zu dem Magnetkreis beizutragen, ist es sinnvoll, diese Komponente zusammenhängend mit dem innersten Statorzylinder zu realisieren, so dass die Bereiche von geringer Permeabilität dieses Statorzylinders durch Wicklungen besetzt sind. 34 und 35 veranschaulichen diese Fälle.
Es sei angemerkt, dass in 28 ein Rotorzylinder und kein Statorzylinder benachbart zu der internen MMF-Quelle 36 ist. Offensichtlich, wenn die interne MMF-Quelle und der innerste Statorzylinder eine zusammenhängende Einheit sind, wird kein Rotorzylinder zwischen ihnen vorhanden sein.
Spezifische Ausführungsform „D". Ein aktives Radial-Magnetlager.
36 bis 40 zeigen ein aktives Magnetlager gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Magnetlager weist vier Hauptkomponenten auf, ein Rotor-Lagerteil 50, ein Stator-Lagerteil 51 und zwei MMF-Quellen 52.
In der vorliegenden Ausführungsform verläuft die Nutz-Richtung des Magnetflusses durch das Lager in der axialen Richtung. Hierbei besteht ein Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform, wo die Nutz-Richtung des Magnetflusses rechtwinkelig zu der Achse war. In der hier beschriebenen Ausführungsform sind sowohl die MMF-Quellen identisch und sie befinden sich auch in dem gleichen Bewegungsrahmen wie der Lager-Stator.
36 zeigt einen Querschnitt durch den Lager-Rotor 50, den Lager-Stator 51 und die beiden MMF-Quellen 52. Dieser Schnitt ist parallel zur Drehachse. Die Linien in 36 kennzeichnen die Richtung des Flusses des Magnetflusses. Der Magnetkreis ist intern innerhalb der MMF-Quellen 52 vervollständigt. Die MMF-Quellen erzeugen ein 2-poliges MMF-Muster durch das Lager. Es sei angemerkt, dass der Magnetfluss axial entlang einer Seite des Lagers gedrückt wird und entlang der anderen Seite umkehrt.
Der Lager-Stator 51 weist eine Gruppe von Statorplatten-Lagerelementen 53 (38) auf, deren zentrale Flächen parallel zueinander und rechtwinkelig zu der Drehachse sind. Diese Statorplatten-Lagerelemente 53 sind scheibenförmig und weisen Abschnitte von abwechselnder hoher Permeabilität 54 und geringer relativer Permeabilität 55 auf, wie in 37 gekennzeichnet. Sie sind mechanisch durch eine gemeinsame mechanische Plattform 56 (38) zusammen verbunden. Die mechanische Plattform ist aus einem unmagnetischen Material hergestellt, um sie davor zu bewahren, den Magnetkreis kurzzuschließen. 37 zeigt ein einzelnes Statorplatten-Lagerelement, das N_S (=20 in diesem Fall) Sektoren 54 von hoher relativer Permeabilität aufweist.
Der Lager-Rotor 50 weist eine Gruppe von Rotorplatten-Lagerelementen 57 (40) auf, deren zentrale Flächen parallel zueinander und rechtwinkelig zu der Drehachse sind. Diese Rotorplatten-Lagerelemente 57 sind scheibenförmig und weisen Abschnitte von abwechselnder hoher Permeabilität 54 und geringer relativer Permeabilität 55 auf, wie durch 39 gekennzeichnet. Sie sind mechanisch durch eine gemeinsame mechanische Plattenform 58 (40) zusammen verbunden, die eine Buchse sein kann, die über einen Schaft passt, oder sie kann selbst der Schaft des Rotors der elektrischen Maschine bzw. der Drehmaschine sein. Die mechanische Plattform besteht aus einem unmagnetischen Material, um sie davor zu bewahren, den Magnetkreis kurzzuschließen. 39 zeigt ein einzelnes Rotorplatten-Lagerelement, das N_R (=21 in diesem Fall) Sektoren 54 von hoher relativer Permeabilität aufweist.
