EP1896741A2 - Device for magnetically supporting a rotor shaft comprising a radial guiding element and having axial adjustment - Google Patents

Device for magnetically supporting a rotor shaft comprising a radial guiding element and having axial adjustment

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EP1896741A2
EP1896741A2 EP06763831A EP06763831A EP1896741A2 EP 1896741 A2 EP1896741 A2 EP 1896741A2 EP 06763831 A EP06763831 A EP 06763831A EP 06763831 A EP06763831 A EP 06763831A EP 1896741 A2 EP1896741 A2 EP 1896741A2
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EP
European Patent Office
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magnetic
flux
elements
rotor
bearing device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06763831A
Other languages
German (de)
French (fr)
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Günter RIES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16C2300/00—Application independent of particular apparatuses
    • F16C2300/02—General use or purpose, i.e. no use, purpose, special adaptation or modification indicated or a wide variety of uses mentioned

Definitions

  • the invention relates to a device for the magnetic bearing of a rotor shaft against a stator having the following features: a) A first bearing part is connected to the rotor shaft and from a second, the stator associated bearing part below
  • the first bearing part contains perpendicular to the axis of the rotor shaft ⁇ aligned, arranged in the direction of the axis successively rotor disk elements which are each spaced to form a gap
  • the second bearing part contains perpendicular to the axis of the Ro ⁇ torwelle aligned, arranged in the direction of the rotor axis behind ⁇ each other, spaced apart stator disk elements, each projecting into one of the interstices of adjacent rotor disk elements, d) between the elements, a substantially directed in the axial direction magnetic flux is formed.
  • a corresponding storage facility is e.g. from DE 38 44 563 C2.
  • Magnetic storage facilities allow a contact and wear-free storage of moving parts. They require no lubricant and can be designed with low friction.
  • Conventional (conventional) radial or Axialmagnet ⁇ storage facilities use magnetic forces between stationary electromagnets of a stator and co-rotating ferromagnetic elements of a rotor body. The magnetic ⁇ forces are always attractive in this type of storage. As a consequence, in principle, not inherently stable bearing in al ⁇ len three spatial directions can be achieved.
  • Such magnetic bearing devices therefore require active bearing control, which uses position sensors and control circuits to control the currents of electrical control magnets and counteract deviations of the rotor body from its desired position.
  • the Rege multichannel executed ⁇ development requires a complex power electronics.
  • Entspre ⁇ sponding magnetic bearing devices are for example larpumpen at Turbomoleku-, ultra centrifuges, high-speed spindles of machine tools and X-ray tubes with rotating anodes used; also a use in motors, generators, turbines and compressors is known.
  • FIG. 1 The basic structure of a corresponding bearing device 30 is outlined in FIG.
  • five associated control loops rl to r4 or z5 are required here.
  • the state of the art also includes stable storage facilities with magnetic flux, soft magnetic parts such as iron and with permanent magnets in one direction.
  • permanent magnet rings are aligned on a shaft axially primarily with the poles ei ⁇ nes iron yoke and cause such a radial centering.
  • the magnetic flux is amplified here by excitation coils, where ⁇ if necessary, the axially unstable degree of freedom is stabilized by an electronic control loop.
  • a plurality of alternately stationary and rotating ring magnets axially one behind the other can be lined up with the same axial magnetization and fulfill a radial bearing function. Again, the axial degree of freedom must be actively stabilized.
  • the object of the present invention is to provide a magnetic bearing device for a non-contact bearing of a shaft, in particular for a high-speed machine such as e.g. a turbocompressor to specify, which is less expensive compared to the cited prior art.
  • a high-speed machine such as e.g. a turbocompressor to specify
  • a high load-bearing capacity and a high bearing rigidity should be ensured.
  • a first bearing part is connected to the rotor shaft and surrounded by a second, the stator associated bearing part with mutual spacing,
  • the first bearing part contains perpendicular to the axis of the rotor shaft aligned ⁇ elements in the direction of the rotor shaft axis towards ⁇ arranged behind the other soft-magnetic rotor Scheib Enele which are spaced to form an intermediate space,
  • the second bearing part contains se perpendicular to Rotorwellenach- aligned, arranged in succession in the direction of this axis, spaced-apart soft-magnetic stator disk elements, which protrude in each case in one of the intermediate spaces of adjacent rotor disk elements ⁇ ,
  • the rotor disk elements and the stator disk elements are formed on their respectively mutually facing sides into annular tooth-like extensions, which each face one another via an air gap,
  • stator disk elements are assigned magnetic-field-generating means for generating a magnetic holding flux directed essentially between the rotor disk elements and the stator disk elements in the axial direction,
  • the bearing parts are each symmetrical with respect to a directed perpendicular to the rotor axis center plane divided into two bearing halves, and
  • At least one stationary winding of an electric ⁇ magnet is provided in the middle plane with which a magnetic control flow is to be superimposed to the magnetic holding flux, so that the flux densities of the Steuerflus ⁇ ses and the holding flux on the one side of the rotor ⁇ disk elements additively superimposed on the respectivemélie ⁇ ing side subtractive.
  • the external magnetic field generating means a magnetic holding flux over the respective bearing gap and magnetize the tooth-like extensions of the weichmagneti ⁇ rule, especially iron-containing material.
  • the magnetic flux density in the respective gap is inhomogeneous, whereby forces are exerted on the iron surface.
  • a considerably larger magnetization and thus a larger bearing force per area can be achieved in iron-containing material than in arrangements with permanent magnet material such as neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B) alone.
  • the system will minimize the magnetic resistance and the tooth-like projections so align ⁇ that they face each other as close as possible. In the equilibrium position then the tooth-like projections are exactly opposite; at radial deflection cause the magnetic holding forces a proportional restoring force; ie a radial control is then no longer necessary.
  • the maximum radial force is applied when displaced by half the width of the tooth-like extensions. Since the lengths ⁇ scale by the radial width of projections plus Between the seats ⁇ rule lying gaps is given, the bearing stiffness can be selected by the dimensions of the tooth-like projections in a wide range. In particular, can be realized by a fine structuring of the tooth-like extensions very rigid storage devices. In a symmetrical arrangement with the same bearing gaps on both sides, the axial forces cancel the rotor disk elements. However, the equilibrium is axially unstable ⁇ ses and must be stabilized by additional means such as actively controlled axial bearing parts. However, only one single control loop for a single thrust bearing is required per shaft instead of five as in the prior art with actively controlled radial bearings.
