DE69305294T2

DE69305294T2 - Elektromagnetische Lagervorrichtung

Info

Publication number: DE69305294T2
Application number: DE69305294T
Authority: DE
Inventors: Nigel Henry New
Original assignee: Glacier Metal Co Ltd
Current assignee: Delaware Capital Formation Inc
Priority date: 1992-08-22
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 1997-03-20
Anticipated expiration: 2013-07-10
Also published as: US5406157A; GB2269862A; EP0584846A1; DE69305294D1; JPH06159364A; JP3450380B2; GB9217905D0; EP0584846B1; GB2269862B

Description

-Diese Erfindung betrifft elektromagnetische Lageranordnungen zum Tragen einer drehbaren Welle gegenüber Schubkräften, die auf die Welle entlang ihrer Längsachse einwirken.
Bei einem derartigen elektromagnetischen Axial- oder Schublager ist eine ferromagnetische Scheibe an der einen Rotor umfassenden-Welle befestigt und erstreckt sich radial von dieser. Benächbart zu wenigstens einer Stirnseite des Rotors angeordnet befindet sich ein Stator, der einen oder mehrere Elektromagnete umfaßt, die den Rotor mit einer axialen Kraft anziehen, die eine externe Schublast auf der Welle ansprechend auf die Ermittlung einer Verschiebung der Welle durch die externe Schublast entgegenwirkt und ausgleicht. Wenn derartige externe Lasten lediglich in einer Richtung auftreten, ist lediglich ein Elektromagnet erforderlich, während dann, wenn diese externen Schublasten in beiden Richtungen auftreten, ein Elektromagnet auf jeder Seite des Rotors vorgesehen ist.
DIE Größe der auszugleichenden externen axialen Last bestimmt die radialen Abmessungen des Rotors und des Stators.
Bei einem typischen elektromagnetischen Axiallager, das in Fig. 1 bei 10 relativ zur Welle 11 gezeigt ist, umfaßt jeder Stator 12, dem eine radial verlaufende Stirnseite 13 des Rotors 14 zugeordnet ist, einen Elektromagneten mit einem Ringkern 15, der um die Welle herum verläuft, und in seiner Oberfläche, die dem Rotor gegenüberliegt, zwischen seinen radial inneren und äußeren Enden 16, 17 jeweils eine Ringnut 18 aufweist, die eine ringförmige elektromagnetische Spule 19 aufweist. Die axial verlaufenden Abschnitte 20, 21 des Statorkerns, die voneinander durch die Nut radial getrennt sind, stellen Statorpole 22, 23 jeweils für den Elektromagneten in gegenüberliegender Beziehung zu der Rotorstirnseite 13 fest.
Ein weiterer Stator, der bei 12' schemenhaft gezeigt ist, kann benachbart zur anderen Stirnseite des Rotors 14 angeordnet sein, um Wellenschubkräfte aufzunehmen, die in der entgegengesetzten Richtung wirken.
Die axiale Kraft, die auf den Rotor durch den Elektromagneten beim Entgegenwirken auf eine axialen Last auf die Welle ausgeübt wird, ist eine Funktion des Magnetflusses, der durch den Magnetkreis fließt, der durch den Statorkern und den Rotor festgelegt ist. Dieser Fluß wird dadurch maximiert, daß zwischen den Statorpolen und dem Rotor ein minimaler Spaltebereich durch die Flächen der Polstirnseiten, die Materialien des Kerns und des Rotors und durch die Elektromagnetspule vorhanden ist.
Für den Rotor ist es üblich, daß er ein weiches ferromagnetisches Material umfaßt; Probleme treten jedoch im Hinblick auf sehr hohe Wellendrehzahlen in Bezug auf ihre mechanische Festigkeit beim Aufnehmen von zentrifugalen Spannungen auf, die auf sie einwirken. Diese Spannungen sind eine Funktion des radialen Abstands von der Drehachse der Welle, so daß vorgeschlagen wurde, den effektiven Radius des Rotors zu reduzieren.
Bei der gezeigten Anordnung 10 ist der Rotorradius durch die radialen Abmessungen begrenzt, die von den Statorpolstirnseiten 22 und 23 erfordert werden, und außerdem durch die radialen Abmessungen der Nut 18, um eine Elektromagnetspule aufzunehmen, die eine ausreichende Windungsanzahl und Stromkapazität hat.
Um diese Beschränkungen beim Rotorradius zu überwinden, die durch den Stator auferlegt werden, ist vorgeschlagen worden, die axiale Dicke des Rotors auf sein radiales Außenende zu schrittweise oder durch eine Verjüngung oder durch beides zu reduzieren, wie in der GB-Patentschrift 2 219 357 und in der EP-A-0 411 696 beschrieben, die ein elektromagnetisches Axialwellenlager gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zeigt. Während diese Anordnungen das Problem von Rotorspannungen durch die Entfernung von Masse von seinem Umfang ansprechen, wird der Rotor selbst bezüglich des Radius nicht reduziert und bei der Herstellung komplexer.