Das Arbeitsprinzip dieses Lagers ist identisch zu dem des oben in der dritten Ausführungsform beschriebenen Lagers. Zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt wird dort eine Richtung vorhanden sein, wo es möglich ist, eine wesentliche Kraft zwischen dem Stator und dem Rotor zu erzeugen. Falls diese Richtung von dem Rahmen des Stators betrachtet wird, dreht sich diese Richtung mit einer Frequenz von N_R mal der Geschwindigkeit der relativen Drehung des Stators und Rotors. Falls diese Richtung von dem Rahmen des Rotors betrachtet wird, dreht sich diese Richtung mit einer Frequenz von N_S mal der Geschwindigkeit der relativen Drehung des Stators und Rotors. Folglich, falls beispielsweise der Stator der vorliegenden Erfindung stationär ist und der Rotor sich mit 100 Zyklen pro Sekunde dreht, sind dort 2100 individuelle Möglichkeiten in jeder Sekunde vorhanden, mit denen ein Impuls auf den Rotor in irgendeiner gegebenen Richtung übertragen werden kann. Durch Variation des Betrages und der Richtung des aufgebrachten MMF-Felds können sehr starke Frequenz-Kraftkomponenten in irgendeiner Richtung erzielt werden, für Frequenzen bis 1050 Hz in diesem Fall. Im allgemeinen liegt die Frequenzgrenze (vor dem Aliasing) bei N_RΩ/2, wobei Ω die Schaft-Drehzahl ist.
Offensichtlich, da dieses Lager anstelle einer stetigen Kraft durch Zuführung einer Gruppe von Impulsen arbeitet, besteht eine gewisse Möglichkeit, dass Rotor- oder Statorresonanzen hervorgerufen werden könnten. Folglich ist eine sorgfältige Auswahl der Lagerstelle und Lager-Trageigenschaften zwingend notwendig. Durch korrektes Formen der Strom-Wellenformen in den MMF-Quellen kann der harmonische Inhalt der relativen Nutz-Kraft minimiert werden.
Die Dicke der Luft-Zwischenräume, die zwischen den Rotorplatten-Lagerelementen und Statorplatten-Lagerelementen in dieser Ausführungsform des Lagers vorhanden sind, weist offensichtlich einen minimalen Wert auf, der durch die zulässige axiale Falschausrichtung bestimmt wird, die das Lager voraussichtlich aufnimmt.
Üblicherweise wird der kleinste Luft-Zwischenraum um vielfaches größer sein als dieser minimale Wert. Die Luft-Zwischenräume zwischen benachbarten Rotorplatten-Lagerelementen und Statorplatten-Lagerelementen in dieser Ausführungsform steigen mit steigendem Radius – näherungsweise proportional. Diese Vergrößerung des Luft-Zwischenraums würde hauptsächlich durch eine entsprechende Abnahme in der axialen Dicke der Rotorplatten-Lagerelemente aufgenommen. Es kann auch eine gewisse Variation in der axialen Dicke der Statorplatten-Lagerelemente mit dem Radius vorhanden sein.
Spezifische Ausführungsform „E". Ein aktives Radial-Magnetlager.
41 bis 45 beschreiben ein Magnetlager gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Dieses Magnetlager erzielt, wie die in den anderen Ausführungsformen, eine hohe Belastbarkeit durch Herbeiführen der Existenz einer angemessenen Arbeits-Schubspannung an jedem der zahlreichen (nahezu) parallelen Luft-Zwischenräume.
Das Lager dieser Ausführungsform erzielt die notwendige Schrägheit des Flusses innerhalb der Luft-Zwischenräume durch Verwendung einer Verteilung von elektrischen Strömen in einer Schicht wenigstens an einer Seite eines jeden Luft-Zwischenraums. An der anderen Seite eines jeden Luft-Zwischenraums ist eine andere Schicht angeordnet, in der entweder eine andere Verteilung von elektrischem Strom oder eine Verteilung eines Permanentmagnet-Materials vorhanden ist. Ob nun dort eine Stromverteilung oder eine Verteilung von Permanentmagnet-Material in einer gegebenen Schicht vorhanden ist, der Nutz-Effekt besteht nichtsdestotrotz in einer Bereitstellung einer axialen MMF in der Schicht, die gemäß der Position innerhalb der Schicht variiert.