  • An inventively designed magnetic bearing device is thus characterized by a stable, unregulated radial leadership and a single, to be carried out in a simple manner axial control.
  • the apparatus may advantageously following shopping ⁇ male comprise:
  • axially extending soft magnetic material for closing the magnetic flux circuits may be provided outside the intermediate spaces between the disk elements on their radially inner side and outer side.
  • the soft magnetic material may be provided by an axially extending outer yoke body and / or by at least parts of the rotor shaft. With such parts of soft magnetic material, the magnetic resistance of the magnetic flux circuit can be reduced, so that so that a corresponding increase in the flux density between the tooth-like projections and thus improved magnetic rigidity can be achieved.
  • the magnetic field generating means for generating the holding flux can be permanent magnetic elements, wherein these permanent magnetic elements can be integrated at least into some of the stator disk elements.
  • Corresponding storage devices are relatively compact to build.
  • these permanent magnetic elements can advantageously be arranged in each case between two axial halves of a stator disk element. It is • advantageous in view of high flux densities Zvi ⁇ rule the disc elements and an effective use of the permanent magnetic material when the stator disk elements are provided with the perma ⁇ nentmagnetica elements radially have a greater extension than the neighboring rotor disk elements without permanent-magnet elements.
  • these magnetic-field-generating means are formed by at least one winding of an electromagnet.
  • this at least one magnet ⁇ winding for generating the holding flux in each storage half enclose each at least some of the rotor disk elements with spacing.
  • the at least one winding of the can Elektromag ⁇ Neten for generating the magnetic either a magnetic holding flux and the magnetic control flux leading average rotor disc element to query, or a rotor shaft surrounded contact-free manner at its leading magnetic field outside.
  • the mutually facing flat sides of the rotor disk elements and the stator disk elements provided with the tooth-like extensions can be inclined relative to a perpendicular to the rotor shaft axis .
  • wedge-shaped longitudinal sectional shapes of the elements result.
  • the axial extent (or slice thickness) and the angle of inclination are chosen so that the disc elements can absorb the magnetic flux everywhere, without getting into the magneti ⁇ cal saturation.
  • At least one axial distance sensor, nominal value transmitter and regulator with amplifier must be assigned to control an electric current provided by the at least one control magnet winding for generating the magnetic control flux.
  • the illustrated in Figure 2 magnetic storage device has a symmetrical to a median plane Me structure with two bearing halves LhI and Lh2.
  • the device comprises a contactless to be stored Rotorwel ⁇ le 3 with a co-rotating first bearing part 4, which in each bearing half aligned perpendicular to the axis A of the rotor shaft, attached to this, co-rotating Rotorusionn ⁇ elements 4i made of soft magnetic material such as iron on ⁇ has.
  • the rotor disk elements 4i are arranged in the axial direction one behind the other, forming respective intermediate spaces 5j.
  • a central rotor disk element is 4z just ⁇ if appropriate of the soft magnetic material on the rotor shaft 3, said member having towards the rotor disk elements 4i in the two bearing halves of a relatively larger axial From ⁇ strain.
  • a stationary stator of the magnetic bearing device 2 forms a second bearing part 7 with likewise axially spaced, annular disk-shaped stator disk elements 7i enclosing the rotor shaft 3 at a spacing.
  • This stator disk from also soft Mate ⁇ rial project without contact into the spaces 5j radially toward ⁇ , so that in each bearing half LHI, Lh2 an axially alternating, comb-like arrangement of rotor disk elements 4i and Statorelectricnettin 7i results.
  • the rotor disk elements and the stator disk elements are ih ⁇ ren respectively mutually facing flat sides with concentrically surrounding annular tooth-like projections 4f and 7f provided and designed to such projections.
  • these tooth-like extensions are obtained by incorporating annular, concentric grooves or grooves in the two opposite flat sides of corresponding iron discs.
  • the tooth-like processes of both Disc elements face each other over a small air gap 8k.
  • the stator disk elements 7i are assigned means for generating a magnetic flux which is axial via the air gaps 8k between the rotor disk elements and the stator disk elements.
  • Whose field lines are indicated in the figure with Deutschengezoge ⁇ NEN lines and designated with MFI.
  • the system tries accordance with the reluctance of the magnetic resistance to minimize and for For the tooth-like projections so ⁇ judge that they are in a position of equilibrium genübermaschine exactly ge ⁇ . In a radial deflection, however, the magnetic forces cause a proportional restoring force; ie, a radial control is not necessary.
  • the magnetic flux serving for this radial guidance or mounting of the rotor shaft 3 with its attached thereto, in particular magnetic-flux-carrying parts, can therefore also be referred to as a "radial holding flux".
  • each Statorusionnelement 7i is divided axially into two halves, between which a radially extending layer or annular disk 7m is of a permanent magnetic material such as in particular ⁇ NdFeB for generating.
  • the stator disk elements 7i advantageously have a greater radial extent than their grooved effective area with the tooth- like extensions 7f. In this way, flux densities of, in particular, 1 Tesla or more can be achieved in the air gaps 8k and the magnetic material can be operated at a working point, for example between 0.5 and 0.8 Tesla when using NdFeB with a large energy product BH.
  • Rotor section ⁇ elements 4e formed as flux guides, which together with a ferromagnetic flux feedback on the existing at least on its outer side of ferromagnetic material rotor shaft close the magnetic circuit.
  • a centering radial and decentering axial force action in the magnetic bearing device 2 is caused by the inhomogeneities of the magnetic field in the air gaps 8k caused by the tooth-like projections 4f and 7f of the disk elements 4i and 7i.
  • the tooth-like projections acts in the storage device additionally perpendicular to the surfaces of weichmagneti ⁇ 's parts an attractive force density whose size ⁇ B> 2 / 2 ⁇ 0 .
  • the size ⁇ B> represents the mean value of the Flußdich ⁇ te, which is usually the same in the air gaps on both sides of a rotor disk element, so that cancel the corresponding axial forces.
  • the outer yoke body 11 for the control flux Mf2 is spaced from the stator disc elements 7i by a distance a, the magnitude a being generally between 2 and 10 times the width w of the air gaps 8k.
  • the intermediate ⁇ body 10 of non-magnetic material.
  • FIG 3 a corresponding embodiment of a magnetic bearing device according to the invention in Figure 2 corresponding representation is shown and generally designated 12.
  • the co-rotating rotor disk elements 4i are fixedly arranged coils 131 of an electromagnet in the area of rapid Dialen outside where ⁇ 7i extend radially in the stator disk elements between the individual magnetic coils 131 therethrough.
