DE69109296T2 - Magnetische lager. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft magnetische Lager und ist insbesondere beschäftigt mit Axialdrucklagern zum Gebrauch in Verbindung mit drehenden Wellen.
• Es ist wohl bekannt, eine drehbare Welle mittels eines magnetischen Lagers zu stützen. Es ist ebenfalls bekannt, die axiale Versetzung solch einer Welle mittels eines magnetischen Axialdrucklagers zu steuern, im Gegensatz zu einem konventionellen Axialdruckgang. Ein magnetisches Axialdrucklager umfaßt einen Rotor, welcher auf der drehbaren Welle befestigt ist, deren axiale Versetzung zu regeln ist, und zumindest ein befestigtes Statorelement, welches an der zugeordneten Hardware befestigt ist. Das Statorelement hat mit sich zugeordnete energiezuführende Windungen bzw. Wicklungen, wobei die Positionssteuerungskraft typischerweise unter der Steuerung von elektronischen Erfassungs/Positionierschaltkreisen generiert und geregelt wird. Es ist üblich, die Rotorkomponente aus festen Eisenbasislegierungen herzustellen, und dasselbe Material kann verwendet werden für das Statorelement oder die Elemente. Dies ist annehmbar, wo die Axialdrucklast praktisch statisch ist und die Flußveränderungsrate keinen signifikanten Faktor darstellt.
• Dauermagnetkomponenten sind jedoch unerwünscht bzw. ungeeignet bei dynamischen Lastveränderungen, begleitet durch eine hohe Veränderungsrate des Flusses wegen der entwickelten Wirbelströme. Diese resultieren in hohem Kraftverlust und sehr beachtlicher Erhitzung der Lagerkomponenten. Dementsprechend wird für solche Anwendungen eine Laminat- bzw. Schichtkonstruktion bevorzugt.
• Aus der FR-A-2,574,880 ist bekannt, ein Statorelement eines Magnetlagers aus Schichten von geeignetem magnetischen Material zu bilden. Die Schichten weisen individuelle gleichförmige Dicken auf und sind in parallelseitige Stapel oder Klötze zusammengeführt, wobei die Stapel um die Rotationsachse eines zugeordneten Rotors angeordnet sind. Es wird verstanden werden, daß auch, wenn jeder Stapel mit benachbarten Schichten magnetisch effizient ist, Lücken zwischen den Klötzen bestehen, welche sich in der umfänglichen Breite bzw. Weite erhöhen, bei einer Erhöhung des radialen Abstandes von der Rotationsachse. Der Rotor ist ein homogener Körper und wird nicht durch die Lücken bzw. Hohlräume in einer magnetischen Kupplung beeinflußt (in der umfänglichen Richtung) bezüglich jeglicher besonderen umfänglichen angenommenen Positionen durch den Rotor eingenommen, obwohl solch ein Rotor Wirbelströmen darin unterliegt.
• Wenn es gewünscht ist, die Wirkungen von Rotorwirbelströmen zu reduzieren, ist der Rotor bevorzugt ebenfalls beschichtet.
• Aber wenn eine solche Konstruktion wirksam sein soll, sind einfache radial ausgerichtete Schichten unbefriedigend, wegen der Reduktion des magnetischen Oberflächenbereiches in der radial progressiven auswärtigen Richtung. Es wird angemerkt werden, daß eine typische Schichtdicke in der Grössenordnung von 0,1 bis 0,25 mm liegt. Keilförmige Schichten sind keine zufriedenstellende Lösung aufgrund dieser Tatsache. Eine vorgeschlagene Lösung ist es, den Durchmesser der zusammenwirkenden Komponenten zu erhöhen, obwohl dies nicht wirklich die weiteren Probleme angeht, welche entstehen, wenn die jeweiligen Rotor- und Statorschichten nicht an ihrer äußeren Peripherie miteinander ausgerichtet sind. Wo keine Ausrichtung ist, wird ein hohes Widerstreben bzw. ein hoher Widerstand vorhanden sind, während bei einer Ausrichtung ein geringer Widerstand auftritt. Der Gesamteffekt ist entweder eine schnelle Veränderung, welche zu höheren Windungsbzw. Wickel- bzw. Spulverlusten führen oder die Erzeugung von Hochfrequenzübergängen in den Windungen bzw. Wicklungen.
• Es ist ein Ziel dieser Erfindung, diese Probleme zu minimieren.
