DK159126B - Magnetleje til triaksial lejestabilisering - Google Patents

Description

DK 159126 B

Opfindelsen vedrører et magnetleje til triaksial lejestabilisering af legemer. Magnetlejet har på over for hinanden liggende sider en bevægelig lejedel samt stationære lejedele. Mellem de stationære lejedele opretholdes der en magnetf lux, som trænger gennem den bevægelige 5 lejedel i en retning. Til frembringelse af tilbageføringskræfter parallelt med magnetfluxretningen er der i de stationære lejedele monteret elektriske spoler, som styres, af et sensorsystem, som på berøringsfri måde aftaster den bevægelige lejedels placering, samt en regulator.

10 Et magnetleje af denne type kendes fx fra USA patentskrift nr.

3.860.300 og fra tysk patentskrift nr. 24.44.099. De benyttes specielt til aksial stabilisering af magnetisk lejrede rotorer, se fx Voss/Cohem "UHV compatible chopper system” i J. Vac. Sci. Technol., vol. 17, nr. 1, s. 303 ff, 1980 og Fremerey/Boden "Active permanent 15 magnet suspensions for scientific instruments" i J. Phys. E.: Sci.

Instrum., vol. 11, s 106 ff, 1978. Fordelen ved dette kendte per-mamagnetiske rotorleje er, at de til formål for en i alle retninger berøringsfri lejring kun kræver en stabilisering i rotoraksens retning. Denne fordel opnås imidlertid på bekostning af den ligeledes 20 velkendte ulempe, at sådanne lejringer praktisk talt ingen dæmpning har i radiale retninger. De heraf resulterende problemer i forbindelse med passage af kritiske rotoromdrejningstal kan i begrænset omfang imødegås ved forøget omhu ved stabilisering af rotorsystemet, således som det er beskrevet af Voss/Cohem i deres ovenfor angivne 25 publikation. Det er også kendt at benytte ekstra elektroniske eller mekaniske dæmperindretninger for at reducere den forstyrrende påvirkning fra vibrationer på rotorlejringen, se Fremerey "Spinning rotor vacuum gauges” i Vacuum, vol. 32, nr. 10/11, s 685 ff, 1982.

Til stabilisering af magnetlejer benyttes der også hvirvelstrømsdæm-30 perindretninger. Således er det i USA patentskrift nr. 3.929.390 blevet foreslået at montere stationære kobberskiver på forsiden af permamagneter, der er fastgjort til roterende dele, for at stabilisere lejesystemet. En sådan dæmperindretning har en ringe virkningsgrad i betragtning af mængden af permamagnetisk materiale, da det af 35 permamagneterne frembragte magnetfelt divergerer kraftigt ved per-mamagneternes frie ender, og da de til den tilstræbte radiale hvir- 2

DK 159126 B

velstrømsdæmpning nødvendige feltkomponenter i aksial retning følgelig kun har en ringe rækkevidde ind i kobberskiven.

En væsentlig højere virkningsgrad opnås ved tilvejebringelse af stationære kobberskiver i feltet mellem to efter hinanden koblede perma-5 magneter (se Report ESA-CR (P)-696 MU/EX nr. 47.055/15, s. 12. I

denne indretning forløber magnetfelterne i kobberet i alt væsentligt i aksial retning, så at der sikres en optimal feltudnyttelse til hvirvelstrømsdæmpning af radiale rotorbevægelser. Antallet af komponenter er imidlertid betydeligt. Der benyttes i alt seks ringfor-10 mede permamagneter, af hvilke to endog skal have den fremstillings-teknisk ugunstige radiale magnetiseringsretning. En af Fremerey i "High vacuum gas friction manometer" i J. Vac. Sci. Technol., vol. 9, nr. 1, s 108 ff, 1972 beskrevet radial hvirvelstrømsdæmpning af et i tråde ophængt magnetsystem er i sin konstruktionsmæssige udformning 15 af det magnetiske kredsløb med hensyn til den opnåede virkningsgrad væsentligt simplere. I dette magnetsystem trænger et aksialt forløbende magnetfelt mellem en permamagnets og en flad jernskives flader gennem en stationær kobberskive. I denne indretning er sammenføjningen af hvirvelstrømsdæmperindretningen og det berøringsfrit lejrede 20 legeme imidlertid meget kompliceret. Til dette formål kræves der en elektronisk forstærker med flertrinsaftastningsspoler og elektromagnetiske afbøjningsspoler i mindrst to indbyrdes uafhængige retninger.