  • the magnetic flux circuit for the holding flux MfI is closed by way of an outer yoke body 14, on which the stator disk elements 7i respectively rest directly with their radial outer side.
  • the rotor shaft 3 is here also made of magnetic material.
  • the individual rotor disk elements 4i are magnetically decoupled from the rotor shaft 3 via a sleeve-like intermediate body 15 with radial expansion a of non-magnetic material.
  • the size a is selected as in the embodiment according to FIG.
  • the magnetic control flux Mf2 is also caused by a stationary winding 17 of an electromagnet.
  • This control solenoid winding 17 is located here JE but in a rotor shaft region close to the center plane Me, not countries around the river curve of the holding flux Mfl to behin ⁇ . Therefore, a central rotor disk element is also omitted in this area.
  • the control flux Mf2 closes close to the axis via the rotor shaft 3 and axially away via the stator end disk elements 7e adjoining one another in the region of the center plane Me and the outer yoke body 14.
  • the magnetic field generating means for generating the magnetic holding flux MfI are either permanent magnetic elements 7m or windings 131 of at least one exciting magnet.
  • the desired axial holding Flow MfI on the tooth-like extensions 4f and 7f also ei ⁇ ne combination of permanent magnetic elements and windings of electromagnets possible.
  • the magnetic bearing devices 2 and 12 can also be operated according to the invention aligned so that their rotor shaft axis A is not horizontal, but is directed obliquely or perpendicular thereto.
  • the advantage of the construction of magnetic bearing devices according to the invention can be seen in the omission of a separate thrust bearing in a shaft bearing.
  • the magnetic axial field of the radial bearing function acts linearizing on the current-force characteristic of the axial position control. By minimizing the current value in the control concept, the
  • a held with one or two such magnetic bearing devices rotor shaft 3 can be kept contactless with an axial position control.
  • a corresponding, for example, below with two identically constructed magnetic bearing devices 2 and 2 'equipped to figure 2 magnetic bearing 24 con- tains according to the direction indicated in Figure 4 control block diagram of at least one distance sensor 25, a Sollwertge ⁇ about 26, a comparator device 27 and a controller device 28 with downstream amplifier.
  • This amplifier controls the axial control winding of the one, preferably both magnetic bearing devices in series and holds an axial target position.
  • the force-current characteristic is almost linear; ie, when power is reversed, the direction of force is reversed. This simplifies the design and stability of the control.
  • the axial position can, for example, the center position of the rotor disk elements 4i between the neighboring th stator disk elements 7i are specified.
  • the control is tert a different target Erwei ⁇ what is to be the time mean value of the coil current is close to zero.
  • this is the integral of the magnetic ⁇ current, multiplied by a scaling factor as a Posi ⁇ tion setpoint Z 0 in the comparison circuit device 27 for the actual position is compared by the distance sensor 25th The difference acts as a control deviation via the regulator device 28 with the amplifier back to the current.

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Abstract

The invention relates to a magnetic bearing device (12) comprising radial, soft magnetic rotor disk elements (7i) which engage in each other and soft magnetic stator disk elements (7i). Said elements (4i, 7i) are provided with teeth-like extensions (4f and/or 7f) which are arranged opposite to each other over an air gap (8k) on sides which are oriented towards each other. Means (7m) such as permanent magnets (7m), which produce magnetic fields, are assigned to the stator disk elements (7i) in order to produce a magnetic maintaining flow (Mf1) which is oriented in an axial direction between the disk elements (4i, 7i) for radial adjustment.An electromagnetic winding (9) is also provided in the region of the central plane (me) of the bearing device (2) for axial adjustment, which enables a magnetic control flow (Mf2), which superimposes the magnetic maintaining flow (MF1), to be produced.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle mit Radialführung und AxialregelungDevice for the magnetic bearing of a rotor shaft with radial guidance and axial control
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle gegen einen Stator mit folgenden Merkmalen: a) Ein erster Lagerteil ist mit der Rotorwelle verbunden und von einem zweiten, dem Stator zugeordneten Lagerteil unterThe invention relates to a device for the magnetic bearing of a rotor shaft against a stator having the following features: a) A first bearing part is connected to the rotor shaft and from a second, the stator associated bearing part below
Beabstandung umgeben, b) der erste Lagerteil enthält senkrecht zur Achse der Rotor¬ welle ausgerichtete, in Richtung der Achse hintereinander angeordnete Rotorscheibenelemente, die jeweils unter Aus- bildung eines Zwischenraums beabstandet sind, c) der zweite Lagerteil enthält senkrecht zur Achse der Ro¬ torwelle ausgerichtete, in Richtung der Rotorachse hinter¬ einander angeordnete, untereinander beabstandete Statorscheibenelemente, die jeweils in einen der Zwischenräume benachbarter Rotorscheibenelemente hineinragen, d) zwischen den Elementen ist ein im Wesentlichen in axialer Richtung gerichteter Magnetfluss ausgebildet.Surrounding spacing, b) the first bearing part contains perpendicular to the axis of the rotor shaft ¬ aligned, arranged in the direction of the axis successively rotor disk elements which are each spaced to form a gap, c) the second bearing part contains perpendicular to the axis of the Ro ¬ torwelle aligned, arranged in the direction of the rotor axis behind ¬ each other, spaced apart stator disk elements, each projecting into one of the interstices of adjacent rotor disk elements, d) between the elements, a substantially directed in the axial direction magnetic flux is formed.
Eine entsprechende Lagereinrichtung geht z.B. aus der DE 38 44 563 C2 hervor.A corresponding storage facility is e.g. from DE 38 44 563 C2.