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektromagnetische Axialwellenlageranordnung zu schaffen, die in einfacher Weise eine Minimierung zentrifugaler Rotorspannungen erlaubt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine elektromagnetische Axialwellenlageranordnung einen Rotor aus ferroelektrischem Material, der durch die Welle zur Drehung damit getragen ist und sich radial von dieser erstreckt und benachbart zu wenigstens einer axialen Stirnseite des Rotors einen Stator, der einen Elektromagneten umfaßt, der einen Ringkern aufweist, der um die Welle verläuft und in seiner Oberfläche, die dem Rotor gegenüberliegt zwischen seinen radial inneren und äußeren Enden wenigstens eine Ringnut aufweist, die eine ringförmige Elektromagnetspule enthält, wobei die axial verlaufenden Abschnitte des Stators, die radial durch jede Nut getrennt sind, Statorpole für den Elektromagneten bereitstellen, und wobei der radial innere axial verlaufende Abschnitt des Stators parallel zu der Welle verläuft, um eine Elektromagnetpolstirnfläche benachbart zur Welle sowie ausgerichtet mit dem radial inneren Teil der Rotorstirnfläche festzulegen, wobei der radial äußere, axial verlaufende Abschnitt des Stators außerdem radial einwärtsgerichtet ist, um eine Elektromagnetpolstirnfläche festzulegen, die mit dem radial äußeren Teil der Rotorstirnfläche ausgerichtet ist, und die in einer radialen Richtung wenigstens teilweise die zugeordnete Elektromagnetspule überlagert, wobei der Außendurchmesser des Rotors kleiner als der Außendurchmesser des Stators ist.
Bevorzugt umfaßt der radial äußere, axial verlaufende Abschnitt des Stators ein getrenntes ringförmiges Statorpolelement, das am radial äußeren, axial verlaufenden Teil des Stators befestigt ist, um eine axiale Verlängerung von diesem zu bilden.
Ausführungsformen der Erfindung we-rden nunmehr beispielhaft in Bezug rzuf die beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen
Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine bekannte, vorliegend in Bezug genommene Form einer elektromagnetischen Axialwellenlageranordnung;
Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine elektromagnetische Axialwellenlageranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Rotor gleichförmiger Dicke und einem gekröpften Statorpolelement;
Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 2, umfassend eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Rotor gleichförmiger Dicke und einem geneigten Statorpolelement;
Fig. 4 eine Schnittansicht durch eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 2, umfas-send eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem gekröpften Statorpolelement und einem Rotor, der einen äußeren radialen Teil gleichförmig reduzierter Dicke aufweist;
Fig. 5 eine Schnittansicht durch eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 4, umfassend eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem verjüngten äußeren radialen Teil des Rotors; und
Fig. 6 eine Schnittansicht durch eine Anordnung, umfassend eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem verjüngten äußeren radialen Teil des Rotors und einem geneigten Statorpolelement.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine elektromagnetische Axialwellenlageranordnung 50 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung allgemein ähnlich zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung 10 gemäß dem Stand der Technik, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Die Anordnung unterscheidet sich dadurch, daß der ferromagnetische Rotor 14' radial kürzer als der Rotor 14 ist, und daß der radial äußere, axial verlaufende Statorschenkel 20' des Kerns axial kürzer ist als der Schenkel 20.
Der Schenkel 20' trägt als eine axial verlaufende Verlängerung ein getrenntes ringförmiges Statorpolelement 51, das am Schenkel befestigt ist und einen Teil des Magnetkreises bildet. Das Element 51 ist außerdem radial einwärts gerichtet, d.h., gekröpft, um einen radial einwärts verlaufenden Abschnitt 52 zwischen dem axial verlaufenden Abschnitt 53, der die Verlängerung des Schenkels 20 bildet und den axial verlaufenden Abschnitt 54 aufzuweisen, und es endet in einer radial äußeren Statorpolfläche 22', die mit dem radial äußeren Teil der kleineren Rotorstirnseite 13 ausgerichtet ist, und in einer radialen Richtung die Elektromagnetspule 19 überlagert.
Die Anordnung erlaubt dadurch eine Verringerung des Radius des Rotors auf einen, der nicht länger von der Abmessung in der radialen Richtung der Elektromagnetspule abhängt. Dadurch kann die Spule in der radialen Richtung sogar länger sein, um die Magnetflußhöhe für eine gegebene Stromdichte in der Spule zu erhöhen. Dies kann außerdem dazu beitragen, einen beliebigen Wirkungsgradverlust aufgrund der Form oder Verbindung mit dem Statorpolelement zu kompensieren. Dies kann auch dazu beitragen, eine Verringerung der axialen Spulenabmessung zu ermöglichen, um das Statorpolelement aufzunehmen.
Es wird bemerkt, daß die Verwendung eines derartigen getrennten Statorpolelements es dem Elektromagneten erlaubt, in der Statornut 18 problemlos gewickelt oder anderweitig angeordnet zu werden, bevor das Element am Kern befestigt wird.