De to sidst beskrevne indretninger har foruden den beskrevne kompleksitet den ulempe, at de alene kan benyttes til radial dæmpning.

25 De tilvejebringer ikke et magnetisk leje.

Den ovenfor beskrevne hvirvelstrømsdæmper indretning ifølge USA patentskrift nr. 3.929.390 udnytter radiallejets permamagneter til dæmpningen, men indretningen har af de ovenfor angivne grunde kun en ringe virkningsgrad. Det til magnetisk lejring nødvendige aksialleje 30 er monteret på et andet sted.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe et magnetleje med simplest mulig konstruktion og til triaksial berøringsfri lejestabilisering af legemer med virkningsfuld hvirvelstrømsdæmpning, i hvilket magnetleje et enkelt permamagnetisk kredsløbs fluks udnyttes til den

DK 159126 B

3 aksiale stabilisering og samtidig til den radiale centrering og dæmpning.

Dette formål opnås med et magnetleje af den indledningsvis nævnte art og med de i krav 1 angivne ejendommeligheder. Den bevægelige lejedel 5 har således mindst to permamagnetiske områder, som indbyrdes er adskilt af en vinkelret på fluksretningen orienteret spalte. Ind i spalten rager en plade af et ikke-magnetiserbart materiale med stor elektrisk ledningsevne. Pladen er monteret stationært og berører ikke den bevægelige lejedel.

10 Da de permamagnetiske områder er placeret ved spalten, frembringes der i spalten parallelt med det roterende legemes akse en stor magnetisk fluks med få spredningsfluksandele.

Den magnetiske fluks, som udstråles fra polfladerne, trænger gennem den i spalten placerede plade af ikke-magnetiserbart materiale og med 15 stor elektrisk ledningsevne. Som plademateriale benyttes fortrinsvis kobber. Når den bevægelige lejedel med sine parallelt med pladeoverfladen placerede polflader bevæger sig parallelt med pladen, induceres der i pladen elektriske spændinger med orientering vinkelret på den bevægelige lejedels bevægelsesretning. Den del af pladen, som 20 befinder sig i spalten, bliver dermed en spændingskilde, idet størrelsen af den inducerede spænding er proportional med den bevægelige lejedels bevægelseshastighed. Denne spændingskildes indre modstand bestemmes af tværsnittet af og længden af det plademateriale, som gennemtrænges af den permamagnetiske fluks, og er afhængig af plade-25 materialets elektriske ledningsevne.

Dæmpningen af den bevægelige lejedel opnås ved, at den del af pladens plademateriale med stor elektrisk ledningsevne, hvilken del ikke gennemstrømmes af en magnetisk fluks, kortslutter den i spalteområdet frembragte spændingskilde, hvorved der strømmer en kortslutnings-30 strøm. Den derved forbrugte tabsenergi vindes af bevægelsesenergien af lejedelen, som er i bevægelse. Herved opvarmes pladen, og den bevægelige lejedels bevægelse svækkes.

4

DK 159126 B

For at reducere den elektriske modstand af pladen uden for det område af pladematerialet, som gennemstrømmes af den magnetiske fluks, er pladematerialet i overensstemmelse med den i krav 2 angivne udførelsesform for opfindelsen forstærket uden for spalten.