Dieses Lager weist eine zu dem Lager ähnliche Geometrie auf, das oben in der vierten Ausführungsform beschrieben wurde. Jedoch das Mittel, durch das der Magnetfluss umgeleitet wird, ist ziemlich unterschiedlich – basierend auf Permanentmagneten und Stromverteilungen, während in der vierten Ausführungsform die Umlenkung des Magnetflusses auf Bereichen von hoher ferromagnetischer Permeabilität basierte.
Das Magnetlager dieser Ausführungsform weist drei Hauptkomponenten auf, ein Rotor-Lagerteil 60, ein Stator-Lagerteil 61 und zwei externe MMF-Quellen 62 (41), die sich wieder in dem gleichen Bewegungsrahmen wie der Lager-Stator befinden.
41 zeigt einen Schnitt durch den Lager-Rotor 60, den Lager-Stator 61 und die externen MMF-Quellen 62. Dieser Schnitt ist parallel zu der Drehachse. Die Nutz-Richtung des Flusses des Magnetflusses ist axial, wie unter Verwendung von Pfeilen in 41 gekennzeichnet. Die externen MMF-Quellen 62 erzeugen ein 2-poliges MMF-Muster durch das Lager. Es sei angemerkt, dass bei irgendeiner gegebenen diametralen Linie unter einem Winkel θ, die Nutz-MMF über dem Lager entlang irgendeiner derartigen diametralen Linie zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt proportional ist zu cos(θ + ϕ) für einen gewissen Phasenwinkel ϕ, und sie ist unabhängig von der Position entlang der diametralen Linie. Die externen MMF-Quellen dienen auch dazu den Magnetweg zu vervollständigen – das heißt, den Magnetfluss in Umfangsrichtungen an den beiden Enden des Lagers zu leiten.
Der Lager-Rotor 60 weist eine Anzahl von Rotorscheiben 63 in einem Stapel auf, und der Lager-Stator 61 weist eine Anzahl von Statorscheiben 64 in einem Stapel (42) auf. Die Rotorscheiben 63 und die Statorscheiben 64 sind beides „Schichten" in dem oben angewandten Sinn und als solche weisen sie alle eine Bereitstellung für eine axiale MMF auf.
42 kennzeichnet schematisch wie das Lager eine laterale Nutz-Kraft erzielt. Linien des Magnetflusses erstrecken sich abwechselnd axial entlang der Lagerschnitt-Statorscheiben 64 und Rotorscheiben 63. Jede einzelne Statorscheibe 64 stellt ein axiales MMF-Muster bereit, das (näherungsweise) gemäß cos(θ + ϕ) variiert, wobei ϕ ein Phasenwinkel ist. Jede einzelne Rotorscheibe 63 stellt ein axiales MMF-Muster bereit, das (näherungsweise) gemäß cos(2θ + Ψ) variiert, wobei Ψ ein Phasenwinkel ist. In 42 ist ϕ zu Null gesetzt und Ψ beträgt –5°.
Eine Magnetfluss-Linie, die axial durch das Zentrum einer Statorscheibe 64 bei θ=0° hindurchgeht, wird üblicherweise versuchen, durch das (oder nahe des) Zentrums) der benachbarten Rotorscheibe 63 unter einem Winkel θ=45° hindurchzugehen, und sie wird zu der Linie θ=0° zurückkehren, wenn sie wieder durch das Zentrum einer Statorscheibe 64 hindurchgeht. Ähnlich wird eine Magnetfluss-Linie, die durch das Zentrum einer Statorscheibe 64 unter einem Winkel von θ=180° hindurchgeht, üblicherweise versuchen, durch das (oder nahe des) Zentrums) der benachbarten Rotorscheibe 63 unter einem Winkel von θ=135° hindurchzugehen, und sie wird zu der Linie θ=180°zurückkehren, wenn sie wieder durch das Zentrum einer Statorscheibe 64 hindurchgeht. Symmetriebedingt ist kein Nutz-Axialfluss in der Ebene θ=±90° vorhanden. Falls das Flussmuster von der Seite betrachtet wird, ist ersichtlich, dass alle Magnetfluss-Linien steigen, um in eine Rotorscheibe 63 einzutreten, und fallen, wenn sie aus der anderen Seite der Rotorscheibe 63 austreten. Dieses Verhalten stellt den erforderlichen Winkel in dem Magnetfluss bereit, um eine wesentliche mittlere Schubspannung bereitzustellen, die dazu neigt, alle Rotorscheiben relativ zu den Statorscheiben nach unten zu ziehen.