Magnetische Lagereinrichtungen erlauben eine berührungs- und verschleißfreie Lagerung von bewegten Teilen. Sie benötigen keine Schmiermittel und können reibungsarm konstruiert wer- den. Herkömmliche (konventionelle) Radial- oder Axialmagnet¬ lagereinrichtungen benutzen magnetische Kräfte zwischen stationären Elektromagneten eines Stators und mitrotierenden ferromagnetischen Elementen eines Rotorkörpers. Die Magnet¬ kräfte sind bei diesem Lagertyp immer anziehend. Als Folge davon kann prinzipiell keine inhärent stabile Lagerung in al¬ len drei Raumrichtungen erzielt werden. Solche Magnetlagereinrichtungen benötigen deshalb eine aktive Lagerregelung, die über Lagesensoren und Regelkreise die Ströme von Elektro- magneten steuern und Abweichungen des Rotorkörpers aus seiner Solllage entgegenwirken. Die mehrkanalig auszuführende Rege¬ lung benötigt eine aufwendige Leistungselektronik. Entspre¬ chende Magnetlagereinrichtungen werden z.B. bei Turbomoleku- larpumpen, Ultrazentrifugen, schnelllaufenden Spindeln von Werkzeugmaschinen und Röntgenröhren mit Drehanoden eingesetzt; auch eine Verwendung bei Motoren, Generatoren, Turbinen und Kompressoren ist bekannt.Magnetic storage facilities allow a contact and wear-free storage of moving parts. They require no lubricant and can be designed with low friction. Conventional (conventional) radial or Axialmagnet ¬ storage facilities use magnetic forces between stationary electromagnets of a stator and co-rotating ferromagnetic elements of a rotor body. The magnetic ¬ forces are always attractive in this type of storage. As a consequence, in principle, not inherently stable bearing in al ¬ len three spatial directions can be achieved. Such magnetic bearing devices therefore require active bearing control, which uses position sensors and control circuits to control the currents of electrical control magnets and counteract deviations of the rotor body from its desired position. The Rege multichannel executed ¬ development requires a complex power electronics. Entspre ¬ sponding magnetic bearing devices are for example larpumpen at Turbomoleku-, ultra centrifuges, high-speed spindles of machine tools and X-ray tubes with rotating anodes used; also a use in motors, generators, turbines and compressors is known.
Der prinzipielle Aufbau einer entsprechenden Lagereinrichtung 30 ist in Figur 1 skizziert. In der Figur sind zwei aktive Radiallager 31 und 32 mit Erregermagneten 33 und 34 und Radiallagerrotorscheiben 35 und 36 an einer Rotorwelle 37, ein aktives Axiallager 38 mit Axiallagerrotorscheiben 39 und 40 an der Rotorwelle 37 und konzentrischen Erregerwicklungen 42i an den Rotorscheiben sowie fünf Abstandssensoren 41a bis 41e entsprechend den jeweils zwei lateralen Freiheitsgraden pro Radiallager und dem einen Freiheitsgrad des Axiallagers ange¬ deutet. Außerdem sind hier fünf zugeordnete Regelkreise rl bis r4 bzw. z5 erforderlich. Weil bei einer solchen Lagereinrichtung bei kleiner werdendem Lagerspalt die Anziehungskräf¬ te zunehmen, sind diese Einrichtungen von vornherein instationär. Die Lage der Rotorwelle 37 muss daher über die Regel¬ kreise, bestehend aus Abstandsmessung mittels der Sensoren 41a bis 41e mit nachgeordnetem Regler und nachgeordnetem Verstärker, der die Erregermagnete 33 und 34 speist, stabili¬ siert werden. Entsprechende Lagereinrichtungen sind dement¬ sprechend aufwendig. Gegen einen plötzlichen Ausfall eines Regelkreises müssen zusätzlich mechanische Fanglager vorgese- hen werden .The basic structure of a corresponding bearing device 30 is outlined in FIG. In the figure, two active radial bearings 31 and 32 with excitation magnets 33 and 34 and radial bearing rotor disks 35 and 36 on a rotor shaft 37, an active thrust bearing 38 with thrust washers 39 and 40 on the rotor shaft 37 and concentric energizer windings 42i on the rotor disks and five distance sensors 41a to 41e corresponding to the two lateral degrees of freedom per radial bearing and the one degree of freedom of the thrust bearing indicated ¬ . In addition, five associated control loops rl to r4 or z5 are required here. Because in such a storage facility becomes smaller bearing gap attracting Strengthens te ¬ increase, these facilities are unsteady from the outset. The position of the rotor shaft 37 must therefore circles, comprising distance measurement by the sensors 41a, stabili ¬ be Siert via the control ¬ to 41e with a downstream regulator and a downstream amplifier, which feeds the excitation magnets 33 and 34th Corresponding bearing devices are accordingly ¬ speaking consuming. In addition to a sudden failure of a control loop, additional mechanical catch bearings must be provided.
Bekannt sind ferner z.B. aus der DE 44 36 831 C2 magnetische Lagereinrichtungen mit Permanentmagneten und Hoch-Tc-Supra- leitermaterial . Solche Lagereinrichtungen sind eigenstabil, d.h. sie benötigen keine Regelung. Wegen der erforderlichen kryogenen Betriebstemperatur des Supraleitermaterials von insbesondere unter 80 K sind jedoch eine thermische Isolie- rung und eine Kälteversorgung durch ein entsprechendes kryo- genes Kühlmittel oder durch eine Kältemaschine erforderlich.Also known from DE 44 36 831 C2, for example, are magnetic bearing devices with permanent magnets and high-T c superconducting material. Such storage facilities are inherently stable, ie they require no regulation. Because of the required cryogenic operating temperature of the superconducting material, in particular below 80 K, however, a thermal insulation tion and a cold supply by a corresponding cryogenic coolant or by a chiller required.
Zum Stand der Technik gehören auch in einer Richtung eigen- stabile Lagereinrichtungen mit Magnetfluss, weichmagnetischen Teilen wie aus Eisen und mit Permanentmagneten. Bei entsprechenden Ausführungen solcher Lagereinrichtungen, wie sie z.B. aus der DE 34 09 047 Al und der eingangs genannten DE 38 44 563 C2 zu entnehmen sind, richten sich Dauermagnet- ringe auf einer Welle axial in erster Linie mit den Polen ei¬ nes Eisenjochs aus und bewirken so eine radiale Zentrierung. Der Magnetfluss wird hier durch Erregerspulen verstärkt, wo¬ bei gegebenenfalls der axial instabile Freiheitsgrad durch einen elektronischen Regelkreis stabilisiert wird. Dabei kön- nen mehrere axial hintereinander abwechselnd stationäre und rotierende Ringmagnete mit gleicher axialer Magnetisierung aufgereiht sein und eine radiale Lagerfunktion erfüllen. Auch hier muss der axiale Freiheitsgrad aktiv stabilisiert werden.The state of the art also includes stable storage facilities with magnetic flux, soft magnetic parts such as iron and with permanent magnets in one direction. In corresponding embodiments of such storage facilities, as can be seen for example from DE 34 09 047 A1 and the aforementioned DE 38 44 563 C2, permanent magnet rings are aligned on a shaft axially primarily with the poles ei ¬ nes iron yoke and cause such a radial centering. The magnetic flux is amplified here by excitation coils, where ¬ if necessary, the axially unstable degree of freedom is stabilized by an electronic control loop. In this case, a plurality of alternately stationary and rotating ring magnets axially one behind the other can be lined up with the same axial magnetization and fulfill a radial bearing function. Again, the axial degree of freedom must be actively stabilized.