5 Til lejring af roterende legemer er i krav 3 angivet en foretrukken udførelsesform for magnetlejet. De stationære lejedele er fastgjort til en hul cylinder af et magnetisk godt ledende materiale, hvilken cylinder tjener til fluksledning og til magnetisk afskærmning af magnetlejet. Den hule cylinder afskærmer på den ene side magnetlejet 10 i forhold til ydre forstyrrende felter, så at en fejlfri drift af magnetlejet, selv i umiddelbar nærhed af andre elektromagnetiske indretninger, fx drivmotorer, sikres, og på den anden side forhindrer afskærmningen også magnetiske forstyrrelser hidrørende fra selve magnetlejet af indretninger i magnetlejets nærhed. Desuden danner 15 magnetlejet med den hule cylinder en kvasilukket indretning, der er mekanisk robust og let at håndtere.

Egenskaberne ved magnetlejet kommer på specielt gunstig måde til udtryk ved anvendelsen af magnetlejet til stabilisering af passive permamagnetiske lejesystemer,, således som det er angivet i krav 4·? 20 Sådanne lejer har i rotationssymmetrisk udformning i lejeaksens retning en betydelig kraftustabilitet, som driver de lejrede rotations-legemer til den ene eller den anden side fra legemernes neutrale stillinger mod det nærmeste aksiale mekaniske anslag. Denne ustabilitet elimineres ved tilvejebringelsen af magnetlejet ifølge opfindel-25 sen. Det radialt passive permamagnetiske lejesystem kan selv i området omkring kritiske omdrejningstal drives, uden at der optræder forstyrrende dynamiske ustabiliteter, såsom fx nutationsbevægelser. Magnetlejets dæmpningsvirkning på drejningssvingninger af det lejrede legemes rotationsakse omkring en tværakse bliver jo gunstigere, desto 30 længere magnetlejet anbringes i afstand fra det roterende legemes tyngdepunkt. Magnetlejet egner sig specielt til stabilisering af lejesystemer til svinghjul. Specielt fordelagtig er desuden magnetlejets anvendelse som bære- eller understøtningsleje til højhastighedscentrifuger med lodrette rotationsakser samt til turbomolekylære 35 pumper.

DK 159126 B

5

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, der viser udførelsesformer for et magnetleje ifølge opfindelsen, og på hvilken fig. 1 viser et magnetleje til et roterende legeme, og 5 fig. 2 et lejesystem med passiv permamagnetisk radiallejring, hvilket lejesystem stabiliseres ved hjælp af det i fig. 1 viste magnetleje.

I fig. 1 er vist et rotationssymmetrisk magnetleje. Magnetlejet tjener som bære- eller understøtningsleje for en aksel 1 af et omkring en lodret akse 2 roterende legeme. Magnetlejet har stationære 10 lejedele 3a og 3b, der udgør en del af en hul cylinder 4, der er af magnetisk godt ledende materiale, fortrinsvis jern. De stationære lejedele 3a og 3b danner sammen med den hule cylinder 4 indbyrdes forbundne ringe, som i denne udførelsesform er placeret ved den hule cylinder 4's to ender. Mellem de ringformede stationære lejedele 3a 15 og 3b og den hule cylinder 4 findes der elektriske spoler 5a og 5b til styring af magnetlejet, hvilke spolers strømgennemgang styres via et sensorsystem 6 og en elektronisk regulator 7. De elektriske forbindelsesledninger er på tegningen vist med punkterede linjer. Sensorsystemet aftaster placeringen af det roterende legemes aksel 1.

20 En akseldel 1' strækker sig aksialt gennem den hule cylinder 4. På akseldelen i' er monteret en lejedel 8, som roterer sammen med akselen og dermed danner en bevægelig lejedel i magnetlejet. Den bevægelige lejedel 8 er placeret mellem de stationære lejedele 3a og 3b, idet de modstående sider 8' og 8" af den bevægelige lejedel 8 er 25 placeret over for de stationære lejedele 3a og 3b og danner et lille mellemrum. Mellem de bevægelige og de stationære lejedele løber den magnetiske fluks parallelt med aksen 2. Den magnetiske fluks, som toroidformet omslutter aksen 2 trænger igennem de i snit viste lejedele og er i figuren vist markeret med en lukket linje.

