DE69505526T2

DE69505526T2 - Gleichstrom-vormagnetisiertes axialmagnetlager

Info

Publication number: DE69505526T2
Application number: DE69505526T
Authority: DE
Inventors: Dennis M. Grantham New Hampshire 03753 Borowy; Robin M. Ellington Ct 06029 Miller; Stephen B. Charleston Ma 02129 Nichols
Original assignee: Southern Company Energy Solutions Inc
Current assignee: Southern Co Energy Solutions Inc Atlanta Ga
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2015-06-10
Also published as: EP0763169A1; DE69505526D1; JPH10501326A; RU2138706C1; ES2126902T3; EP0763169B1; CA2192475A1; WO1995034763A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Magnetlager, insbesondere magnetische Axial- (Druck-)Lager.

Technischer Hinterrund

Auf dem Gebiet von Magnetlagern, die eine radiale Abstützung für ein sich drehendes Glied (oder eine Welle) in horizontaler Lage darstellen, ist es bekannt, zur radialen Abstützung der Welle einen Dauermagneten zu verwenden. Es ist auch bekannt, den Dauermagneten in der Mitte eines Paares von C-förmigen Zähnen anzuordnen, die eine von dem sich drehenden Zylinder vorstehende Nase umgeben. Typischerweise sind entlang der Innenkontur der C-förmigen Zähne über den Umfang der Drehwelle ein oder mehrere Spulen gewickelt. Durch diese Spulen wird ein veränderbarer Strom geleitet, um elektromagnetische Kräfte zu erzeugen, die für axiale (oder Längs-) Stabilität und Positionierung sorgen.
Allerdings müssen in Systemen mit starken Axialkräften in einer Richtung an dem Drehteil hohe Ströme in die Spulen eingespeist werden, um elektromagnetische Kräfte zu erzeugen, die stark genug für die axiale Stabilisierung sind. Solche Axialkräfte sind in einer Vertikal-Schwungradanordnung oder einer Maschine möglich, oder aber auch in anderen Anwendungsfällen mit starken Axialkräften des drehenden Teils.
Folglich ist es wünschenswert, eine Magnetlageranordnung zur Verfügung zu haben, die eine geringe Leistung erfordernde axiale Steuerung eines vertikalen Schwungrads oder anderer drehender Systeme ermöglicht, die starke Axialkräfte in vornehmlich einer Richtung aufnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Ziele der Erfindung beinhalten die Schaffung einer Magnetlageranordnung, die zur Bereitstellung der axialen Steuerung eines Drehteils mit starken Axialkräften keine hohe elektromagnetische Kraft erfordert. Erfindungsgemäß enthält ein Axialmagnetlager eine Dreheinrichtung, die um eine Drehachse drehbar ist und entlang der Drehachse eine veränderliche Axialstellung einnimmt, mit einer Stirnfläche und einem Trageteil, welches sich radial von der Dreheinrichtung aus erstreckt, wobei der Trageteil zwei Seiten aufweist, und die Dreheinrichtung sowie der Trageteil den Strom eines magnetischen Flusses gestattet; eine Steuereinrichtung, in der ein elektromagnetischer Steuerfluß erzeugt wird, mit einem Paar einander gegenüberstehender Zähne in der Nachbarschaft eines Abschnitts des Trageteils, wobei jeder der Zähne von einer entsprechenden Seite des Trageteils durch Steuerluftspalte beabstandet ist, wobei die Steuereinrichtung den Strom des magnetischen Flusses ermöglicht, um die Stelle des Trageteils zwischen den Zähnen zu steuern; einen Dauermagneten mit einem ersten magnetischen Pol in der Nachbarschaft der Steuereinrichtung und zur Bildung eines magnetischen Gleich-Flusses; eine überhängende Armanordnung benachbart zu dem zweiten Magnetpol des Magneten mit einer Armfläche benachbart zu der Stirnfläche der Dreheinrichtung und über einen Vor-Luftspalt von der Stirnfläche beabstandet, wobei die Armanordnung Fluß von dem Magneten zu dem Vor-Luftspalt führt; und wobei die überhängende Armanordnung, der Vor-Luftspalt, die Dreheinrichtung, der Trageteil, die Steuer- Luftspalte und die Steuereinrichtung eine Flußschleife für den magnetischen Gleich-Fluß von dem ersten Pol zu dem zweiten Pol bilden, wobei der Gleich-Fluß eine axiale Anziehungskraft zwischen der Fläche der Dreheinrichtung und der Armfläche ausübt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Drehachse eine Komponente in vertikaler Richtung, und die axiale Anziehungskraft ist genügend groß, um die Dreheinrichtung anzuheben, damit ein vorbestimmter Abstand für den Vor-Luftspalt geschaffen wird und der Trageteil zwischen den Zähnen der Steuereinrichtungen im wesentlichen zentriert wird.
Weiterhin sind gemäß der bevorzugten Ausführungsformen Spulen in der Steuereinrichtung gewickelt, um elektrischen Strom zu führen, der elektromagnetische Felder in der Steuereinrichtung, den Steuer-Luftspalten und dem zwischen den Zähnen befindlichen Abschnitt des Trageteils erzeugt, um Kräfte einzustellen, die auf den Trageteil einwirken, um so die Lage des Trageteils zwischen den Zähnen zu steuern.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform ist mindestens ein Sensor vorgesehen, der sich an einer Stelle befindet, an der er eine Fläche an der Dreheinrichtung überwacht, um die axiale Lage der Dreheinrichtung zu messen und ein dafür kennzeichnendes elektrisches Axialstellungssignal zu liefern.
Die vorliegende Erfindung stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber früheren Axialmagnetlageranordnungen dar, indem sie eine eine geringere Leistung erfordernde axiale (oder Längs-) Steuerung von Systemen ermöglicht, die erheblichen Axialkräften ausgesetzt sind, so z. B. ein teilweise oder vollständig vertikal ausgebildetes Schwungradsystem oder eine horizontale (oder vertikale) Maschinenanordnung. Die Erfindung schafft eine Dauervormagnetisierung einer Stirnfläche des Drehteils sowie eine veränderbare elektromagnetische Trimmung entlang der Längsachse des Drehteils (d. h. in axialer Richtung). Im Fall eines Vertikal-Schwungrads trägt der Dauer-Gleichmagnet (durch Anziehung) das konstante Gewicht des Drehteils, während der elektromagnetische Anteil für eine Trimmsteuerung der vertikalen Turbulenz sorgt.
Alternativ wird im Fall einer horizontalen Maschinenanordnung der Gleichmagnet auf die mittlere Axialkraft eingestellt, die von der Maschine erzeugt wird, um dadurch eine elektromagnetische Änderung nur bezüglich des halben Kräftebereichs zu erfordern, im Gegensatz zu dem gesamten Kräftebereich, der bei konventionellen Axialmagnetlageranordnungen erforderlich wäre.
Folglich gestattet die Erfindung einen viel geringeren Gesamtstrombereich innerhalb der Spulen, wodurch die Größe der Spulen ebenso reduziert wird wie die Größe, die Leistungsaufnahme und die Wärmeableitungsanforderungen für eine elektromagnetische variable Drehzahlsteuer- Schaltung, welche die Spulen treibt.
Die oben angesprochenen sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich im Lichte der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnitt-Seitenansicht eines herkömmlichen Axialmagnetlagers mit einem Radial-Dauermagneten.
Fig. 2 ist eine Querschnitt-Seitenansicht eines Axialmagnetlagers gemäß der Erfindung.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnitt-Seitenansicht eines Vorsprungs zwischen einem Paar von Zähnen und den dazugehörigen Luftspalten gemäß der Erfindung.
Fig. 4 ist eine vergrößerte Querschnitt-Seitenansicht einer Oberseite eines Drehteils, eines überhängenden Arms und eines dazwischen befindlichen Luftspalts gemäß der Erfindung.
Fig. 5 ist eine Querschnitt-Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Axialmagnetlagers gemäß der Erfindung.
Fig. 6 ist eine Querschnitt-Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Axialmagnetlagers gemäß der Erfindung.