Alle vorstehend angesprochenen Lagereinrichtungen mit permanentmagnetischen Teilen haben jedoch eine verhältnismäßig geringe Tragkraft und eine unzureichende Lagersteifigkeit .However, all above-mentioned storage facilities with permanent magnetic parts have a relatively low load capacity and insufficient bearing stiffness.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine magnetische Lagereinrichtung für eine berührungsfreie Lagerung einer Welle, insbesondere für eine schnelllaufende Maschine wie z.B. ein Turbokompressor, anzugeben, die gegenüber dem genannten Stand der Technik weniger aufwendig ist. Insbesondere soll unter Berücksichtigung dynamischer Kräfte und enger Spaltto- leranzen eine hohe Tragkraft und eine hohe Lagersteifigkeit zu gewährleisten sein.The object of the present invention is to provide a magnetic bearing device for a non-contact bearing of a shaft, in particular for a high-speed machine such as e.g. a turbocompressor to specify, which is less expensive compared to the cited prior art. In particular, taking into account dynamic forces and narrow gap tolerances, a high load-bearing capacity and a high bearing rigidity should be ensured.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. Demgemäß sollen bei der erfindungsgemäßen Vor- richtung zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle gegen einen Stator folgende Merkmale vorgesehen sein: - Ein erster Lagerteil ist mit der Rotorwelle verbunden und von einem zweiten, dem Stator zugeordneten Lagerteil unter gegenseitiger Beabstandung umgeben,This object is achieved with the measures listed in claim 1. Accordingly, in the device according to the invention for the magnetic bearing of a rotor shaft against a stator, the following features are to be provided: A first bearing part is connected to the rotor shaft and surrounded by a second, the stator associated bearing part with mutual spacing,
- der erste Lagerteil enthält senkrecht zur Achse der Rotor- welle ausgerichtete, in Richtung der Rotorwellenachse hin¬ tereinander angeordnete weichmagnetische Rotorscheibenele¬ mente, die jeweils unter Ausbildung eines Zwischenraumes beabstandet sind,- the first bearing part contains perpendicular to the axis of the rotor shaft aligned ¬ elements in the direction of the rotor shaft axis towards ¬ arranged behind the other soft-magnetic rotor Scheib Enele which are spaced to form an intermediate space,
- der zweite Lagerteil enthält senkrecht zur Rotorwellenach- se ausgerichtete, in Richtung dieser Achse hintereinander angeordnete, untereinander beabstandete weichmagnetische Statorscheibenelemente, die jeweils in einen der Zwischen¬ räume benachbarter Rotorscheibenelemente hineinragen,- the second bearing part contains se perpendicular to Rotorwellenach- aligned, arranged in succession in the direction of this axis, spaced-apart soft-magnetic stator disk elements, which protrude in each case in one of the intermediate spaces of adjacent rotor disk elements ¬,
- die Rotorscheibenelemente und die Statorscheibenelemente sind auf ihren jeweils einander zugewandten Seiten zu ringförmigen, sich jeweils über einen Luftspalt gegenüberstehenden zahnartigen Fortsätzen ausgebildet,the rotor disk elements and the stator disk elements are formed on their respectively mutually facing sides into annular tooth-like extensions, which each face one another via an air gap,
- für eine Radialführung sind den Statorscheibenelementen magnetfelderzeugende Mittel zum Erzeugen eines zwischen den Rotorscheibenelementen und den Statorscheibenelementen im Wesentlichen in axialer Richtung gerichteten magnetischen Haltefluss zugeordnet,for a radial guide, the stator disk elements are assigned magnetic-field-generating means for generating a magnetic holding flux directed essentially between the rotor disk elements and the stator disk elements in the axial direction,
- die Lagerteile sind jeweils symmetrisch bezüglich einer senkrecht zur Rotorachse gerichteten Mittelebene in zwei Lagerhälften unterteilt, und- The bearing parts are each symmetrical with respect to a directed perpendicular to the rotor axis center plane divided into two bearing halves, and
- für eine Axialregelung ist im Bereich der Mittelebene zusätzlich wenigstens eine ortsfeste Wicklung eines Elektro¬ magneten vorgesehen, mit der ein magnetischer Steuerfluss zu erzeugen ist, der dem magnetischen Haltefluss zu überlagern ist, so dass sich die Flussdichten des Steuerflus¬ ses und des Halteflusses auf der einen Seite der Rotor¬ scheibenelemente additiv und auf der jeweils gegenüberlie¬ genden Seite subtraktiv überlagern.- For axial control in addition at least one stationary winding of an electric ¬ magnet is provided in the middle plane with which a magnetic control flow is to be superimposed to the magnetic holding flux, so that the flux densities of the Steuerflus ¬ ses and the holding flux on the one side of the rotor ¬ disk elements additively superimposed on the respective gegenüberlie ¬ ing side subtractive.
Für eine ungeregelte Radialführung- bzw. Lagerung treiben bei der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung im Gegensatz zum Stand der Technik die externen magnetfelderzeugenden Mittel einen magnetischen Haltefluss über den jeweiligen Lagerspalt und magnetisieren die zahnartigen Fortsätze aus dem weichmagneti¬ schen, insbesondere eisenhaltigen Material. Hierbei wird die Magnetflussdichte im jeweiligen Spalt inhomogen, wodurch Kräfte auf die Eisenoberfläche ausgeübt werden. Vorteilhaft kann dabei in eisenhaltigem Material eine erheblich größere Magnetisierung und damit eine größere Lagerkraft pro Fläche erreicht werden als in Anordnungen mit Permanentmagnetmaterial wie z.B. Neodym-Eisen-Bor (Nd-Fe-B) allein.For an unregulated Radialführung- or storage drive in the storage device according to the invention, in contrast to the prior art, the external magnetic field generating means a magnetic holding flux over the respective bearing gap and magnetize the tooth-like extensions of the weichmagneti ¬ rule, especially iron-containing material. Here, the magnetic flux density in the respective gap is inhomogeneous, whereby forces are exerted on the iron surface. Advantageously, a considerably larger magnetization and thus a larger bearing force per area can be achieved in iron-containing material than in arrangements with permanent magnet material such as neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B) alone.