30 Den bevægelige lejedel 8 har to permamagnetiske områder 9a og 9b, som er placeret med en indbyrdes aksial afstand a og danner en spalte 11, som er orienteret vinkelret på den frembragte magnetiske fluks med fluksretningen 10, og som adskiller lejeområderne 9a og 9b fra hinanden. En ringformet plade 12 rager ind i spalten 11, hvilken plade er 35 monteret stationært og i den viste udførelsesform fastgjort til den hule cylinder 4. Pladen 12 rager så langt ind i spalten 11, at den 6

DK 159126 B

gennemtrænge s af den magnetiske fluks. Pladen 12 består af ikke-magnetiserbart materiale med stor elektrisk ledningsevne, fortrinsvis kobber.

Til dannelse af de permamagnetiske områder 9a og 9b benyttes der på 5 områdernes polflader 13a og 13b i spalten 11 fortrinsvis som perma-magnetisk materiale en legering af sjældne jordarter og cobolt. Dette højkoercitive materiale magnetiseres parallelt med aksen 2 og er således anbragt, at de to områder 9a og 9b danner efter hinanden koblede permamagneter. Sammen med de stationære lejedele 3a og 3b, 10 som er magnetisk polariseret modsat, opnås der dermed via den hule cylinder 4, der er magnetisk godt ledende, en permamagnetisk fluks med en forudbestemt retning. I fig. 1 er den i denne udførelsesform frembragte fluksretning 10 angivet med pile. Den stationære lejedel 3a danner således en magnetisk nordpol, medens lejedelen 3b danner en 15 magnetisk sydpol.

De af de ringformede elektriske spoler 5a og 5b ved strømgennemgang frembragte magnetiske felter bevirker ved en modsat strømgennemgang i spolerne en aksial kraft, som alt efter strømretningen i spolerne virker aksialt i den ene eirer den anden retning på den Bevægelige 20 lejedel 8 og dermed på akselen 1. Sensorsystemet 6 frembringer elektriske signaler, som er proportionale med akselens afvigelser fra dens forudbestemte aksiale stilling. Signalerne fra sensorsystemet 6 forstærkes af regulatoren 7 og bestemmer strømretning og strømstyrke i spolerne 5a og 5b. Den herved ved hjælp af spolerne frembragte 25 aksiale kraft på den bevægelige lejedel 8 modvirker den af sensorsystemet 6 målte aksiale afvigelse af akselen 1 fra den tilsigtede stilling. Når den tilsigtede eller ønskede stilling nås, løber der ikke mere nogen strøm.

Mellem de permamagnetiske områder 9a's og 9b's polflader 13a og 13b 30 frembringes der stor magnetisk fluks. Den magnetiske fluks, som udstråles gennem polfladerne 13a og 13b trænger i fluksretningen 10 gennem den plade 12, som rager ind i spalten 11, så at der ved radiale bevægelser af akselen 1 induceres en spænding i pladen 12. Det område af pladen 12, som findes i spalten 11, danner således en 7

DK 159126 B

spændingskilde, idet størrelsen af den inducerede spænding er proportional med den bevægelige lejedels radiale bevægelseshastighed.

Den del af pladen 12, som rager uden for spalten 11, gennemstrømmes ikke af den magnetiske fluks. I dette magnetfeltfrie rum induceres 5 der ikke nogen elektrisk spænding. Via dette ydre område af pladen 12 kortsluttes den spændingskilde, som frembringes i det område af pladen, som befinder sig i spalten. Den med kortslutningsstrømmen forbundne tabsenergi vindes fra det roterende legemes bevægelsesenergi og reducerer denne, idet pladen 12 opvarmes. For at tilveje-" 10 bringe en så lille elektrisk modstand som mulig i området af pladen i det magnetfeltfrie rum har pladen 12 i sit område uden for spalten 11 en materialeforstærkning 14, der i den viste udførelsesform er udformet ringformet og symmetrisk i forhold til spalteplanet, og som er bredere end spalten 11. Som følge af denne materialeforstærkning 14 15 kan der i pladen 12 frembringes store kortslutningsstrømme, som sammenlignet med en ikke forstærket plade fører til væsentligt større dæmpningsydelse ved samme inducerede spænding.