Bester Weg zum Ausführen der Erfindung

Bezugnehmend auf Fig. 1 besitzt ein zum Stand der Technik gehöriges Axial-(oder Druck-)Magnetlager ein Drehteil 10, welches um eine Mittellinie 11 umläuft und einen Vorsprung (oder Trageteil) 12 aufweist, welches radial nach außen vorsteht und konzentrisch mit dem Drehteil 10 angeordnet ist. Da Fig. 1 eine Querschnitt-Seitenansicht ist, scheint es so, als gäbe es zwei Vorsprünge 12, tatsächlich gibt es aber nur einen einzigen durchgehenden Vorsprung, der sich von dem Drehteil 12 ausgehend radial nach außen erstreckt. Der Vorsprung 12 ist auf seiner linken und seiner rechten Seite von einem Axiallagerteil 14 umgeben, welches ein Paar Zähne 16 und 18 in C-Form aufweist (im folgenden als C- förmiges Element 14 bezeichnet). Das C-förmige Element 14 besteht typischerweise aus einem Material, welches elektromagnetischen Fluß frei leitet.
An der Mitte des C-förmigen Elements 14 ist an dessen Innendurchmesser ein Dauermagnet 20 befestigt, dessen Nordpol der radialen Stirnfläche des Vorsprungs 12 zugewandt ist. Im vorliegenden Fall hat der Permanentmagnet 20 die Form eines Torus, der den Vorsprung 12 umfaßt. Der Permanentmagnet 20 ist von dem Vorsprung 12 durch einen Luftspalt G1 getrennt. Fluß 21 von dem Magneten 20 verläuft über den Luftspalt G1 in den Vorsprung 12, um sich dort aufzutrennen und in die Zähne 16 und 18 etwa zu gleichen Zeilen einzutreten, wie durch die Flußlinien 22 und 24 angedeutet ist. Der Fluß 22, 24 verläuft entlang der getrennten Zähne 16 bzw. 18 und wird am Südpol des Permanentmagneten 20 wieder zusammengeführt. Der Dauermagnet 20 stellt hierdurch an dem Vorsprung einen Vormagnetisierungs-Gleichfluß bereit.
In der Mitte des C-förmigen Elements 14 befinden sich mehrere Wicklungen oder Spulen 26. Durch die Spulen 26 wird Strom geleitet, damit es zu einem bidirektionalen elektromagnetischen Fluß kommt, wie er durch Flußlinien 28 angedeutet ist. Wenn eine Axialkraft entlang der Mittellinie 11 des Teils 10 den Vorsprung 12 nach rechts drückt, fließt Strom durch die Spulen 26, um den Vorsprung 12 (und damit das Drehteil 10) zur Mitte des C-förmigen Elements 14 zwischen den Zähnen 16 und 18 zurückzudrängen. In ähnlicher Weise wird, wenn eine auf das Drehteil 10 einwirkende Axialkraft den Vorsprung 12 nach links drückt, Strom durch die Spulen 26 in entgegengesetzter Richtung geleitet, um eine Gegenkraft zu erzeugen, welche den Vorsprung 12 nach rechts zurückdrängt. Es sollte verstanden werden, daß die Stellung der Welle 10 und des Vorsprungs 12 durch (nicht gezeigte) Stellungssensoren überwacht wird und die Spulen von einer (nicht gezeigten) Treiberschaltung abhängig von der Änderung der Axialstellung mit Strom gespeist werden. Dies wird als Axialmagnet bezeichnet und erfordert hohe Strom- (oder Leistungs-)Werte in den Spulen bei Systemen, die hohe Axialkräfte aufnehmen.
Nunmehr auf Fig. 2 bezugnehmend, enthält das erfindungsgemäße Axiallager ein Drehteil 50 mit einem radial abstehenden Vorsprung 52. Das Drehteil 50 dreht sich um eine Mittellinie 54. Der obere Teil des Drehteils 50 besitzt einen aufgeweiteten Durchmesser oder eine Flanschzone 56 (die im folgenden diskutiert wird).
Ein elektromagnetisches. Steuerglied 60 umgibt die Oberseite und die Unterseite des Vorsprungs 52, es besitzt C-förmige Gestalt (und wird im folgenden als C-förmiges Element 60 bezeichnet), wobei es ein Paar Zähne mit Flächen 62 und 64 in der Nachbarschaft von und im wesentlichen parallel zu dem Vorsprung 52 besitzt. Der Vorsprung 52 ist von den Flächen 62 und 64 durch Steuerluftspalte (oder Steuerspalte) g1 bzw. g2 beabstandet. Die Luftspalte g1, g2 werden auch als Steuerluftspalte deshalb bezeichnet, weil sie eine Wirkung auf die dynamische elektromagnetische Steuerung einer Axialbewegung (die im folgenden noch diskutiert wird) haben.
Benachbart zu einer Oberseite des C-förmigen Elements 60 befindet sich ein Dauermagnet 68, dessen Südpol dem C-förmigen Element 60 benachbart ist. Benachbart zu dem Nordpol des Dauermagneten 68 befindet sich ein überhängender Ärm 70 mit einer Stirnfläche 72, die im wesentlichen parallel ist mit einer Stirnfläche 74 des Drehteils 50. Zwischen der Fläche 72 des überhängenden Arm 70 und der Fläche 74 des Drehteils 50 befindet sich ein Luftspalt g3. Der Luftspalt g3 wird auch als "Vor"-Luftspalt (Vormagnetisierungs-Luftspalt) bezeichnet.