Im Prinzip trägt jedoch nichts dazu bei, zu verhindern, daß das Statorpolelement vor dem Wickeln einer Spule in der Nut 18 positioniert wird, aufgrund der praktischen Schwierigkeiten beim derartigen Wickeln einer Spule in effizienter Weise.
In diesem Fall wird bemerkt, daß der radial äußere, axial verlauf ende Abschnitt des Stators ein integraler Teil des Kerns und nicht ein getrenntes Statorpolelement sein kann.
Ferner kann der radial äußere, axial verlaufende Abschnitt des Stators eine andere Form einnehmen als das vorstehend erläuterte gekröpfte Element, das in integraler Form oder als getrenntes Element jegliche Aufgabe zum nachfolgenden Wickeln einer Elektromagnetspule erleichtern kann.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Axialwellenlageranordnung 60, die ähnlich zu der Anordnung 50 von Fig. 2 ist, wobei gleiche Bezugsziffern die gleichen Teile bezeichnen. Bei dieser Anordnung 60 ist ein Statorpolelement 61 an dem Ende des verkürzten Statorschenkels 20' nach dem Anordnen der Spule 19 befestigt und nimmt die Form eines kegelstumpfförmigen Ringelements ein, dessen axiale Enden radial verlaufende Stirnseiten 62, 63 umfassen, von denen eine am Schenkel 20' befestigt ist, und von denen die andere eine radial äußere Statorpolfläche 22' umfaßt, die dem radialen äußeren Teil des Rotors gegenüberliegend angeordnet ist und die Elektromagnetspule 19 überlagert.
Eine derartige Form des radial äußeren, axial verlaufenden Abschnitt des Stators kann alternativ integral mit dem Statorkern vorliegen und erlaubt noch einfacher ein darauffolgendes Wikkeln der Elektromagnetspule als die Anordnung 50, obwohl er in der axialen Richtung nicht derart kompakt ist.
Es versteht sich, daß die Grenzfläche zwischen dem Kernschenkel 20' und einem getrennten Element 61 anders als in einer radialen Ebene, wie bei 62 verlaufen kann, solange der Fluß wirksam gekoppelt wird; beispielsweise kann das Ende des Schenkels kegelstumpfförmig sein und die Endfläche des Elements senkrecht zu seinen Seiten gebildet sein, wie durch die durchbrochene Linie 64 gezeigt.
Die Lageanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht einen Lagerrotor kleineren Durchmessers als bislang verwendet. Diese Anordnung kann jedoch in Kombination mit den Vorschlägen der vorstehend genannten Patentschriften verwendet werden, d.h. in Kombination mit einem Rotor, der einen radial äußeren Abschnitt verringerter axialer Dicke aufweist.
Wie in Fig. 4 gezeigt, die eine ähnliche Anordnung wie Fig. 3 darstellt, wobei für entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet werden, hat eine dritte Ausführungsform 70 einen radial äußeren Abschnitt des reduzierten radialen Rotors 14'', ebenfalls eine verringerte Dichte bei 14&sub1;''. Das gekröpfte Statorpolelement 71 weist einen axial verlaufenden Schenkel 72 auf, der sich axial weiter erstreckt als der radial innere Statorpol 23 und es weist einen radial äußeren Statorpol 22'' benachbart zu dem Rotorabschnitt 14&sub1;'' verringerter Dicke auf, wobei die Verringerung der Rotorabmessungen an seinem radialen Außenende eine maximale Verringerung der Trägheit und der zentrifugalen Spannungen erbringt.
Wie in Fig. 5 anhand einer Anordnung 80 als Alternative zu der in Fig. 4 gezeigten Form gezeigt, hat das gekröpfte Statorpolelement 81 einen Polstirnseitenabschnitt 82, der zur radialen Richtung geneigt und mit der konisch verjüngten Randkante 14&sub1;''' des Rotors 14''' verringerten Radius ausgerichtet ist.
Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform 90, die die verjüngte Rotorstruktur von Fig. 5 mit dem geneigten radial äußeren, axial verlaufenden Abschnitt 61 des Kerns von Fig. 3 kombiniert.
In sämtlichen vorstehend genannten Ausführungsformen ist zu erkennen, daß der radial-äußere, axial verlaufende Abschnitt des Kerns durch ein getrenntes Statorpolelement bereitgestellt oder integral mit dem Kern gebildet sein kann.
Es versteht sich außerdem, daß andere Konfigurationen im Umfang der Ansprüche festgelegt werden können.
Die vorliegend beschriebene Axialwellenlageranordnung weist jeweils Statorkerne "C-förmigen" Querschnitts auf, die eine einzige ringförmige Elektromagnetspule aufweisen. Es versteht sich, daß die Erfindung ohne Änderung auf Statorkerne natürlich E-förmigen Querschnitts angewendet werden kann, die zwei Elektromagnetkerne zwischen drei Statorpolstirnflächen verwenden.
Obwohl die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläuterten Axialwellenlager eine einzige Statoranordnung aufweisen, um Axialwellenschubkräften in einer Richtung entgegenzuwirken, versteht es sich, daß zur Aufnahme von Kräften in beiden axialen Richtungen eine zweite Statoranordnung benachbart zu der anderen radial verlaufenden Stirnseite des Rotors angeordnet sein kann.