Diese Ausführungsform verwendet Verteilungen von Permanentmagnet-Material für die Rotorscheiben 63 und Verteilungen von Radial-Strom für die Statorscheiben 64. Magnetisches Eisen wird verwendet, um eine strukturelle Steifigkeit und Festigkeit bereitzustellen, ohne wesentlich das axiale Durchqueren von Magnetfluss zu verhindern. Das magnetische Eisen trägt nicht wesentlich zu der Umlenkung des Magnetflusses in diesem Fall bei – im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen.
Die externen MMF-Quellen 62 weisen jeweils eine gezahnte Scheibe 65 (43) und eine Gruppe von Wicklungen auf. Die gezahnte Scheibe besteht aus einem geschichteten Aufbau, umfassend entweder eine einzelne Spule aus dünnem geschichteten magnetischen Eisen, die auf eine Abflachung gewickelt ist, oder eine Gruppe von konzentrischen dünnen Zylindern, die eine sehr dünne Isolierschicht zwischen benachbarten Zylindern aufweisen. Dieser Aufbau stellt sicher, dass der abwechselnde Magnetfluss durch die gezahnte Scheibe 65 in axialen Richtungen und Umfangsrichtungen hindurchgehen kann, und zwar mit minimalen Wirbelstromverlusten. Es ist nicht von Bedeutung, dass irgendein Magnetfluss, der versucht, in einer radialen Richtung innerhalb der gezahnten Scheibe 65 hindurchzugehen, wesentlich deutlicher Wirbelstromverluste hervorruft als wenn keine derartige Komponente von Fluss erforderlich ist. 43 zeigt die gezahnte Scheibe 65 in Vorder- und Seitenansicht.
Eine einzelne MMF-Quellenspule 66 ist in 43 dargestellt, die eine Anzahl von den Zähnen verbindet. Die Anzahl von Leitern in dieser Spule und die Dicke der Isolierung auf derartigen Leitern werden beide von dem Spannungsabfall und der Strombelastung, der diese Spule ausgesetzt ist, bestimmt. Die MMF-Quellenspulen 66 sind seriell in Gruppen verbunden und diese Gruppen sind parallel in Phasen verbunden, gemäß der Standardpraxis bei der Konstruktion von scheibenförmigen elektrischen Maschinen. Die Gruppe der Wicklungen an jeder externen MMF-Quelle 62 weist mindestens zwei unabhängige Phasen auf, derart, dass ein rotierendes 2-poliges axiales Magnetfeld erzeugt werden kann. Es ist zu erwähnen, dass bei irgendeiner gegebenen geraden Linie parallel zu der Achse des Magnetlagers und lokalisiert unter einem Winkel θ und einem Radius r, reichend zwischen den beiden externen MMF-Quellen, die Nutz-MMF entlang der Linie, beitragend durch das Paar von externen MMF-Quellen, näherungsweise bestimmt wird gemäß cos(θ + ϕ) und unabhängig von dem Radius ist. Insofern ist der Winkel ϕ ein Phasenwinkel, der dahingehend gesteuert werden kann, dass er irgendeinen Wert zwischen 0 und 2π annehmen kann, in Abhängigkeit von den Werten der Phasenströme in der Gruppe von Wicklungen.
44 zeigt eine einzelne Statorscheibe 67. Jede Statorscheibe 67 trägt eine Gruppe von Statorscheiben-Spulen 68, die in einer Statorscheiben-Wicklung angeordnet sind. Die Statorscheibe ist in der axialen Richtung vergleichsweise dünn. Ihr Aufbau ist derart, dass sie den Durchgang von abwechselndem Magnetfluss in der axialen Richtung mit minimalem Wirbelstromverlusten ermöglicht. In der vorliegenden Ausführungsform besteht ihre Konstruktion aus dünnem geschichteten magnetischen Eisen, das auf eine Abflachung gewickelt ist, um eine dichte Spirale zu erzeugen. Die Statorscheibe 67 weist Zähne auf, die in jede Seite eingearbeitet sind, und die Statorscheiben-Spulen 68 sind in diese Zähne eingelegt, mit der Gruppe von Statorscheiben-Spulen 68 an einer Seite der Statorscheiben 67, die ein Spiegelbild der Statorscheiben-Spulen 68 an der anderen Seiten der Statorscheibe 67 darstellt. Die Statorscheiben-Spulen sind seriell in Gruppen verbunden und diese Gruppen sind parallel in Phasen verbunden, in einem Muster, identisch zu dem, das verwendet wird für die Wicklungen, die von den MMF-Quellen-Spulen gebildet sind.