In dem überhängenden Arm 70 ist ein Loch 80 ausgebildet, wodurch ein Zugang zu der Stirnfläche 74 des Drehteils 50 von außen ermöglicht wird, beispielsweise für eine Kühlung der Welle 50 oder zu Wartungszwecken und dergleichen.
Der Dauermagnet 68 besitzt die Form eines Torus, der das Drehteil 50 über dessen Umfang umfaßt und im wesentlichen flache Ober- und Unterseiten besitzt. Auf Wunsch können andere Magnetformen gewählt werden. Der Magnet 68 sorgt für einen Dauer-Gleichfluß 82, der am Nordpol des Magneten 68 austritt und durch den überhängenden Arm 70 verläuft. Der Fluß 82 tritt aus der Fläche 72 des Arms 70 über den Vor- Luftspalt g3 aus und verläuft entlang dem Drehteil 50, wie durch eine Linie 84 angedeutet ist. Der Fluß 84 tritt in den Vorsprung 52 ein und verzweigt zu etwa gleichen Teilen an den Steuerlufispalten g1, g2, um zu den Stirnflächen 62 und 64 des C-förmigen Elements 60 zu gelangen, wie durch Flußlinien 86 bzw. 88 angedeutet ist. Der Fluß 86, 88 wird am Südpol des Magneten 68 wiedervereint, um den Flußkreis (oder die Schleife) zu vervollständigen. Wenngleich die von dem Fluß 86 durchlaufene Strecke etwas länger ist als diejenige, die durch den Fluß im Weg 88 durchlaufen wird, so ist die Flußauftrennung im wesentlichen identisch, da das C-förmige Element 60 stark magnetisch leitend ist (oder eine hohe Permäabilität besitzt).
Die Flußschleife 82, 84, 86, 88 (die durch den Dauermagneten 68 als Fluß-Quelle geschaffen wird), welche durch den Arm 70, das Drehteil 50, den Vorsprung 52 und das C-förmige Element 60 verläuft, bildet eine Anziehungskraft zwischen der Stirnfläche 72 des überhängenden Arms 70 und der Oberseite 74 des Drehteils 50. Die Stärke des Dauermagneten ist so bemessen, daß das Gewicht des Drehteils 50 angehoben (oder zum Schweben gebracht) wird, so daß es einen endlichen Vor- Luftspalt g3 von etwa 0,02 Zoll im stationären Zustand gibt. In diesem Zustand ist das C-förmige Element 60 derart positioniert, daß der Vorsprung 52 sich etwa gleichmäßig beabstandet zwischen den Flächen 62 und 64 befindet, demzufolge die Steuerspalte g 1 und g2 etwa gleich groß sind, z. B. etwa 0,015 Zoll.
Im Inneren des C-förmigen Elements 60 befindet sich eine Mehrzahl von Spulen 90 in Umfangs-Bewicklung des Drehteils 50. Eine Stellungssteuerschaltung 92 liefert einen bidirektionalen Treiberstrom über eine Leitung 94 an die Spulen 90 (dies wird weiter unten diskutiert).
Entlang einer Innenfläche 100 des Lochs 80 des überhängenden Arms 70 befindet sich ein Paar Stellungssensoren 96 und 98. Die Stellungssensoren 96 und 98 können sich an irgendeiner Stelle befinden, an der sie Zugang zu der axialen Seite des Drehteils haben. Die Stellungssensoren 96 und 98 ermitteln die axiale Stellung des Drehteils 50 relativ zu dem Arm 70 und liefern elektrische Signale, die kennzeichnend sind für den Vormagnetisierungsspalt g3, wobei die Signale über Leitungen 104 und 106 an die Stellungssteuerschaltung 92 gelangen.
Die Stellungssteuerschaltung 92 enthält bekannte Signalverarbeitungs- und Elektronikkomponenten, die für die im folgenden zu beschreibenden Funktionen erforderlich sind. Die Einzelheiten der Stellungssteuerschaltung 92 sind für die vorliegende Erfindung nicht kritisch.
Mehr als ein Stellungssensor 96, 98 ermöglichen das Mitteln jeglicher Oberflächenunregelmäßigkeiten in der Stirnfläche 74 des Drehteils 50 oder einer Schwankung, mit der das Drehteil 50 möglicherweise behaftet ist. Auf Wunsch kann allerdings auch ein Einzelsensor verwendet werden. In diesem Fall befindet sich der beste Ort für den Stellungssensor entlang der Mittellinie 54 des Drehteils 50, und der Sensor könnte in an sich bekannter Weise an dem überhängenden Arm befestigt werden. Der Typ des verwendeten Stellungssensors kann induktiv, optisch, kapazitiv oder irgendwie anders sein, wobei der Sensor in der Lage ist, die Stellung des Drehteils 50 relativ zu der Stirnfläche des überhängenden Arms 70 zu erfassen (d. h. den Vormagnetisierungsspalt g3). Die Grenzfläche 110 des überhängenden Arms 70, des Dauermagneten 68 und des oberen Teils des C-förmigen Elements 60 hat eine Halbkreisform, um für einen großen Luftspalt zwischen den Seiten des Dauermagneten 68 und jeglichen benachbarten, magnetisch leitenden Materials zu sorgen. Dies unterstützt die Minimierung des Streuflusses aus dem Dauermagneten 68. Andere Formen können auf Wunsch gewählt werden, beispielsweise quadratische, rechteckige oder andere Form, vorausgesetzt, die Flußstreuung wird minimiert.
