DE69002137T2

DE69002137T2 - Magnetische lager.

Info

Publication number: DE69002137T2
Application number: DE90202036T
Authority: DE
Inventors: Nigel Henry New
Original assignee: Glacier Metal Co Ltd
Current assignee: Federal Mogul Engineering Ltd
Priority date: 1989-08-04
Filing date: 1990-07-25
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2010-07-26
Also published as: JPH0369821A; GB2239295B; GB2239295A; US5072146A; EP0411697A1; GB8917877D0; DE69002137D1; EP0411697B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetlager, wobei es sich entweder um Axial-Magnetlager (US-A-3 860 300) zur Aufnahme von Axiallasten oder um Radial-Magnetlager (US-A-4 245 869) handelt.
Ein Problem bei bekannten Magnetlagern besteht darin, daß die Spule jedes vorgesehenen Elektromagneten zumindest teilweise durch den ferromagnetischen Kern des Elektromagneten umschlossen ist, möglicherweise nur die Fläche der Spule, die mindestens im wesentlichen in derselben Ebene wie die freiliegenden Polflächen liegt, die durch den freigelegten Kern ausgebildet werden. Innerhalb der Spule wird unvermeidlich Wärme erzeugt und die Temperaturen der Spule und von benachbarten Teilen des Elektromagneten steigen bei Gebrauch an. Da die Spule nahe beim Kern des Elektromagneten angebracht ist, ist es schwierig, Wärme von der Spule abzuführen. Üblicherweise hat das Material des ferromagnetischen Kerns nur einen mäßigen Wärmeleitkoeffizienten, so daß die durch den relativ massiven, angrenzenden Kern von der Spule abgeführte Wärmerate gering ist. Folglich kann bei bekannten Konstruktionen von Magnetlagern der in der Spule fließende Strom und der Druck, den der Elektromagnet erzeugen kann, begrenzt sein, um einen unerwünschten Temperaturanstieg innerhalb der Spule und benachbarter Teile des Elektromagneten zu vermeiden. Der elektrische Widerstand einer Spule erhöht sich bei jedem Temperaturanstieg der Spule, wobei jede solche Widerstandserhöhung unerwünscht ist.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Magnetlager-Anordnung zur Verfügung zu stellen, bei der Wärme von der Spule jedes Elektromagneten in größerem Maß als bei einer herkömmlichen, entsprechenden Magnetlager-Anordnung abgeführt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Magnetlager-Anordnung mit wenigstens einem Elektromagneten, der mindestens eine Spule und einen ferromagnetischen Kern beinhaltet, wobei die Spule zumindest teilweise vom Kern umschlossen wird, ein Teil aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten auf, das an die Spule angrenzt sowie einen freiliegenden Abschnitt hat und so angeordnet ist, daß Wärme von Teilen der Spule, die an den Kern angrenzen, weg zum freiliegenden Abschnitt des Teils hingeleitet wird.
Am freiliegenden Abschnitt des Wärmeleitteils wird Wärme wirksam durch Belüftung oder durch eine Luftströmung, die innerhalb des das Magnetlager enthaftenden Geräts erzeugt wird, abgeführt, wenn das Gerät im Einsatz ist. Wegen des Vorhandenseins des an die Spule angrenzenden Wärmeleitteils wird innerhalb der Spule erzeugte Wärme in großem Umfang entfernt und die Temperatur der Spule und benachbarter Teile des Elektromagneten steigt nicht so stark wie bei einer herkömmlichen, entsprechenden Magnetlager-Anordnung an.
Es ist erforderlich, daß das Wärmeleitteil einen hohen Wärmeleitkoeffizienten hat, der größer als 0,45 cal pro cm sec ºC ist und vorzugsweise 0,90 cal pro cm sec ºC beträgt. Vorteilhafterweise besteht das Wärmeleitteil aus Kupfer. Es ist wesentlich, daß das Material des Wärmeleitteils nicht ferromagnetisch ist.
Es ist wünschenswert, daß das Wärmeleitteil ein Einsatzstück innerhalb der Spule umfaßt das möglicherweise die Spule im wesentlichen halbiert.
Zusätzlich oder alternativ weist der freiliegende Abschnitt des Wärmeleitteils eine ausgedehnte Fläche auf, von der Wärme abgeführt werden soll. Das Wärmeleitteil kann eine ausgedehnte Fläche haben, die sich über der ansonsten freiliegenden Fläche der zugeordneten Spule erstreckt. Alternativ kann das Wärmeleitteil für jede Spule eine ausgedehnte Fläche aufweisen, die radial zur Welle und parallel zum und mit Abstand vom ferromagnetischen Kern verläuft.
Jede Spule einer Magnetlager-Anordnung kann eine Mehrzahl von an sie angrenzenden Wärmeleitteilen aufweisen, die mit zwischen ihnen radial verlaufenden Spalten angeordnet sind. An jede Spule können zwei Wärmeleitteile angrenzen, von denen jedes einen Abschnitt umfaßt, der an die Spule angrenzt und sich im wesentlichen um eine Hälfte der Spule herum erstreckt, wobei dort zwei radial verlaufende Spalte zwischen den zwei Teilen vorhanden sind und jedes Teil einen freiliegenden Abschnitt aufweist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun nur zur Erläuterung Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von denen