Die Phasen einer jeden Statorscheibe 67 sind elektrisch mit den Phasen der externen MMF-Quellen 62 verbunden, derart, dass, wenn die Phasen erregt werden, die axiale Komponente der Magnetfluss-Dichte einigermaßen gleichmäßig ist mit axialer Position entlang des Magnetlagers. Falls der gesamte Lagerrotor 60 magnetisch inert war, würde der Magnetfluss innerhalb des Lagers hauptsächlich in einer axialen Richtung an nahezu jeder Position sein, und seine Verteilung würde näherungsweise durch cos(θ + ϕ) dargestellt, wobei der Winkel ϕ wieder ein Phasenwinkel ist, welcher derart gesteuert werden kann, dass er irgendeinen Wert zwischen 0 und 2π aufweist, in Abhängigkeit von den Werten der Phasenströme in der Gruppe von Wicklungen.
45 zeigt eine einzelne Rotorscheibe 69 und kennzeichnet das 4-polige Muster von axialer Magnetisierung. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Rotorscheibe eine Verteilung von Permanentmagnet-Material auf, magnetisiert in der axialen Richtung, derart, dass die Nutz-MMF, beitragend zu irgendeiner Linie des Magnetflusses, der sich axial von einer Seite der Rotorscheibe 69 zu der anderen erstreckt, variiert gemäß cos(2θ + Ψ), wobei der Winkel Ψ ein gewisser Phasenwinkel ist, der durch den Drehwinkel des Rotors gesteuert wird. An einer gewissen Referenzpositionen des Rotors gilt: Ψ = 0.
Bei irgendeiner gegebenen Winkelposition des Rotors ist es aus Gründen von 42 geradlinig, dass es möglich ist, Kräfte in zwei rechtwinkeligen Richtungen zu bilden, und zwar durch erregen der MMF-Quellen-Spulen 66 und der Statorscheiben-Spulen 68 in einer geeigneten Art und Weise.
Spezifische Ausführungsform „F". Ein passives Radial-Magnetlager.
Es wird nun eine sechste Ausführungsform beschrieben, die identisch zu der fünften, oben beschriebenen Ausführungsform ist, mit der Ausnahme, dass das erforderliche Muster axialen MMF's in den Rotorscheiben 63 erzeugt wird unter Verwendung einer Gruppe von Wicklungen in diesem Fall – im Unterschied zu der vorherigen Ausführungsform, in der Permanentmagnet-Material verwendet wurde.
Die Wicklungen auf den Rotorscheiben 63 können in ihrer Form sehr ähnlich sein zu denen auf den Statorscheiben 64, mit der Ausnahme, dass die Anzahl von Magnetpolen an den Rotorscheiben 63 sich immer unterscheiden muss von der Anzahl von Polen an den Statorscheiben (5) um ±2. Wie in der vorherigen Ausführungsform betragen die bevorzugten Polanzahlen 2 Pole für das Statorfeld und 4 Pole für das Rotorfeld. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Wicklungen an den Rotorscheiben 63 und denen an den Statorscheiben 64 besteht darin, dass die Verteilung von Axial-MMF an den Rotorscheiben nicht relativ zu den Rotorscheiben gedreht werden muss, und folglich besteht kein Bedarf an zwei oder mehr elektrischen Phasen an dem Rotor. Die Wicklungen an allen der Rotorscheiben 63 sind elektrisch miteinander verbunden, so dass jede Rotorscheibe eine ähnliche Verteilung von Axial-MMF zu allen Zeiten erzeugt.