• Gemäß dieser Erfindung ist ein Satz von geschichteten Stator- und Rotorkomponenten für ein magnetisches Axialdrucklager vorgesehen, wobei jede Komponente eine Vielzahl von Schichten umfaßt, welche generell radial gerichtet sind zu einer Nabe oder einer anderen Stütze bzw. Auflage, welche eine Rotationsachse einer Welle umgibt, welche durch das Lager in einer radialen Entfernung bzw. Beabstandung angeordnet ist, deren Füße bzw. Fußpunkte sich an der Nabe entlang der Richtung der Achse erstrecken, und welche radial entfernt von den Wurzeln progressiv gedreht bzw. verdreht sind relativ zu der Achsenrichtung derart, daß in einer umfänglichen Richtung die effektive Breite einer jeden Schicht an einer gegebenen radialen Entfernung von dem Fuß nicht geringer ist als eine Teilung zwischen ihr und einer benachbarten Schicht in dieser Entfernung.
• Durch ein progressives Drehen der einzelnen Schichten um ihren Befestigungspunkt an einer zentralen bzw. Mittelnabe oder anderen Stützung, welche die Rotationsachse der Welle umgibt, wird die Lücke zwischen ihnen, bei ansteigender radialer Entfernung von der Achse, enthalten und kann gegen Anwachsen geschützt werden, ohne ein Anwachsen ihrer Dicke. In anderen Worten, die effektive Fläche bzw. der effektive Bereich von Metall, wie es in axialer Richtung gesehen wird, ist maximiert im Gegensatz zu dem, was durch radial ausgerichtete flache Schichten erreicht wird. Bevorzugt sind die Schichten des Statorelementes in der entgegengesetzten Richtung verdreht zu jenen des Rotors, um ihre gegenseitige Ausrichtung im Gebrauch zu erhöhen.
• Damit die Erfindung besser verstanden wird, wird nun eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei:
• Figuren 1, 2 und 3 Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik darstellen, und
• Figur 4 und Figuren 4A bis 4D die vorliegende Erfindung erläutern.
• Figur 1 ist eine Seitenansicht eines Ganzmetallaxialdruckringes 1. Im Gebrauch wird er auf einer zentralen Welle 2 befestigt und zwischen einem Paar von entsprechend geformten Statorelementen angeordnet, welche mit energiezuführenden Windungen bzw. Wicklungen (nicht gezeigt oder im weiteren behandelt) versehen sind. Die Statorelemente sind in diesem Fall ebenfalls aus Vollmetall und mit ringförmigen Aushöhlungen bzw. Aussparungen für die Wicklungen versehen. Solch eine Anordnung kann verwendet werden für Leichtlastanwendungen, insbesondere dort, wo stabile bzw. konstante und relativ geringe axiale Axialdruckkräfte erzeugt werden.
• Figur 2 zeigt einen einfachen beschichteten Axialdruckring 2 entsprechend zu Figur 1, jedoch mit einer Vielzahl von radialen Schichten 3, welche gestützt sind durch eine zentrale Nabe 4. Es wird angemerkt, daß die radial äußersten Spitzen bzw. Enden dieser Schichten getrennt sind durch generell dreieckige Lücken 5, welche in der Praxis mit einem magnetisch inerten Material gefüllt werden, wie z.B. Epoxy oder Phenolharzzusammensetzungen.
• Figur 3 stellt dar, wie der Ring von Figur 2 im Umfang anwachsen müßte, um denselben effektiven magnetischen Bereich zu erreichen, wie der des festen bzw. Körperringes von Figur 1. Nachdem nur der Durchmesser verändert ist, wurden dieselben Bezugszeichen wie in Figur 2 verwendet.
• Figur 4 ist eine Aufsicht eines Bestandteiles bzw. einer Komponente des Satzes gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein geschichteter bzw. beschichteter Axialdruckring gezeigt ist, in Relation mit einer Nabe, welche eine Welle für eine Rotorkomponente ist oder die Welle für eine Statorkomponente umgibt. Der Ring hat per se eine Ebene, die sich senkrecht zu der Achse der Wellenrotation erstreckt. Details der Komponentenstruktur sind in den Figuren 4A bis 4D gezeigt.
• Figur 4A ist eine Ansicht entland der Rotationsachse in der Art der Figuren 1 bis 3, wobei eine Seitenansicht der Nabe und des beschichteten Ringes und den radialen Beziehungen zwischen ihnen gezeigt ist.
• Figuren 4B bis 4D inklusive sind Schnittansichten des beschichteten Ringes von Figur 4A, aber gesehen bei unterschiedlichen radialen Versetzungen von der Rotationsachse.