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Magnetlager für Axialbelastung nach dem Stand der Technik zeigt das Axialkräfte in beiden möglichen Richtungen längs der Wellenachse aufnehmen kann;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch das Axial-Magnetlager der Fig. 1 darstellt, wobei dieses entsprechend der vorliegenden Erfindung abgeändert wurde, so daß ein Wärmeleitteil in die Spule jedes Elektromagneten eingelassen ist;
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch ein Teil eines Radial-Magnetlagers aus dem Stand der Technik wiedergibt;
Fig. 4 einen Schnitt längs Linie IV-IV in Fig. 3 darstellt und eine Spule sowie ein Polstück des bekannten Magnetenlagers zeigt;
Fig. 5 der Fig. 4 entspricht und eine Modifikation des Radial-Magnetlagers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei dort zwei beabstandete Wärmeleitteile in die Spule eingelassen sind;
Fig. 6 eine Perspektivansicht der zwei Wärmeleitteile aus Fig. 5 in der Anordnung zeigt, die sie einnehmen, wenn sie in der Spule sind, und
Fig. 7 eine Perspektivansicht einer Spulenkomponente und des zugehörigen Teils eines ferromagnetischen Kerns des modifizierten Radial-Magnetlagers zur Darstellung der Anordnung eines der Wärmeleitteile in bezug auf den Kern zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1, in der ein herkömmliches Magnetlager für Axialbelastungen allgemein mit 10 bezeichnet ist, umfaßt die Lager-Anordnung eine Welle 11, die entweder durch herkömmliche mechanische (nicht gezeigte) Achslager oder durch (nicht dargestellte) Radial-Magnetlager abgestützt wird. Die Welle weist eine Rotorscheibe 12 auf, die am Wellenende dargestellt ist, aber in einer Zwischenlage an der Welle angeordnet sein kann. Ferner sind zwei stationäre ringförmige Elektromagneten 13 und 14 dargestellt. Die Magnete 13 und 14 weisen gleiche Polseitenflächen 15, 16 und 17, 18, die durch einen ferromagnetischen Kern ausgebildet werden, zusammen mit Ringspulen 19, 20 auf. In Richtung des Pfeiles wird eine äußere Axiallast "L" auf die Welle aufgebracht. Ein Sensor 21 für die Axiallage stellt die Axiallage der Rotorscheibe 12 fest und über ein bekanntes (nicht gezeigtes) Steuersystem wird der Strom zur Spule 19 des Elektromagneten 13 so variiert, daß der Abstand 22 zwischen der Rotorfläche 23 und der Fläche 24 des Elektromagneten 13 im wesentlichen konstant bleibt. Der zweite Elektromagnet 14 kommt nur dann zum Einsatz, wenn die Richtung der aufgebrachten Axiallast aus irgendwelchen Gründen umgedreht wird. Üblicherweise besteht der die Polstücke ausbildende ferromagnetische Kern aus Stahl und weist einen Wärmeleitkoeffizienten von ungefähr 0,1 cal pro cm sec ºC auf.
Fig. 2 zeigt das Magnet-Axiallager der Fig. 1, das entsprechend der vorliegenden Erfindung in einer Weise abgeändert ist, die den Nachteil der geringen Wärme-Abführungsrate aus den Spulen der Elektromagneten der bekannten Anordnung überwindet. Der Wärmeabzug aus den Spulen der bekannten Anordnung ist gering, weil die Spulen durch die Kerne der Elektromagneten im wesentlichen umschlossen werden und weil der die Spulen bildende Draht mit einer elektrischen Isolierung bedeckt ist, die üblicherweise auch einen guten Wärmeisolator enthält.
Teile der Magnetlager-Anordnung 30 aus Fig. 2, die mit Teilen der Magnetlager-Anordnung 10 aus Fig. 1 identisch sind oder diesen sehr nahekommen, sind mit denselben Bezugsnummern in beiden Figuren bezeichnet.
Jedoch sind die Elektromagneten 33 und 34 der Magnetlager-Anordnung 30 von Fig. 2 abgeändert, in dem sie ein ringförmiges Teil 35 aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten, z.B. Kupfer, aufweisen, das in jede Spule 36 bzw. 37 der Elektromagneten 33 und 34 eingesetzt ist. Jedes ringförmige Wärmeleitteil 35 halbiert im wesentlichen die zugeordnete Spule 36 oder 37. Jede ringförmige Spule 36 oder 37 kann radial verlaufende innere und äußere Spulenkomponenten enthalten, die zusammen die einzelne gewünschte Spule ausbilden. Jedes Teil 35 verläuft über die Breite der zugeordneten Spule längs der (nicht dargestellten) Achse der Welle und weist einen freiliegenden Abschnitt 40 an der ansonsten freiliegenden Fläche der Spule auf, die zumindest im wesentlichen in derselben Ebene wie die Flächen 15 und 16 der Pole des Elektromagneten liegt. Der freiliegende Abschnitt 40 des Wärmeleitteils 35 weist eine ausgedehnte Fläche auf, die sich über der ansonsten freiliegenden Fläche der Spule erstreckt.
Beim Betrieb des das Magnetlager enthaltenden Geräts wird eine Belüftung oder eine Luftströmung erzeugt und diese strömt unweigerlich über die einander gegenüberliegenden Flächen innerhalb des Magnetlagers und insbesondere über die ausgedehnte Fläche, die durch den freiliegenden Abschnitt 40 des Wärmeleitteils 35 ausgebildet wird. Auf diese Weise wird Wärme wirksam aus der Spule 36 oder 37 abgeführt und die Temperaturen der Spulen sowie benachbarter Teile der Elektromagneten sind geringer als es sonst der Fall sein würde.