Sowohl die fünfte als auch die sechste oben beschriebene Ausführungsform setzen voraus, dass die Haupt-Richtung von Arbeits-Magnetfluss durch das Lager axial ist, und dass die parallelen Luft-Zwischenräume daher scheibenförmige Luft-Zwischenräume sind, welche zwischen den Rotorscheiben 63 und den Statorscheiben 64 liegen. Tatsächlich ist es konzeptionell einfach, die gleiche Überlegung entwickelnd auf ein System zu übertragen, bei dem die parallelen Luft-Zwischenräume zylindrisch sind – liegend zwischen parallelen Rotor- und Statorzylindern. Die Hauptrichtung des Magnetflusses würde in diesem Fall radial sein, und die beiden MMF-Quellen würden nur einen (möglicherweise festen) Zylinder innerhalb des Rotorzylinders mit dem kleinsten Durchmesser aufweisen, und ferner einen hohlen Zylinder außerhalb des Rotorzylinders mit dem größten Durchmesser. Konzeptionell beginnt diese Formänderung durch Betrachtung, dass eine der externen MMF-Quellen 62 konisch wird und sich in ihrem mittleren Durchmesser vergrößert, wobei die Rotorscheiben 63 und die Statorscheiben 64, die innerhalb dieses ineinander stecken, auch Konusse werden, und die anderen externen MMF Quellen.
Alle Rotorscheiben 63 weisen die gleiche Anzahl N_R von Magnetpolen auf, und diese befinden sich in der gleichen Winkelorientierung für jede Rotorscheibe. Ähnlich weisen alle Statorscheiben 64 die gleiche Anzahl von Magnetpolen N_S auf, und diese befinden sich in der gleichen Winkelorientierung für jede Statorscheibe und für die externen MMF-Quellen 62. In den obigen Ausführungsformen ist N_S = 2 und N_R = 4. Jedes Paar von Polanzahlen {N_S, N_R} wird die erwünschte laterale Nutz-Kraft erzeugen, vorrausgesetzt, dass die folgenden Bedingungen eingehalten werden:
|N_R – N_S| = 2 und N_S,N_R ≠ 0
Im allgemeinen wird es vorteilhaft sein, die kleinere Polanzahl für die Statorscheiben 64 zu verwenden, und zwar für die Zwecke der Minimierung der Frequenz des abwechselnden Magnetflusses in den Statorscheiben, mit einhergehender Minimierung von Verlusten. Höhere Polanzahlen werden dazu neigen, den Anteil von Kupfer zu erhöhen, dass aktiv ist, und die Axialtiefe reduzieren, die in den gezahnten Scheiben 65 erforderlich ist. Jedoch erhöhen sie auch die Abwechslungs-Frequenz des Magnetflusses für eine gegebene Schaft-Geschwindigkeit, und sie machen auch höhere „Update"-Raten in den aktiven Steuervorrichtungen erforderlich.
Es wird gefordert, dass die Statorscheiben 64 in der Lage sein sollen, abwechselnden Magnetfluss in der axialen Richtung ohne wesentliche Verluste durchzulassen. In den obigen spezifischen Ausführungsformen wurde angegeben, dass die Statorscheiben als Rollen aus Stahl-Schichtung hergestellt sein können. Andere Konstruktionsverfahren sind auch möglich, umfassend die Verwendung eines Pulvermetallurgie-Verbundstoffs, der eine hohe Widerstandsfähigkeit aufweist, und die Verwendung eines Verbundstoff-Materials, aufweisend einen großen Anteil eines axial orientierten magnetischen Drahts.
41 sollte nicht dahingehend ausgelegt werden einzuschließen, dass der innere Durchmesser des Rotors notwendigerweise klein ist. Tatsächlich besteht keine Begrenzung bezüglich des inneren Durchmessers. Große innere Durchmesser werden gut funktionieren.
Spezifische Ausführungsform „G". Ein Linear-Magnetlager.