• Bezugnehmend ebenfalls auf Figur 4B, ist dort eine einzelne Schicht 10 gezeigt, welche eine von einer Vielzahl von Schichten repräsentiert, welche um die Rotationsachse angeordnet sind, um den Ring zu umfassen. Die (und jede) Schicht ist parallelseitig und von gleichförmiger Breite t, zwischen den Seiten. Die Schicht erstreckt sich generell radial bezüglich zu der Rotationsachse von einem Fuß bei einer radialen Entfernung Ra von der Achse der Wellenrotation und des Fußes der Ebene, wobei sich die Schicht entlang der Richtung der Achse erstreckt.
• Folglich ist in Figur 4B, bei einer radialen Entfernung Ra (in Figur 4A als Rs gezeigt), die Breite der Schicht (in einer umfänglichen Richtung) t, und in einer konventionellen Schicht würde ihr effektiver magnetischer Bereich t multipliziert mit (Rc - Ra), die radiale Tiefe von der Nabe 12 zu dem äußeren Rand sein. Figur 4C zeigt die selbe Schicht, jedoch diesmal in Schnittansicht entlang der Linie BB bei einem radialen Abstand Rb. In diesem Fall und gemäß dieser Erfindung ist die Schicht zwischen der Wurzel und der radial äußersten Spitze bzw. dem radial äußersten Ende progressiv verdreht bezüglich der Richtung der Rotationsachse von der in Figur 4B gezeigten Anordnung, und zwar als eine Funktion des radialen Abstandes. Die effektive Breite t' bei Rb ist nun t/sin x, wobei x der Winkel relativ zu der Ebene ist, in welcher der Ring liegt und ebenfalls die Fläche des Ringes. Es wird erkannt werden, daß t gleich t ist. Rb/Ra, der effektive Bereich wird über den des in Figur 4B gezeigten erhöht, und zwar um den Faktor Rb/Ra.
• An dem radial äußersten Punkt, wie es in Figur 4D zu sehen ist, entlang der Linie CC ist der finale Drehwinkel bzw. Verdrehungswinkel relativ zu der Ebene des Ringes y, und der Wert von t' ist nun t.Rc/Ra.
• Rc ist sowohl größer als Ra als auch Rb, so daß die effektive Breite des Schichtendes in einer umfänglichen Richtung, d.h. gesehen entlang der Rotationsachse, mit der radialen Entfernung erhöht wird, wobei der effektive Bereich des Schichtendes größer ist, und dementsprechend die Gesamtleistung erreicht durch das progressive Verdrehen viel näher an dem eines Vollkörpers bzw. Festringes ist, z.B. dem von Figur 1, als die einer einfachen flachen radialen Anordnung von Figur 2.
• Der Satz von Stator- und Rotorkomponenten ist beabsichtigt zum Gebrauch mit den Endflächen der Ringe, welche einander in einer axialen Richtung gegenüberliegen, und zwar derart, daß die magnetischen Flüsse zwischen ihnen koppeln für alle Rotorpositionen. Zusätzlich zu der verbesserten Kopplung, welche erhalten wird durch effektives Erhöhen der Bereiche der Schichten, können die Schichten der Rotorkomponente verdreht bzw. gedreht sein bezüglich des Fußes, um die Achsen richtung in einer entgegengesetzt gerichteten Richtung zu jenen der Statorkomponenten zum Maximieren gegenseitiger Ausrichtung der Schichten zwischen den Ringen der Komponenten.
• Es wird erkannt werden, daß in der Anordnung von Figur 4, obwohl die Fußbreite durch die Nabendimension festgelegt ist bzw. gegeben ist, ein Verdrehen die axiale Dicke des Ringes radial außerhalb der Schichtfüße reduziert, wenn jede Schicht dieselbe Länge zwischen ihren Enden aufweist, wie an dem Fuß. Schichten, welche in der Seitenansicht keilförmig sind, können zum Entgegenwirken verwendet werden. Figur 4 geht von der Annahme aus, daß diese besondere Konstruktion verwendet wird.
• Es wird aus den Figuren 4B und 4D gesehen, daß die Länge der Schicht zwischen ihren Enden in der Ebene der Schicht, bei Ra geringer ist, als die Länge der Schicht in ihrer Ebene bei Rc, so daß die Länge an dem Fuß geteilt durch die Länge an der Spitze gleich ist zu (sin Y) und somit gleich dem radialen Abstand von der Rotationsachse zu dem Fuß geteilt durch den radialen Abstand zu der Spitze, das ist, Sin Y = (Ra/Rc) ist.