Außerdem wird das Streuen des elektromagnetischen Flusses 112, der durch den Strom der Spule 90 entsteht, durch die abgerundete Außenkontur 111 des oberen und des unteren Teils des C-förmigen Elements 60 in der Nähe des Drehteils 50 reduziert.
Wenn eine Axialkraft entlang der Mittellinie 54 (nach oben oder nach unten in Fig. 2) auf das Drehteil 50 ausgeübt wird, fühlt die Stellungssteuerschaltung 92 eine Änderung des V ormagnetisierungsspalts g3 und gibt über die Leitungen 94 einen Strom an die Spule 90, die für einen Flußpfad 112 sorgen, der das C-förmige Element 60 durchsetzt. Die Richtung des Stroms in den Spulen 90 bestimmt die Richtung des Flußpfads 112, welcher seinerseits die Richtung der Gegenkraft festlegt, die durch die Magnetfelder 112 erzeugt wird.
Wenn z. B. auf das Drehteil 50 eine nach unten gerichtete Axialkraft wirkt, fühlt die Stellungssteuerschaltung 92 eine Änderung des Vormagnetisierungsspalts g3 und speist einen Strom in die Spulen ein, der auf der rechten Seite des C-förmigen Elements 60 in die Fig. 2 hineinfließt und auf der linken Seite des C-förmigen Elements 60 aus der Zeichnungsfigur 2 herausfließt, um dadurch ein elektromagnetisches Feld 112 im Uhrzeigersinn zu erzeugen. Das Feld 112 hebt einen Teil des Vor- Gleichflusses aus dem Dauermagneten 68 auf und verringert damit die Anziehungskraft zwischen dem Vorsprung 52 und der Unterseite 62. In ähnlicher Weise addiert sich das Feld 102 zu dem Gleich-Vormagnetisierungsfeld und erhöht dadurch die Anziehungskraft zwischen dem Vorsprung 52 und der Fläche 64. Damit gibt es eine Nettozunahme der aufwärts gerichteten Kraft, die auf den Vorsprung 72 einwirkt und damit der axialen Abwärtskraft des Drehteils 50 entgegenwirkt. Eine ähnliche, jedoch umgekehrte Situation entsteht, wenn auf das Drehteil 50 eine nach oben gerichtete Kraft einwirkt. Damit wird der Spalt g3 stets auf einem im wesentlichen konstanten Wert während des stationären Zustands gehalten (z. B. auf etwa 0,02 Zoll), und außerdem werden die Spalte g1, g2 auf einem im wesentlichen konstanten Abstand von z. B. 0,015 Zoll gehalten, wenn der Zustand stationär ist. Auf Wunsch können auch andere Spaltgrößen gewählt werden.
Das C-förmige Element 60 besteht aus einem Material, welches hochfrequente Magnetfeldschwankungen verträgt, z. B. PERMENDUR®, welches einen Frequenzbereich von annähernd 10 KHz besitzt. Dies ermöglicht eine Steuerung des hochfrequenten elektromagnetischen Flusses durch den durch die Spulen 90 fließenden Strom. Kohlenstoffstahl ist für Hochfrequenzanwendungen deshalb nicht wünschenswert, weil er beträchtliche Hochfrequenzverluste aufweist. Für beste Leistungsfähigkeit wird außerdem das C-förmige Element 60 lamelliert, um eine maximale Leitfähigkeit für das Magnetfeld zu erhalten. Das Drehteil 50 und der Vorsprung 52 bestehen aus schwach kohlenstoffhaltigem Stahl. Der überhängende Arm 70 besteht aus schwach kohlenstoffhaltigem Stahl oder irgendeinem Material, welches Magnetfelder frei leitet. Alternativ kann der Vorsprung 52 in Form konzentrischer Kreise zur Steigerung des Frequenzansprechverhaltens lamelliert werden; allerdings muß man darauf achten, daß die Spannung auf die Vorsprünge 52 nicht die Stärke der Lamellierungen übersteigt. Da die Weglänge entlang dem Vorsprung 52 kurz ist, sind die Hochfrequenzverluste beträchtlich geringer, und deshalb führt die Ausbildung des Vorsprungs mit Stahl geringen Kohlenstoffanteils nicht zu signifikanten Verlusten. Auf Wunsch können andere Stoffe verwendet werden.