Es ist erforderlich zu gewährleisten, daß das Wärmeleitteil 35, das üblicherweise auch aus einem gut elektrisch leitendem Material besteht, nicht unbeabsichtigt eine kurzgeschlossene Windung im zugeordneten magnetischen Kreis bildet. Aus diesem Grund weist das Wärmeleitteil 35 zwei beabstandete (nicht dargestellte) Teile auf, um Induktionsstromkreise zu verhindern.
Wo es in dieser Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen geeignet ist, kann man eine solche Kombination einer Mehrzahl von getrennten Wärmeleitteilen für eine Spule entweder als ein einzelnes Wärmeleitteil oder als eine Mehrzahl von Wärmeleitteilen in Betracht ziehen.
Wie die bekannte Axialmagnet-Anordnung von Fig. 1 umfaßt deren in Fig. 2 dargestellte, der vorliegenden Erfindung entsprechende Abänderung ein bekanntes Steuersystem, das einen Sensor für die Axiallage und eine geschlossene Regelungs-Schaltungsanordnung mit Rückführung zur Steuerung der den Elektromagneten zugeführten Energie verwendet, um einen im wesentlichen konstanten Abstand zwischen jeder Polfläche eines Elektromagneten und der zugehörigen Axialfläche des Rotors zu gewährleisten.
Fig. 3 zeigt einen Quadranten einer bekannten Form eines Magnet-Radiallagers 50 und insbesondere zwei benachbarte Spulen 51 des Lagers, wobei jede Spule ein Polstück 52 umschließt das einstückig mit dem Haupfteil 53 eines ferromagnetischen Kerns ausgebildet ist. Zusätzlich dazu, daß jede Spule 51 an das zugeordnete Polstück 52 angrenzt, grenzt sie auch an den Hauptteil 53 des Kerns an und ist so teilweise vom Kern umgeben.
Das Magnet-Radiallager 50 wird durch ein geeignetes Steuersystem so gesteuert, daß ein konstanter Abstand zwischen der mit dem Lager verbundenen (nicht dargestellten) Welle und jeder freiliegenden Elektromagnet-Polfläche des Lagers gehalten wird.
Ein Schnitt längs der Linie IV-IV aus Fig. 3 ist in Fig. 4 dargestellt und zeigt, daß ein Polstück 52 im Querschnitt als massives Quadrat ausgebildet ist und daß die zugeordnete Spule 51 im Querschnitt die Form eines Hohlquadrats aufweist.
Das Magnet-Radiallager 50 aus den Figuren 3 und 4 ist in den Figuren 5 und 7 in erfindungsgemäß abgeänderter Form dargestellt. Insbesondere sind zwei Wärmeleitteile 54, die aus Kupfer bestehen und vollständig in Fig. 6 dargestellt sind, in jede Spule 51 des Lagers eingesetzt. In Fig. 6 sind die zwei Wärmeleitteile 54 in der Bezugslage dargestellt, die sie zueinander haben, wenn sie in die Spule 51 eingesetzt sind. Jedes Wärmeleitteil 54 hat einen Abschnitt 56 mit einem "U"-Querschnitt, einen Abschnitt 57 in Form eines Kreissektors, der in derselben Ebene wie der Bodenteil des Abschnitts 56 mit dem "U"- Querschnitt liegt und sich auf einer Seite des Bodenteils erstreckt, und ferner einen rechteckigen Abschnitt 58, der auch in derselben Ebene wie der Bodenteil des Abschnitts 56 mit "U"-Querschnitt liegt, sich aber auf der dem sektorförmigen Abschnitt 57 gegenüberliegenden Seite des Bodenteils erstreckt. Nur die Abschnitte 56 mit "U"-Querschnitt werden in die Spule 51 eingesetzt die beiden anderen Abschnitte 57 und 58 jedes Wärmeleitteils 54 ragen auf beiden Seiten der Spule 51 hervor und liegen außerhalb der Spule frei.
Zusammen bilden die Abschnitte 56 mit "U"-Querschnitt der zwei Wärmeleitteile 54 als Querschnitt fast ein Hohlquadrat aus. Beim Aktivieren der Spule wird eine Induktion von Wirbelströmen in den Teilen 54 dadurch verhindert, daß zwischen den zwei Wärmeleitteilen 54 beim Einsetzen in die Spule 51 Spalte 59 gelassen werden, die radial zur Welle verlaufen.
Wie in Fig. 7 dargestellt, verläuft, wenn die Wärmeleitteile 54 in die Spule eingesetzt sind und die Spule ein Polstück 52 umschließt, der sektorförmige Abschnitt 57 jedes Wärmeleitteils, der radial zur Welle verläuft, parallel zu, aber mit Abstand von einer Hauptfläche 60 des Hauptteils 53 des ferromagnetischen Kerns. Auf diese Weise kommt es bei Betrieb des Lagers zu einem Luftstrom über beide Hauptflächen jedes sektorförmigen Abschnitts 57, was dort eine hohe Wärmeabführrate aus dem Teil 54 hervorruft. In ähnlicher Weise verläuft der rechteckförmige Abschnitt 58 jedes Wärmeleitteils 54 parallel zu, aber mit Abstand von einer, nicht gezeigten, Hauptfläche des äußeren Teils des zugeordneten Polstücks 52, was zusätzlich die Wärmeabfuhr aus dem Teil erleichtert.
Das Steuersystem für das geänderte Magnet-Radiallager der Figuren 5 bis 7 ist dasselbe wie das für das bekannte Magnet-Radiallager aus den Figuren 3 und 4.
Die erhaltene(n) Wärmeleitteil(e) könnte(n) auch nur an die zugeordnete Spule angrenzen, wobei jedes solches Teil kein Einsatzstück in der Spule aufweist.
Das oder jedes Wärmeleitteil kann aus jedem geeigneten nicht-ferromagnetischen Material bestehen.
Die Anordnung kann so gewählt sein, daß der freiliegende Abschnitt des oder jedes Wärmeleitteils keine ausgedehnte Fläche benötigt um Wärme aus der zugeordneten Spule mit einer gewünschten Rate abzuführen.