Claims (6)

1. Satz von beschichteten Stator- und Rotorkomponenten für ein magnetisches Axialdrucklager, wobei jede Komponente eine Vielzahl von Schichten (10) umfaßt, welche generell radial zu einer Nabe (12) oder einer anderen Stütze, welche eine Rotationsachse einer Welle umgibt, gerichtet sind, angeordnet durch das Lager an einem radialen Abstand (Ra), dessen Wurzeln- bzw. Fußpunkte sich an der Nabe längs der Richtung der Achse erstrecken und welche radial entfernt der Wurzeln progressiv, relativ zu der Achsenrichtung, derart verdreht sind, daß in einer umfänglichen Richtung die effektive Breite (t') einer Schicht bei einem gegebenen radialen Abstand (Rb, Rc) von der Wurzel nicht geringer ist als eine Aufteilung bzw. Trennung zwischen ihr und einer benachbarten Schicht in dieser Beabstandung.

2. Satz von beschichteten Stator- und Rotorkomponenten gemäß Anspruch 1, worin die radial äußersten Spitzen der Schichten (10) von jeder Komponente in einer Ebenen liegt, welche einen Winkel (Y) mit der Ebene erzeugt, in welcher die Komponente liegt, wobei der Sinus dieses Winkels gleich dem Radius an der Wurzel ist, geteilt durch den Radius an den äußersten Spitzen (sin y = Ra/Rc).

3. Satz von beschichteten Stator- und Rotorkomponenten gemäß Anspruch 2, wobei die Schichten (10) von jeder Komponente bei einem radialen Abstand (Rb, Rc) außerhalb der Wurzel (Ra) eine effektive Breite (t') aufweisen, welche gleich der Breite an der Wurzel (t') multipliziert mit dem Radius (Rb, Rc) dividiert durch den Radius an der Wurzel (Ra) ist.

4. Satz von beschichteten Stator- und Rotorkomponenten gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Länge der Ausdehnung von jeder Schicht (10) an der Wurzel zwischen Enden in der Ebene der Schicht geringer ist als die Länge der Schicht in ihrer Ebene an ihrer radial äußersten Spitze und wobei die Länge an der Wurzel geteilt durch die Länge an der Spitze gleich dem radialen Abstand von der Rotationsachse zu der Wurzel geteilt durch den radialen Abstand zu der äußersten Spitze (Ra/Rc) ist, wobei die entsprechenden Enden der gedrehten bzw. verdrehten Schichten zwischen den Wurzeln und den Spitzen in Ebenen liegen, welche sich senkrecht zu der Rotationsachse erstrekken.

5. Satz von beschichteten Stator- und Rotorkomponenten gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schichten (10) der Rotorkomponenten verdreht sind und zwar bezüglich der Wurzel, um die Achsenrichtung in einer entgegengesetzten Richtung zu jener der Statorkomponente auszurichten zum Maximieren ihrer gegenseitigen Ausrichtung zwischen den Komponenten.

6. Magnetisches Axialdrucklager versehen mit einem axialen Axialdrucklager umfassend einen Satz von beschichteten Stator- und Rotorkomponenten gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.