Nunmehr auf die Fig. 3 und 4 Bezug nehmend, ist die Anziehungskraft an dem Vormagnetisierungsspalt g2 im wesentlichen konstant, allerdings liefern die Steuerspalte g1, g2 Kräft, die in hohem Maße destabilisierend sind, so daß eine relativ schnelle elektromagnetische Steuerung erforderlich ist. Was die Kräfte an den Steuerspalten g1, g2 angeht, so ist gemäß Fig. 3 die Anziehungskraft (F) aufgrund des durch das magnetisch leitende Material über einen Luftspalt zu einem anderen magnetisch leitenden Material fließenden Induktionsflusses proportional zur Oberfläche des Materials, aus dem der Fluß austritt, multipliziert mit der quadrierten Flußdichte, oder F A x B². Die Flußdichte (B) ist definiert als die Flußstärke ( in Weber) pro Flächeneinheit (A) oder /A. Wenn folglich die Oberfläche abnimmt, nimmt die Flußdichte zu, und folglich steigt die Anziehungskraft (F). Dies entspricht einer Kombination der beiden Gleichungen, F ²/A. Außerdem ist die Flußmenge, die über einen Luftspalt fließt, umgekehrt proportional (nicht notwendigerweise linear) zu der Größe des Luftspalts (analog zu einem Widerstand in elektrischen Schaltungen). Es gilt also, daß, je größer der Luftspalt ist, desto kleiner der Fluß an ihm ist. Folglich ist für einen gegebenen Luftspalt zwischen zwei Materialien das Maß der Kraft umgekehrt proportional zu der Querschnittsfläche des Materials, aus dem der Fluß austritt.
Wenn gemäß Fig. 3 eine axiale Kraft auf das Drehteil 50 ausgeübt wird, um es aus der Mittenlage zwischen den zwei Zähnen 62 und 64 herauszubewegen, bewirken die Flußpfade durch die Zähne 62, 64 einen Destabilisierungseffekt, der den Vorsprung 52 weiter weg von der Mitte zwischen den zwei Zähneflächen 62, 64 treibt. Insbesondere treten bei einer Abwärtsbewegung, bei der der Vorsprung 52 derart versetzt wird, daß der Spalt g2 doppelt so groß ist wie der Spalt g1, d. h. g2 = 2*g1, zwei Effekte auf. Erstens: der Luftspalt g2 wird größer, so daß sich der Fluß ( ) in (zumindest) proportionaler Weise verringert, und die Anziehungskraft (F) zwischen der Fläche 64 und dem Vorsprung 52 wird noch weiter verringert aufgrund der quadratischen Beziehung zwischen Kraft und Fluß. Zweitens: der Spalt g1 wird verringert, so daß sich der Fluß ( ) in (zumindest) proportionaler Weise erhöht und die Anziehungskraft (F) zwischen der Fläche 62 und dem Vorsprung 52 noch größer wird aufgrund der quadratischen Beziehung zwischen Kraft und Fluß. Damit verringert sich die Aufwärtsbewegung des Vorsprungs 52, und die Abwärtsbewegung des Vorsprungs 52 nimmt zu, und zwar beides in quadratischer Beziehung, so daß der Vorsprung 52 in Richtung der unteren Fläche 62 beschleunigt wird. Demzufolge muß die Steuerung für die Stellungssteuerschaltung 92 schnell genug sein, um geringe axiale Änderungen des Vorsprungs 52 zu kompensieren und dadurch die Stromstärke zu minimieren, die benötigt wird, um den Vorsprung in die Mitte zurückzuziehen. Wir haben herausgefunden, daß eine Regelkreisbandbreite von 10 KHz ausreichend ist, um die meisten Situationen in einer total vertikalen Schwungradanordnung zu kompensieren.
Gemäß Fig. 4 wird die Länge L1 (oder der Außenradius abzüglich des Innenradius) der Fläche 72 (und damit die Flächengröße) des überhängenden Arms 70 viel kleiner gemacht als die Länge L2 der Flächen 62, 64 gemäß Fig. 3 (und mithin deren Oberflächengröße). Dies liefert eine größere Fläche und damit eine geringere Flußdichte für den. Vormagnetisierungsspalt im Vergleich zu dem Steuerspalt. Dies gestattet eine Verzweigung des Flusses aus einer größeren Fläche heraus, wie durch die Flußlinien 120 angedeutet ist. Als Ergebnis ist für eine gegebene Änderung der Vormagnetisierungs- und Steuerluftspalte die entsprechende Änderung der Vorkraft zwischen den Flächen 72 und 74 viel geringer als die Änderung der Steuerkraft zwischen den Flächen 62, 64 und dem Vorsprung 52 (um das Verhältnis der Größen zwischen Vormagnetisierungs- und Steuerflächen). Insbesondere ist für einen Vormagnetisierungsluftspalt g3 von etwa 0,02 Zoll und eine Länge von 1.2 Zoll die entsprechende Änderung der Kraft aufgrund einer Änderung in dem Vormagnetisierungs-Luftspalt g3 von 0,005 Zoll sehr klein. Außerdem besitzt der Vor-Luftspalt g3 keine auf ihn einwirkenden zusätzlichen Destabilisierungskräfte, im Gegensatz zu dem C-förmigen Element 60. Somit kann es zu geringen Änderungen in dem Luftspalt g3 kommen, ohne daß dies Einfluß hat auf die Anziehungskräfte, die das Drehteil 50 anheben. Folglich brauchen die von der Stellungssteuerschaltung 72 gesteuerten elektromagnetischen Steuerkräfte vornehmlich nur die Änderungen der Steuerluftspalte g1, g2 und nicht des Vor-Luftspalts g3 zu kompensieren.