46 veranschaulicht ein Linearlager, in dem eine Tragvorrichtung 70, die ein erstes Lagerteil 71 aus einem Material von geringer magnetischer Permeabilität aufweist, eine Gruppe von beabstandeten rechteckförmigen Plattenelementen 72 trägt, wobei jedes Plattenelement 72 aus einer Vielzahl von abwechselnden Streifen aus ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen Material gebildet ist, die mit beabstandeten länglichen Bandelementen 75 ineinander greifen, die wieder aus einer Vielzahl von abwechselnden Streifen aus ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen Materialien gebildet sind. Die beabstandeten länglichen Bandelemente 75 sind durch ein zweites Lagerteil 74 aus einem Material von geringer magnetischer Permeabilität getragen, und die Bandelemente 75 und das zweite Lagerteil 74 bilden eine Schiene, welche die Tragvorrichtung 70 hält.
Ein Permanentmagnet 73, der einen Teil der Tragvorrichtung 70 bildet, hat Magnetfluss-Linien 76 zur Folge, welche die Zwischenräume zwischen den ineinander greifenden Elementen 72, 75 auf eine Zickzack-Weise durchsetzen, und hat magnetische Schubspannungen zur Folge, die Kräfte erzeugen, welche die Tragvorrichtung über der Schiene halten. „Seite zu Seite"-Lagerkräfte können auf eine andere Art und Weise erzeugt werden.
Es sei angemerkt, dass es bei dieser Ausführungsform zweckmäßig ist, den Magneten 73, die Quelle der MMF, nicht an dem Stator, der Schiene 74, 75, jedoch eher an dem „Rotor", d.h. der Tragvorrichtung 70 zu befestigen. Im allgemeinen ist es im Falle von Linearlagern zweckmäßig, die Hauptquelle der MMF an dem kürzeren der beiden Lagerteile zu befestigen.

Claims

Magnetlager (1,2,3; 21,22,23; 33,34,35,36; 50,51,52; 60,61,62), wobei ein jedes von einem ersten (5;25;41;56,71) und zweiten (7;27;43;58;74) Lagerteil eine Gruppe von Lagerelementen (4,6;24,26;40,42;53,57;63,64;72,75) trägt, und wobei die Lagerelemente der Gruppe, die von dem ersten Teil getragen werden, mit den Lagerelementen der Gruppe ineinander greifen, die von dem zweiten Teil getragen werden, um mindestens sechs im wesentlichen parallele Durchlass-Zwischenräume (11) zwischen den aufeinanderfolgenden Elementen zu bilden, so dass infolge von magnetischen Schubspannungen, die über den Zwischenräumen wirken, Lagerkräfte entstehen können, wobei das Lager derart angeordnet ist, dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien (10;30;39;76) entstehen kann, welche die Durchlass-Zwischenräume (11) unter einem Winkel zu der Normalen der Oberflächen der Lagerelemente durchsetzt, welche die Durchlass-Zwischenräume (11) bilden, so dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien dazu veranlasst wird, einem Zickzack-Weg zu folgen, während sie durch die ineinander greifenden Lagerelemente hindurchgeht.
Magnetlager nach Anspruch 1, wobei das Lager ein aktives Lager ist und jedes der Lagerelemente eine Scheibe ist, die eine leitende Wicklung trägt, die derart angeordnet ist, dass sie den Fluss eines elektrischen Stroms ermöglicht, um den Weg des Magnetflusses über mindestens einen der Durchlass-Zwischenräume (11) zu beeinflussen.
Magnetlager nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Quelle (3;23;35;36;52;62;73) einer magnetomotorischen Kraft derart angeordnet ist, dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien entsteht, welche die Durchlass-Zwischenräume (11) durchsetzt, und wobei mindestens der Hauptanteil der Lagerkraft infolge von magnetischen Schubspannungen entsteht, die über diesen Durchlass-Zwischenräumen (11) wirken.
Magnetlager nach Anspruch 1, wobei die Quelle(n) (3;23;35;36;52;62;73) einer magnetomotorischen Kraft derart angeordnet ist bzw. sind, dass eine einzelne Gruppe von Flusslinien (10;30;39;76) entsteht, welche die Durchlass-Zwischenräume (11) durchsetzen, und wobei mindestens der Hauptanteil der Lagerkraft infolge von magnetischen Schubspannungen entsteht, die über der Gruppe von Durchlass-Zwischenräumen (11) wirken.