Nach dem Reluktanzprinzip will das System den magnetischen Widerstand minimieren und die zahnartigen Fortsätze so aus¬ richten, dass sie sich möglichst nahe gegenüberstehen. In der Gleichgewichtslage stehen sich dann die zahnartigen Fortsätze exakt gegenüber; bei radialer Auslenkung bewirken die magnetischen Haltekräfte eine proportionale rückstellende Kraft; d.h. eine Radialregelung ist dann nicht mehr nötig.According to the reluctance principle, the system will minimize the magnetic resistance and the tooth-like projections so align ¬ that they face each other as close as possible. In the equilibrium position then the tooth-like projections are exactly opposite; at radial deflection cause the magnetic holding forces a proportional restoring force; ie a radial control is then no longer necessary.
Die maximale Radialkraft wird bei Verschiebung um eine halbe Breite der zahnartigen Fortsätze aufgebracht. Da die Längen¬ skala durch die radiale Breite von Fortsätzen plus dazwi¬ schenliegender Lücken gegeben ist, kann die Lagersteifigkeit durch die Abmessungen der zahnartigen Fortsätze in weiten Grenzen gewählt werden. Insbesondere lassen sich durch eine feine Strukturierung der zahnartigen Fortsätze sehr steife Lagervorrichtungen realisieren. Bei symmetrischer Anordnung mit beidseitig gleichen Lagerspalten heben sich die axialen Kräfte auf die Rotorscheibenelemente auf. Allerdings ist die¬ ses Gleichgewicht axial instabil und muss durch zusätzliche Mittel wie aktiv geregelte axiale Lagerteile stabilisiert werden. Pro Welle ist jedoch nur noch ein einziger Regelkreis für ein einziges Axiallager nötig statt fünf wie beim Stand der Technik mit aktiv geregelten Radiallagern.The maximum radial force is applied when displaced by half the width of the tooth-like extensions. Since the lengths ¬ scale by the radial width of projections plus Between the seats ¬ rule lying gaps is given, the bearing stiffness can be selected by the dimensions of the tooth-like projections in a wide range. In particular, can be realized by a fine structuring of the tooth-like extensions very rigid storage devices. In a symmetrical arrangement with the same bearing gaps on both sides, the axial forces cancel the rotor disk elements. However, the equilibrium is axially unstable ¬ ses and must be stabilized by additional means such as actively controlled axial bearing parts. However, only one single control loop for a single thrust bearing is required per shaft instead of five as in the prior art with actively controlled radial bearings.
Andererseits kann durch geringe Axialverschiebung eine erheb¬ liche magnetische stationäre Axialkraft ohne Bedarf an elekt¬ rischer Leistung aufgebracht werden, so dass das Axiallager nur noch den dynamischen Anteil der Axiallast aufnehmen muss. Dies ist durch eine Einstellung der Axiallagerregelung zu erreichen, wobei als Sollwert ein Minimum des zeitlichen Mittelwertes des Magnetstromes des Axiallagers vorgegeben wird. Eine entsprechende axiale Regelung ist erfindungsgemäß in die Lagervorrichtung integriert . Hierbei wirkt unabhängig von den zahnartigen Fortsätzen zusätzlich senkrecht auf die Eisenoberflächen eine anziehende Kraftdichte <B>2/2μ0. Dabei ist <B> der Mittelwert der Flussdichte, der normalerweise in den Lagerspalten auf beiden Seiten eines Rotorscheibenelementes gleich ist, so dass sich die Axialkräfte aufheben. Erfin¬ dungsgemäß wird dieses Gleichgewicht gestört, indem auf einer Seite eines Rotorscheibenelementes <B> um ΔB und auf der an¬ deren Seite entsprechend erniedrigt wird. Es bleibt somit eine Nettokraftdichte ± 2 -ΔB-<B> übrig, die zu der gewünsch- ten axialen Lageregelung und Kraftentwicklung ausgenutzt wird.On the other hand, can be applied without the need for elekt ¬ power-driven by a low axial displacement of an elevating ¬ Liche stationary magnetic axial force, so that the axial bearing only the dynamic component of the axial load must absorb. This can be achieved by adjusting the thrust bearing control, wherein a setpoint value of a minimum of the time average value of the magnetic current of the thrust bearing is specified. A corresponding axial control is inventively integrated into the bearing device. Independently of the tooth-like extensions, an attractive force density <B> 2 / 2μ 0 acts additionally perpendicular to the iron surfaces. Here, <B> is the mean value of the flux density normally equal in the bearing gaps on both sides of a rotor disk element, so that the axial forces cancel each other out. OF INVENTION ¬-making under this equilibrium is disturbed by at ¬ whose side is correspondingly lowered to one side of a rotor disk element <B> to .DELTA.B and on. This leaves a net force density ± 2 -ΔB- <B>, which is utilized for the desired axial position control and force development.
Erfindungsgemäß wird dies durch eine Kombination von Magnet¬ kreisen für einen vorgegebenen magnetischen Haltefluss und einen durch einen Spulenstrom beeinflussbaren Steuerfluss erreicht. In den Lagerspalten überlagern sich die beiden Flussdichten auf einer Seite jedes Rotorscheibenelementes additiv, erhöhen also die Kraft bzw. subtraktiv jeweils auf der ande¬ ren Seite und erniedrigen hier Flussdichte und Kraft. Es bleibt eine zum Steuerfluss proportionale axiale Nettokraft übrig.This is according to the invention by a combination of magnetic ¬ circuits for a given magnetic holding flux and reaches a influenceable by a coil current control flow. In the bearing gaps, the two flux densities ie the force superimposed on one side of each rotor disk element additive or subtractive increase respectively on the walls ¬ ren side and humiliate here flux density and strength. There remains an axial net force proportional to the control flow.
Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Magnetlagervorrichtung zeichnet sich somit durch eine stabile, ungeregelte Radial- führung und eine einzige, in einfacher Weise vorzunehmende Axialregelung aus .An inventively designed magnetic bearing device is thus characterized by a stable, unregulated radial leadership and a single, to be carried out in a simple manner axial control.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen An- Sprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugswei¬ se auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die Vorrichtung vorteilhaft noch folgende Merk¬ male aufweisen:Advantageous embodiments of the magnetic bearing device according to the invention will become apparent from the dependent on claim 1. Ansprings. In this case, the embodiment according to claim 1 with the features of one of the subclaims or vorzugswei ¬ se also be combined from several subclaims. Accordingly, the apparatus may advantageously following shopping ¬ male comprise:
• So kann außerhalb der Zwischenräume zwischen den Scheibenelementen an deren radialer Innenseite und Außenseite je- weils sich axial erstreckendes weichmagnetisches Material zum Schließen der Magnetflusskreise vorgesehen sein. Dabei kann insbesondere das weichmagnetische Material durch einen axial verlaufenden Außenjochkörper und/oder durch zumindest Teile der Rotorwelle bereitgestellt sein. Mit solchen Teilen aus weichmagnetischem Material kann der magnetische Widerstand des Magnetflusskreises verkleinert werden, so dass damit eine entsprechende Vergrößerung der Flussdichte zwischen den zahnartigen Fortsätzen und folglich eine verbesserte magnetische Steifigkeit zu erreichen sind.Thus, axially extending soft magnetic material for closing the magnetic flux circuits may be provided outside the intermediate spaces between the disk elements on their radially inner side and outer side. In particular, the soft magnetic material may be provided by an axially extending outer yoke body and / or by at least parts of the rotor shaft. With such parts of soft magnetic material, the magnetic resistance of the magnetic flux circuit can be reduced, so that so that a corresponding increase in the flux density between the tooth-like projections and thus improved magnetic rigidity can be achieved.
• Vorteilhaft können die magnetfelderzeugenden Mittel zur Erzeugung des Halteflusses permanentmagnetische Elemente sein, wobei diese permanentmagnetische Elemente zumindest in einige der Statorscheibenelemente integriert sein kön- nen . Entsprechende Lagervorrichtungen sind verhältnismäßig kompakt aufzubauen.Advantageously, the magnetic field generating means for generating the holding flux can be permanent magnetic elements, wherein these permanent magnetic elements can be integrated at least into some of the stator disk elements. Corresponding storage devices are relatively compact to build.
• Dabei lassen sich diese permanentmagnetischen Elemente vorteilhaft jeweils zwischen zwei axialen Hälften eines Statorscheibenelementes anordnen . • Vorteilhaft ist es im Hinblick auf hohe Flussdichten zwi¬ schen den Scheibenelementen und eine effektive Nutzung des Permanentmagnetischen Materials, wenn die mit den perma¬ nentmagnetischen Elementen versehenen Statorscheibenelemente radial eine größere Ausdehnung haben als die benach- barten Rotorscheibenelemente ohne permanentmagnetische Elemente .In this case, these permanent magnetic elements can advantageously be arranged in each case between two axial halves of a stator disk element. It is • advantageous in view of high flux densities Zvi ¬ rule the disc elements and an effective use of the permanent magnetic material when the stator disk elements are provided with the perma ¬ nentmagnetischen elements radially have a greater extension than the neighboring rotor disk elements without permanent-magnet elements.
• Statt einer Verwendung von permanentmagnetischen Mitteln zur Erzeugung des Halteflusses oder zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass diese magnetfelderzeugenden Mittel von wenigstens einer Wicklung eines Elektromagneten gebildet sind. Dabei kann diese wenigstens eine Magnet¬ wicklung zur Erzeugung des Halteflusses in jeder Lager- hälfte jeweils wenigstens einige der Rotorscheibenelemente unter Beabstandung umschließen.Instead of using permanent-magnetic means for generating the holding flux or in addition, it can be advantageously provided that these magnetic-field-generating means are formed by at least one winding of an electromagnet. In this case, this at least one magnet ¬ winding for generating the holding flux in each storage half enclose each at least some of the rotor disk elements with spacing.
• Außerdem kann die wenigstens eine Wicklung des Elektromag¬ neten zur Erzeugung des magnetischen entweder ein den mag- netischen Haltefluss und den magnetischen Steuerfluss führendes mittleres Rotorscheibenelement unter Beanstandung oder die Rotorwelle an ihrer magnetfeldführenden Außenseite berührungsfrei umgeben.• In addition, the at least one winding of the can Elektromag ¬ Neten for generating the magnetic either a magnetic holding flux and the magnetic control flux leading average rotor disc element to query, or a rotor shaft surrounded contact-free manner at its leading magnetic field outside.
• Vorzugsweise können die einander zugewandten, mit den zahnartigen Fortsätzen versehenen Flachseiten der Rotorscheibenelemente und der Statorscheibenelemente gegenüber einer Senkrechten auf der Rotorwellenachse geneigt ange¬ ordnet sein. Mit einer derartigen Neigung ergeben sich keilförmige Längsschnittformen der Elemente. Die axiale Ausdehnung (bzw. Scheibendicke) und die Neigungswinkel werden dabei so gewählt, dass die Scheibenelemente den Magnetfluss überall aufnehmen können, ohne in die magneti¬ sche Sättigung zu kommen.Preferably, the mutually facing flat sides of the rotor disk elements and the stator disk elements provided with the tooth-like extensions can be inclined relative to a perpendicular to the rotor shaft axis . With such an inclination, wedge-shaped longitudinal sectional shapes of the elements result. The axial extent (or slice thickness) and the angle of inclination are chosen so that the disc elements can absorb the magnetic flux everywhere, without getting into the magneti ¬ cal saturation.
• Zur vollständigen Gewährleistung einer Axialregelung muss zumindest ein axialer Abstandssensor, müssen Sollwertgeber und Regler mit Verstärker zur Steuerung eines elektrischen Stromes durch die wenigstens eine Steuermagnetwicklung zur Erzeugung des magnetischen Steuerflusses vorgesehen zugeordnet sein.• To ensure complete axial control, at least one axial distance sensor, nominal value transmitter and regulator with amplifier must be assigned to control an electric current provided by the at least one control magnet winding for generating the magnetic control flux.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie aus der Zeichnung hervor. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungs¬ formen erfindungsgemäßer Magnetlagervorrichtungen veranschaulicht sind. Dabei zeigen jeweils in einem axialen Längs¬ schnitt deren Figuren 2 und 3 je eine spezielle Ausführungs¬ form einer solchen Magnetlagervorrichtung mit Permanentmagne- ten bzw. Erregermagnetwicklungen als magnetfelderzeugendenFurther advantageous embodiments of the magnetic bearing device according to the invention will become apparent from the sub-claims not mentioned above and from the drawing. To further explain the invention, reference is made below to the drawing, are illustrated in the preferred embodiment ¬ forms inventive magnetic bearing devices. In each case, in an axial longitudinal ¬ cut their figures 2 and 3 each have a special Ausführungs ¬ form of such a magnetic bearing device with permanent magnet or excitation magnet windings as a magnetic field generating
Mitteln für eine Radialführung. Aus Figur 4 geht der prinzipielle Aufbau eines kompletten Magnetlagers mit Radialführung und Axialregelung hervor. Dabei sind in den Figuren sich ent- sprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen verse¬ hen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemein bekannt.Means for a radial guide. From Figure 4 shows the basic structure of a complete magnetic bearing with radial guidance and axial control. Here, in the figures, each speaking parts with the same reference numerals verse ¬ hen. Not detailed parts are well known.