Außerdem beträgt die Länge (oder der Durchmesser) der Oberseite 74 des Drehteils 50 zumindest ebenso viel wie die Länge L1 der Stirnfläche 72 des überhängenden Arms 70. Damit die benötigte Flächengröße der Stirnfläche 64 mit derjenigen der Stirnfläche 72 übereinstimmt, ist der Flansch 56 an dem einen kleineren Durchmesser aufweisenden Drehteil 50 vorgesehen. Alternativ kann der Durchmesser des Drehteils 50 genauso groß sein wie der des Drehteils einschließlich des Flansches 56 über die gesamte axiale Länge. Um allerdings den Wellendurchmesser zu minimieren und das Gewicht zu verringern, kann man den Flansch 56 dazu verwenden, daß der Fluß 120, der den Spalt g3 überbrückt, in Form der Flußwege 122 in das Drehteil 50 eintritt und zur Bildung des Flußweges 64 in dem eingeschnürten Abschnitt der Welle zusammenfließt. Diese Konfiguration ermöglicht es, die gewünschte Beziehung zwischen der Flußdichte, der Kraft und der Flächengröße zu erreichen und gleichzeitig den verbleibenden Durchmesser des Drehteils 50 zu verringern.
Bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 ragt der Vorsprung 52 (Fig. 3) bzw. der Flansch 56 (Fig. 4) über die Zahnflächen 62, 64 bzw. die Armfläche 72 hinaus. Dies sorgt für einen zusammenhängenden Flußweg im Bereich der Wärmeausdehnung und -kontraktion dieser Teile.
Nunmehr auf Fig. 5 Bezug nehmend, enthält eine alternative Ausführungsform der Erfindung einen überhängenden Arm 130 ähnlich dem überhängenden Arm 70 der Fig. 2. Allerdings gibt es kein Loch durch seine Mitte. Außerdem befindet sich ein einzelner Stellungssensor 132 ähnlich den Stellungssensoren 100 der Fig. 2 innerhalb des Arms 130 und liefert ein elektrisches Signal über eine Leitung 134, welches kennzeichnend ist für den Vormagnetisierungsspalt g3. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform ein Drehteil 140 ähnlich dem Drehteil 50 nach Fig. 2 vorgesehen, jedoch ohne die Flansche 56.
Diese Ausführungsform arbeitet in etwa der gleichen Weise wie die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform, wie es oben diskutiert wurde. Da allerdings sich in der Mitte des überhängenden Arms 130 kein Loch befindet, kann der Sensor 132 auf einer Mittellinie 142 des Drehteils 140 angeordnet werden. Es sollte gesehen werden, daß die Flansche 56 der Fig. 2 auf Wunsch auch in Verbindung mit dem Drehteil 140 vorgesehen sein könnten.
Nunmehr auf Fig. 6 Bezug nehmend, könnte alternativ - anstatt das Drehteil in der Mitte und die C-förmigen Elemente um dessen Umfang herum anzuordnen - das Drehteil auch am Umfang außen angeordnet werden, während sich der ortsfeste Teil in dessen Inneren befindet. Insbesondere befindet sich ein Rücken an Rücken ausgebildetes C-förmiges Element 200 (welches eine ähnliche Funktion hat wie das C-förmige Element 60 in Fig. 2) im Inneren des Innendurchmessers eines Drehteils 204, welches sich außerhalb des Elements 200 (als Zylinder) dreht. Das Drehteil 204 besitzt einen Vorsprung 206, der sich zwischen Flächen 208 und 210 des Rücken an Rücken ausgebildeten C-förmigen Elements 200 befindet. Benachbart zu dem Rücken-an-Rücken ausgebildeten C- förmigen Element 200 befindet sich ein Dauermagnet 214. Benachbart zum Norpol des Dauermagneten 218 befindet sich ein überhängendes Armglied 216 mit einer Stirnfläche 218. Die Stirnfläche 218 ist benachbart und im wesentlichen parallel zu einer oberen Stirnfläche 220 des Drehteils 204. Die beiden Stirnflächen 218, 220 sind durch den Vormagnetisierungsspalt g3 voneinander getrennt (d. h. zwischen der Oberseite des Drehteils und dem überhängenden Arm, ähnlich wie Fig. 2).