Den bevægelige lejedel 8 kan også have flere med indbyrdes afstande placerede permamagitetiske områder med hver en plade, som rager ind i 20 den mellem områderne dannede spalte. Spalterne forløber vinkelret på den magnetiske fluks og dermed placeret efter hinanden i aksen 2's retning og indbyrdes parallelt. En sådan udformning af magnetlejet forøger dæmpningsvirkningen.

I den viste udførelsesform danner de permamagnetiske områder 9a og 9b 25 af den bevægelige lejedel 8 ringformede permamagneter, hvorved der opnås et meget stort vægtspecifikt magnetisk moment for den bevægelige lejedel. Vægtbelastningen på det med akselen 1 roterende legeme eller på rotorsystemet bliver dermed lille. Anbringelsen .af de ringformede permamagneter i en kobling efter hinanden fører til en op-30 timal virkningsgrad for de spoler 5a og 5b, som korrigerer akselens aksiale afvigelser. Det højkoercitive permamagnetiske materiale har et sådant magnetisk moment, at det ikke påvirkes hverken af spolerne 5a's og 5b's magnetfelter eller af et ydre magnetfelt, som trænger ind i lejeelementet. Samtidigt sikrer den ringe magnetiske lednings-35 evne, som højkoercitive magnetiske materialer har, langs set roterende

DK 159126 B

8 legemes akse 2 en relativt begrænset magnetisk basisustabilitet af den bevægelige lejedel 8 i aksial retning i forhold til de stationære lejedele 3a og 3b.

Den hule cylinder 4, der er af magnetisk godt ledende materiale, 5 danner en magnetisk afskærmning af lejeelementet, hvilken afskærmning på den ene side beskytter mod ydre forstyrrende magnetfelter og på den anden side også forhindrer magnetisk forstyrrende påvirkning på indretninger i magnetlejets nærhed som følge af de kraftige magnetfelter fra selve magnetlejet.

10 I fig. 2 er vist en speciel anvendelse af det i fig. 1 viste magnetleje. I fig. 2 er vist et passivt permamagnetisk lejesystem til et svinghjul 15 med to passive permamagnetiske radiallejer 16a og 16b, der på kendt måde har permamagneter 17a og 17b med radialt frastødende (radiallejet 16a) eller aksialt tiltrækkende virkning (radial-15 lejet 16b). Ved denne udførelsesform er permamagneterne 17a monteret stationært, medens permamagneterne 17b med akselen 18 og svinghjulet 15 som rotorsystem danner bevægelige lejedele. En sådan magnetisk lejring af rotorsystemet har i neutralstillingen, dvs. når de bevægelige permamagneter 17b i akselen 18's akseretning indtager en sym-20 metrisk position i forhold til de stationære permamagneter 17a, en betydelig aksial kraftustabilitet, som driver rotorsystemet til den ene eller den anden side fra den neutrale stilling. Denne ustabilitet elimineres af et magnetleje 19 af den i fig. 1 viste konstruktion. Magnetlejet 19 styres fra et positionsfølersystem 20 med en forstær-25 ker 21 på samme måde, som det ovenfor beskrevne og i fig. 1 viste magnetleje. Med magnetlejet 19 kan rotorsystemet med akselen 18 og svinghjulet 15 nu også drives i området omkring kritiske omdrejningstal, uden at der optræder forstyrrende dynamiske ustabiliteter, såsom fx nutationsbevægelser. Magnetlejet 19's dæmpningsvirkning på akselen 30 18's drejnings svingninger omkring en tværakse er jo gunstigere, desto længere magnetlejeelementet 19 er placeret fra rotorsystemets tyngdepunkt. Til forstærkning af dæmpningsvirkningen kan der naturligvis monteres flere magnetlejer 19.

Magnetlejet ifølge opfindelsen udmærker sig således ved følgende 35 ej endommeligheder: 9

DK 159126 B

Magnetlejet har en enkelt toroidformet lukket permamagnetisk kreds.