Claims

1. Elektromagnetische Axialwellenlageranordnung (50, 60, 70, 80, 90), umfassend einen Rotor (14', 14'', 14''') aus ferroelektrischem Material, der durch die Welle (11) zur Drehung damit getragen ist und sich radial von dieser erstreckt und benachbart zu wenigstens einer axialen Stirnseite (13) des Rotors einen Stator (12), der einen Elektromagneten umfaßt, der einen Ringkern (15) aufweist, der um die Welle verläuft und in seiner Oberfläche, die dem Rotor gegenüberliegt zwischen seinen radial inneren und äußeren Enden (16, 17) wenigstens eine Ringnut (18) aufweist, die eine ringförmige Elektromagnetspule (19) enthält, wobei die axial verlaufenden Abschnitte (20', 21) des Stators, die radial durch jede Nut getrennt sind, Statorpole (22', 23, 22'', 82) für den Elektromagneten bereitstellen, und wobei der radial innere axial verlaufende Abschnitt des Stators (21) parallel zu der Welle verläuft, um eine Elektromagnetpolstirnfläche (23) benachbart zur Welle sowie ausgerichtet mit dem radial inneren Teil der Rotorstirnfläche festzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere, axial verlaufende Abschnitt des Stators (51, 61, 71, 81) außerdem radial einwärtsgerichtet ist, um eine Elektromagnetpolstirnfläche (22', 22''. 82) festzulegen, die mit dem radial äußeren Teil der Rotorstirnfläche ausgerichtet ist, und die in einer radialen Richtung wenigstens teilweise die zugeordnete Elektromagnetspule überlagert, und daß der Außendurchmesser des Rotors kleiner als der Außendurchmesser des Stators zu werden.

2. Elektromagnetische Axiallageranordnung nach Anspruch 1, bei der der radial äußere, axial verlaufende Abschnitt des Stators ein getrenntes ringförmiges Statorpolelement (51, 61, 71, 81) umfaßt, das an dem radial äußeren, axial verlaufenden Teil des Stators (20') befestigt ist, um eine axiale Verlängerung von diesem zu bilden, und dadurch gekennzeichnet, daß das Statorpolelement dazu ausgelegt ist, am radial äußeren, axial verlaufenden Teil des Stators folgend auf die Anordnung der Elektromagnetspule in der zugeordneten Nut befestigt zu werden.

3. Elektromagnetische Axiallageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Rotor (14'', 14''') an dem radial äußeren Ende (14&sub1;'', 14&sub1;'''), das dem radial äußeren Statorpol (22'', 82) zugeordnet ist, axial dünner ist als radial einwärts und jedem anderen Statorpol zugeordnet ist, und der radial äußere, axial verlaufende Abschnitt dazu ausgelegt ist, die radial äußere Statorpolstirnfläche axial verschoben in Bezug auf jede andere Statorpolstirnfläche (23) bereitzustellen, unddadurch gekennzeichnet, daß die Statorpolfläche (22', 22''), die durch den radial äußeren, axial verlaufenden Abschnitt bereitgestellt ist, im wesentlichen radial und parallel zu jeder anderen Statorpolstirnfläche radial einwärts davon verläuft.