Bei dieser Ausführungsform befinden sich die Stellungssensoren 100 (die zu Fig. 2 diskutiert sind) an dem überhängenden Arm 216, um den Spalt g3 zwischen dem Drehteil 204 und dem überhängenden Arm 216 zu messen. Magnetische Gleichfelder 220 verlassen den Dauermagneten 214, laufen durch den überhängenden Arm 214, laufen über den Vormagnetisierungsspalt g3 und entlang dem Drehteil 204 in Form des Feldes 224. Das Feld 224 tritt in den Vorsprung 206 ein und trennt sich in etwa gleich große Flußwege 226 und 228 auf, um sich am Südpol des Dauermagneten 214 wiederzuvereinen. Das magnetische Gleichfeld von dem Dauermagneten 214 sorgt für eine Anziehungskraft zum Tragen des Gewichts des Drehteils 204 im stationären Zustand, mit der Folge, daß der Vorsprung 206 gleichmäßig zwischen zwei Flächen 208 und 210 des Rücken an Rücken ausgebildeten C-förmigen Elements 200 beabstandet ist, ähnlich, wie es in Verbindung mit Fig. 2 diskutiert wurde. Außerdem sind Spulen 230 um die Mittelzone des Rücken an Rücken ausgebildeten C-förmigen Elements 200 gewickelt, und sie liefern ein veränderliches elektromagnetisches Feld 229, welches jedes der C- förmigen Elemente einkreist und auf die Vorsprünge 206 Kräfte ausübt, welche axialen Kräften entgegenwirken, die auf das Drehteil 204 einwirken, ähnlich, wie es oben in Verbindung mit Fig. 2 diskutiert wurde. Außerdem wird ähnlich, wie es oben in Verbindung mit Fig. 2 diskutiert wurde, über Leitungen 94 Strom in die Spulen eingespeist. Die Materialien für das Drehteil 204, den Vorsprung 206, den überhängenden Arm 216 und das C-förmige Teil 200 sind die gleichen, wie es oben für vergleichbare Teile in Fig. 2 diskutiert wurde.
Anstatt den Dauermagneten 214 massiv auszubilden, kann auch ein torusförmiger Magnet verwendet werden. In diesem Fall kann die Steuerzone 232 aus einem magnetisch nicht leitenden Material bestehen (oder einem nicht-permeablen Material oder einem Material mit geringer Permeabilität).
Im allgemeinen schafft die Erfindung für jedes Ausführungsbeispiel magnetische Gleichfelder zur Voreinstellung des mechanischen Stellung des Drehteils in der Weise, daß durch Spulenstrom erzeugte elektromagnetische Felder primär Änderungen (oder Störungen) entlang der Axialrichtung kompensieren. Im Fall einer (teilweise oder vollständigen) vertikalen Schwungradanordnung liefern die Dauermagneten eine ausreichende Magnetfeld-Anziehungskraft zum Tragen des Gewichts des Drehteils und eines etwaigen daran angebrachten Schwungrads, d. h. zum Anheben des Drehteils, so daß der Vorsprung sich mittig zwischen den Zähneflächen der C-förmigen Steuerteile befindet. Damit werden die elektromagnetischen Felder, die durch Strom in den Spulen erzeugt werden, nur noch zur Gegensteuerung bei zusätzlicher Axialbewegung oder -kraft auf das Drehteil benötigt.
Für den Fall einer Horizontalanordnung jedoch, wie es der Fall bei einer Maschine mit veränderlicher Axialkraft ist, kann das magnetische Gleichfeld dazu dienen, einen mittleren gleichbleibenden Versatz zu erreichen und dadurch die maximale elektromagnetische Kraft zu minimieren, die von den Spulen auf den Vorsprung des Drehteils ausgeübt werden muß. Wenn z. B. die Maschine eine maximale Axialkraft von 50 Pfund erzeugt, sollte das magnetische Gleichfeld so eingestellt sein, daß es 25 Pfund (oder die durchschnittliche axiale Kraft) bereitstellt, so daß die Spulen dazu dienen können, Kräfte zu liefern, die zum Ausbalancieren des Vorsprungs dienen, indem maximal 25 Pfund und minimal 0 Pfund Kraft auf die Vorsprünge ausgeübt werden, im Gegensatz zu dem Erfordernis, daß die Spulen S0 Pfund Kraft entwickeln müssen.
Ferner können innere und äußere Oberflächenformen des "C-förmigen" Elements ein Kreis, ein Rechteck, ein Quadrat oder dergleichen sein, oder aber eine Kombination daraus, vorausgesetzt, es gibt einen Innenbereich, in welchem Spulen angeordnet werden können, es gibt zwei zahnähnliche Abschnitte, die einen Vorsprung eines Drehteils umgeben, und die einen doppelten Rückführweg für Gleichfluß aus einem Dauer magneten und einen Flußweg zum Steuern des elektromagnetischen Flusses liefern.
Es sollte gesehen werden, daß bei einer Vertikal-Schwungradanordnung das Schwungrad das Drehteil 50 (Fig. 2) sein kann und/oder daß ein schwererer Teil eines Schwungrads an dem unteren Abschnitt des Drehteils 50 befestigt sein kann.
Außerdem sollte gesehen werden, daß für jedes der hier diskutierten Ausführungsbeispiele die Polarität der Dauermagneten umgekehrt werden kann. In diesem Fall gäbe es keine nennenswerte Änderung der Arbeitsweise des Systems.
Anstatt bei einem vollständig vertikalen Schwungradsystem arbeitet die Erfindung gleichermaßen gut in Verbindung mit einem System, welches ein Drehteil besitzt, dessen Drehachse eine Komponente in vertikaler Richtung enthält.