Magnetlager nach Anspruch 4, wobei im wesentlichen alle Durchlass-Zwischenräume (11) in der Gruppe enthalten sind.
Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, wobei elektrisch leitendes Material innerhalb eines oder mehrerer der ineinander greifenden Lagerelemente angeordnet ist, um den Fluss von elektrischen Strömen zu ermöglichen, um so den Weg des Magnetflusses über mindestens einen Durchlass-Zwischenraum (11) zu beeinflussen.
Magnetlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Permanentmagnet-Material innerhalb mindestens eines der ineinander greifenden Lagerelemente verteilt ist, um den Weg des Magnetflusses über mindestens einen Durchlass-Zwischenraum (11) zu beeinflussen.
Magnetlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein ferromagnetisches Material musterartig innerhalb mindestens eines der ineinander greifenden Lagerelemente angeordnet ist, derart, dass der magnetische Widerstand, den eine Magnetfluss-Linie erfährt, die sich von einer Seite des Lagerelements bzw. der Lagerelemente zu der anderen erstreckt, eine feste Funktion der Lage der Flusslinie ist; wobei diese Abhängigkeit des magnetischen Widerstands von der Lage dann dazu dient, den Weg des Magnetflusses über mindestens einen Durchlass-Zwischenraum (11) zu beeinflussen.
Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 8, wobei das Lager ein aktives Lager (33,34,35,36;50,51,52;60,61,62) ist.
Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, wobei das Lager ein passives Lager (1,2,3;21,22,23) ist.
Magnetlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Lager als ein Drehlager (1,2,3;21,22,23;33,34,35,36;50,51,52;60,61,62) ausgebildet ist.
Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Lager als ein Linearlager ausgebildet ist.
Magnetlager nach Anspruch 11, wobei die ineinander greifenden Elemente (4,6;53,57;63,64) des ersten (5;56) und des zweiten (7;58) Lagerteils ringförmige Scheiben sind, die rechtwinkelig zu der Drehachse befestigt sind.
Magnetlager nach Anspruch 11, wobei die ineinander greifenden Elemente (24,26;40,42) des ersten (25;41) und zweiten (27;43) Lagerteils Zylinder sind, die koaxial zur der Lagerdrehachse befestigt sind.
Magnetlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eines der Lagerteile (7;25;41;56;71) ein ineinander greifendes Element (6;24;40;53;72) mehr aufweist als das andere (5;27;43;58,74).
Verfahren zur Erzeugung von Lagerkräften in einem Lager, das zwei Lagerteile (5,7;25;27;41,43;56,58;71,74) aufweist, wobei jedes eine Gruppe von Lagerelementen (4,6;24,26;40,42;53,57;63,64;72,75) trägt, umfassend: Anordnen der Lagerteile derart, dass die Lagerelemente (4;24;40;53;63;72) der Gruppe, die von einem Lagerteil (5;25;41;56,71) getragen werden, mit den Lagerelementen (6;26;42;57;64;75) der Gruppe ineinander greifen, die von dem anderen Lagerteil (7;27;43;58;74) getragen werden, um mindestens sechs im wesentlichen parallele Durchlass-Zwischenräume (11) zwischen aufeinanderfolgenden Elementen zu bilden, so dass infolge von magnetischen Schubspannungen, die über diesen Zwischenräumen (11) wirken, Lagerkräfte entstehen können, wobei das Lager derart angeordnet ist, dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien (10;30;39;76) entstehen kann, welche die Durchlass-Zwischenräume (11) unter einem Winkel zu der Normalen der Oberflächen der Lagerelemente durchsetzt, welche die Durchlass-Zwischenräume (11) bilden, so dass mindestens eine Gruppe von Flusslinien dazu veranlasst wird, einem Zickzack-Weg zu folgen, während sie durch die ineinander greifenden Lagerelemente hindurchgeht.
Verfahren nach Anspruch 16, umfassend den weiteren Schritt des Bereitstellens einer magnetomotorischen Kraft, derart, dass die Flusslinien die Durchlass-Zwischenräume (11) durchsetzen, wobei mindestens der Hauptanteil der Lagerkraft infolge von magnetischen Schubspannungen entsteht, die über den Durchlass-Zwischenräumen (11) wirken.