Fluksforløbet er i fig. 1 antydet med de med strømningsretningen 10 markerede lukkede linjer.

Den akslale berøringsfrie stabilisering af den bevægelige lejedel 8 5 mellem de stationære lejedele 3a og 3b frembringes ved hjælp af spolerne 5a og 5b, som aktiveres af sensorsystemet 6 og den elektroniske regulator 7 med strømme i indbyrdes modsatte retninger, såledesjsom det er beskrevet i tysk patentskrift nr. 24.44.099. Disse strømmes 9 retninger og størrelse bestemmes af udgangssignalet fra sensorsyste-10 met, som detekterer akselen l's aksiale placering og dermed den bevægelige lejedel 8's placering på berøringsfri måde. Regulatoren 7 frembringer strømmer, der ved hjælp af spolerne 5a og 5b i forbindelse med de permamagnetiske områder 9a og 9b omsættes til tilbageføringskræfter, der virker parallelt med fluksretningen 10, så snart 15 den bevægelige lejedel 8 har fjernet sig fra den aksiale stilling, "i hvilken regulatorens udgangsstrøm forsvinder. Regulatoren frembringer samtidigt dæmpningskræfter, der uafhængigt af en vilkårlig aksial position modvirker alle aksiale bevægelser, specielt aksiale svingninger, af den bevægelige lejedel 8.

20 Den bevægelige lejedel 8's radiale centrering i forhold til de stationære lejedele 3a og 3b frembringes af den snævre placering af ens formede polflader af permamagnetiske områder 9a og 9b og af magnetiserbare ringformede stationære lejedele 3a og 3b, der fortrinsvis er af jern.

25 Den radiale dæmpning frembringes sluttelig af pladen 12, som er anbragt stationært mellem den bevægelige lejedel 8Vs permamagnetiske områder 9a og 9b, og som er af ikke magnetiserbart materiale med stor magnetisk ledningsevne, fortrinsvis af kobber. Ved radiale bevægelser af lejedelen 8 induceres der elektriske spændinger i de områder af 30 pladen 12, som gennemtrænges af den magnetiske fluks.

Magnetlejet ifølge opfindelsen tilvejebringer således berøringsfrie tilbageførings- eller centrerings- og dæmpningskræfter i tre indbyrdes uafhængige akseretninger (en aksial og to radiale retninger).

Claims (4)

1. Magnetleje til triaksial berøringsfri lejestabilisering af legemer, hvilket magnetleje på over for hinanden liggende sider af en bevægelig lejedel (8) har stationære lejedele (3a, 3b), idet der 10 mellem de stationære lejedele opretholdes en permamagnetisk fluks, som trænger gennem den bevægelige lejedel i en retning, og idet der til frembringelse af tilbageføringskræfter parallelt med fluksretningen (10) er monteret elektriske spoler (5a, 5b) på de stationære lejedele, hvilke spoler styres af et sensorsystem (6), som aftaster 15 den bevægelige lejedels placering på berøringsfri måde, samt en reguleringsindretning (7), kendetegnet ved, at den bevægelige lejedel (8) har mindst to permamagnetiske områder (9a, 9b), som adskilles af en vinkelret på fluksretningen (10) orienteret spalte (11), og at der ind i spalten 20 rager en stationær plade (12) af et ikke-magnetiserbart materiale med stor elektrisk ledningsevne, hvilken plade ikke berører den bevægelige lejedel (8).

2. Magnetleje ifølge krav 1, kendetegnet ved, at pladen (12) uden for spalten (11) har 25 en materialeforstærkning (14).

3. Magnetleje ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at lejedelene (3a, 3b, 8) er udformet rotationssymmetrisk, idet de stationære lejedele (3a, 3b) er forbundet med hinanden via en hul cylinder (4), der er af et materiale med stor 30 magnetisk ledningsevne. 11 DK 159126 B

4. Magnetleje ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at magnetlejet benyttes til stabilisering af et passivt permamagnetisk lejesystem. C* ess?