Claims

1. Axialmagnetlager, umfassend:

a) eine Dreheinrichtung (50; 140; 204), die um eine Drehachse drehbar ist;

aa) mit einer veränderlichen Axialstellung entlang der Drehachse (54),

ab) mit einer Stirnfläche (74; 220) und

ac) mit einem Trageteil (52; 206), welches sich radial von der Dreheinrichtung (50; 140; 204) aus erstreckt,

ad) wobei der Trageteil (52; 206) zwei Seiten aufweist,

ae) und die Dreheinrichtung (50; 140; 204) sowie der Trageteil (52; 206) den Strom eines magnetischen Flusses gestattet;

b) eine Steuereinrichtung (60; 200), in der ein elektromagnetischer Steuerfluß erzeugt wird,

ba) mit einem Paar einander gegenüberstehender Zähne (62, 64; 208, 210) in der Nachbarschaft eines Abschnitts des Trageteils (52; 206), wobei jeder der Zähne (62, 64; 208, 210) von einer entsprechenden Seite des Trageteils (52; 206) durch Steuerluftspalte (g1, g2) beabstandet ist,

bb) wobei die Steuereinrichtung (60; 200) den Strom des magnetischen Flusses ermöglicht, um die Stelle des Trageteils zwischen den Zähnen zu steuern;

c) einen Dauermagneten (68; 214) mit einem ersten magnetischen Pol in der Nachbarschaft der Steuereinrichtung und zur Bildung eines magnetischen Gleich-Flusses;

d) eine überhängende Armanordnung (70; 130; 216),

da) benachbart zu dem zweiten Magnetpol des Magneten,

db) mit einer Armfläche (62; 218) benachbart zu der Stirnfläche (74; 220) der Dreheinrichtung (50; 140; 204), und

dc) über einen Vor-Luftspalt (g3) von der Stirnfläche (74; 220) beabstandet,

dd) wobei die Armanordnung (70; 130; 216) Fluß von dem Magneten (68; 214) zu dem Vor-Luftspalt (g3) führt; und

e) wobei die überhängende Armanordnung (70; 130 : 216), der Vor-Luftspalt (g3), die Dreheinrichtung (50; 140; 204), der Trageteil (52; 206), die Steuer-Luftspalte (g1, g2) und die Steuereinrichtung (60; 200) eine Flußschleife (82, 84, 86, 88; 222, 224, 226, 228) für den magnetischen Gleich-Fluß von dem ersten Pol zu dem zweiten Pol bilden,

f) wobei der Gleich-Fluß eine axiale Anziehungskraft zwischen der Fläche (74; 220) der Dreheinrichtung (50; 140; 204) und der Armfläche (72; 218) ausübt, und

g) der Gleich-Fluß die einzige axiale Gleichkraft ist, die von einem Permanentmagneten (68; 214) auf die Dreheinrichtung (50; 140; 204) ausgeübt wird.

2. Axialmagnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Drehachse (54; 142) eine Komponente in vertikaler Richtung aufweist, und

b) die axiale Anziehungskraft ausreichend groß ist, um die Dreheinrichtung (50; 140; 204) anzuheben,

c) um dadurch einen vorbestimmten Abstand für den Vor-Luftspalt (g3) zu schaffen und

d) den Trageteil (52; 206) zwischen den Zähnen (62, 64; 208, 210) der Steuereinrichtung (60; 200) im wesentlichen zu zentrieren.

3. Axialmagnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin Spulen (90; 230) aufweist, die in der Steuereinrichtung (60; 200) gewickelt sind, um elektrischen Strom zu führen, der elektromagnetische Felder (112; 229) in der Steuereinrichtung (60; 200), den Steuer-Luftspalten (g1, g2) und dem zwischen den Zähnen (62, 64; 208, 210) befindlichen Abschnitt des Trageteils (52; 206) erzeugt, um die Kräfte einzustellen, die auf den Trageteil (52; 206) einwirken, um so die Lage des Trageteils (52; 206) zwischen den Zähnen (62, 64; 208, 210) zu steuern.

4. Axialmagnetlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor (96, 98; 132; 100) an einer solchen Stelle angeordnet ist, daß er eine Fläche (74; 220) an der Dreheinrichtung (50; 140; 204) überwacht und die axiale Stellung der Dreheinrichtung (50; 204) mißt und ein entsprechendes elektrisches Axialstellungssignal liefert.

5. Axialmagnetlager nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Signalverarbeitungseinrichtung (92), die auf das Axialstellungssignal anspricht, um den elektrischen Strom in die Spulen (90; 230) einzuspeisen und so die elektromagnetische Kraft zum Halten des Trageteils (52; 206) zu modulieren, damit dieses etwa zentrisch zwischen den Zähnen (62, 64; 208, 210) der Steuereinrichtung (60; 200) angeordnet ist.

6. Axialmagnetlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (96, 98; 132; 100) sich an der überhängenden Armanordnung (70; 130; 216) befindet.

7. Axialmagnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (60) sich außerhalb des Außendurchmessers der Dreheinrichtung (50) befindet.

8. Axialmagnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überhängende Armanordnung (70) in der Nähe der Mitte ein Loch (80) aufweist.

9. Axialmagnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (60; 200) aus einem eine Hochfrequenz-Bandbreite aufweisenden magnetisch leitenden Material hergestellt ist.

10. Axialmagnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trageteil (52) sich von der Dreheinrichtung (50; 140) radial nach außen erstreckt.

11. Axialmagnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreheinrichtung (50; 204) einen Flansch (56) aufweist, der sich von ihr in der Nähe der Stirnfläche (74; 220) radial erstreckt, um dadurch eine große Oberfläche für den Gleich-Fluß bereitzustellen, der in der Nähe der Stirnfläche (74; 220) passiert.

12. Axialmagnetlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (56) sich von der Dreheinrichtung (50) radial nach außen erstreckt.