Claims

1. Magnetlager-Anordnung (30, 50) mit wenigstens einem Elektromagneten, der mindestens eine Spule (19, 51) und einen ferromagnetischen Kern aufweist, wobei die Spule (19, 51) zumindest teilweise vom Kern umschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil (35, 54) aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten vorhanden ist, das an die Spule (19, 51) angrenzt sowie einen freiliegenden Abschnitt (40,57) aufweist und das (35, 54) so angeordnet ist, daß es Wärme von Teilen der Spule (19, 51), die an den Kern angrenzen, weg zum freiliegenden Abschnitt (40, 57) des Teils (35, 54) hin leitet.

2. Magnetlager-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitteil (35, 54) ein Einsatzstück im Innern der Spule (19, 51) umfaßt.

3. Magnetlager-Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der freiliegende Abschnitt (40) des Wärmeleitteils (35) über der ansonsten freiliegenden Fläche der zugeordneten Spule (19) erstreckt.

4. Magnetlager-Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Spule (51) der freiliegende Abschnitt (57) des Wärmeleitteils radial und parallel zum sowie mit Abstand vom ferromagnetischen Kern verläuft.

5. Magnetlager-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Spule (19, 51) eine Mehrzahl von Wärmeleitteilen (35, 54) angrenzen, die mit zwischen ihnen radial verlaufenden Spalten angeordnet sind.

6. Magnetlager-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an jede Spule (51) zwei Wärmeleitteile (54) angrenzen und daß jedes Teil (54) einen Abschnitt aufweist, der an die Spule angrenzt und sich im wesentlichen um eine Hälfte der Spule (51) herum erstreckt.

7. Magnetlager-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Wärmeleitteil (35, 54) aus Kupfer besteht.