Die in Figur 2 dargestellte, allgemein mit 2 bezeichnete Mag- netlagervorrichtung weist einen zu einer Mittelebene Me symmetrischen Aufbau mit zwei Lagerhälften LhI und Lh2 auf. Die Vorrichtung umfasst eine berührungsfrei zu lagernde Rotorwel¬ le 3 mit einem mitrotierenden ersten Lagerteil 4, welcher in jeder Lagerhälfte senkrecht zur Achse A der Rotorwelle ausge- richtete, an dieser befestigte, mitrotierende Rotorscheiben¬ elemente 4i aus weichmagnetischem Material wie Eisen auf¬ weist. Die Rotorscheibenelemente 4i sind in axialer Richtung hintereinander unter Ausbildung jeweiliger Zwischenräume 5j beabstandet angeordnet. Im Bereich der Mittelebene Me ist an der Rotorwelle 3 ein zentrales Rotorscheibenelement 4z eben¬ falls aus dem weichmagnetischen Material angebracht, wobei dieses Element gegenüber den Rotorscheibenelementen 4i in den beiden Lagerhälften eine vergleichsweise größere axiale Aus¬ dehnung aufweist.The illustrated in Figure 2, generally designated 2 magnetic storage device has a symmetrical to a median plane Me structure with two bearing halves LhI and Lh2. The device comprises a contactless to be stored Rotorwel ¬ le 3 with a co-rotating first bearing part 4, which in each bearing half aligned perpendicular to the axis A of the rotor shaft, attached to this, co-rotating Rotorscheiben ¬ elements 4i made of soft magnetic material such as iron on ¬ has. The rotor disk elements 4i are arranged in the axial direction one behind the other, forming respective intermediate spaces 5j. In the area of the center plane Me a central rotor disk element is 4z just ¬ if appropriate of the soft magnetic material on the rotor shaft 3, said member having towards the rotor disk elements 4i in the two bearing halves of a relatively larger axial From ¬ strain.
Ein ortsfester Stator der Magnetlagervorrichtung 2 bildet einen zweiten Lagerteil 7 mit ebenfalls untereinander axial beabstandeten, ringscheibenförmigen, die Rotorwelle 3 unter Beabstandung umschließenden Statorscheibenelementen 7i. Diese Statorscheibenelemente aus ebenfalls weichmagnetischem Mate¬ rial ragen berührungsfrei in die Zwischenräume 5j radial hin¬ ein, so dass sich in jeder Lagerhälfte LhI, Lh2 eine axial alternierenden, kammartigen Anordnung von Rotorscheibenelementen 4i und Statorscheibenelementen 7i ergibt. Die Rotor- Scheibenelemente und die Statorscheibenelemente sind auf ih¬ ren jeweils einander zugewandten Flachseiten mit sich konzentrisch umschließenden, ringförmigen zahnartigen Fortsätzen 4f bzw. 7f versehen bzw. zu solchen Fortsätzen gestaltet. Beispielsweise werden diese zahnartigen Fortsätze durch Einar- beitung von ringförmigen, konzentrischen Rillen oder Nuten in die beiden gegenüberliegenden Flachseiten von entsprechenden Eisenscheiben erhalten. Die zahnartigen Fortsätze beider Scheibenelemente stehen sich jeweils über einen geringen Luftspalt 8k gegenüber.A stationary stator of the magnetic bearing device 2 forms a second bearing part 7 with likewise axially spaced, annular disk-shaped stator disk elements 7i enclosing the rotor shaft 3 at a spacing. This stator disk from also soft Mate ¬ rial project without contact into the spaces 5j radially toward ¬, so that in each bearing half LHI, Lh2 an axially alternating, comb-like arrangement of rotor disk elements 4i and Statorscheibenelementen 7i results. The rotor disk elements and the stator disk elements are ih ¬ ren respectively mutually facing flat sides with concentrically surrounding annular tooth-like projections 4f and 7f provided and designed to such projections. For example, these tooth-like extensions are obtained by incorporating annular, concentric grooves or grooves in the two opposite flat sides of corresponding iron discs. The tooth-like processes of both Disc elements face each other over a small air gap 8k.
Den Statorscheibenelementen 7i sind Mittel zum Erzeugen eines über die Luftspalte 8k zwischen den Rotorscheibenelementen und den Statorscheibenelementen axialen Magnetflusses zugeordnet. Dessen Feldlinien sind in der Figur mit durchgezoge¬ nen Linien angedeutet und mit MfI bezeichnet. Dabei versucht das System nach dem Reluktanzprinzip den magnetischen Wider- stand zu minimieren und die zahnartigen Fortsätze so auszu¬ richten, dass sie sich in einer Gleichgewichtslage exakt ge¬ genüberstehen. Bei einer radialen Auslenkung bewirken jedoch die Magnetkräfte eine proportionale rückstellende Kraft; d.h., eine Radialregelung ist nicht nötig. Der zu dieser ra- dialen Führung bzw. Lagerung der Rotorwelle 3 mit ihren daran angebrachten, insbesondere magnetflussführenden Teilen dienende Magnetfluss ist deshalb auch als „radialer Haltefluss" zu bezeichnen.The stator disk elements 7i are assigned means for generating a magnetic flux which is axial via the air gaps 8k between the rotor disk elements and the stator disk elements. Whose field lines are indicated in the figure with durchgezoge ¬ NEN lines and designated with MFI. The system tries accordance with the reluctance of the magnetic resistance to minimize and for For the tooth-like projections so ¬ judge that they are in a position of equilibrium genüberstehen exactly ge ¬. In a radial deflection, however, the magnetic forces cause a proportional restoring force; ie, a radial control is not necessary. The magnetic flux serving for this radial guidance or mounting of the rotor shaft 3 with its attached thereto, in particular magnetic-flux-carrying parts, can therefore also be referred to as a "radial holding flux".
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist zur Erzeugung dieses Halteflusses MfI jedes Statorscheibenelement 7i axial in zwei Hälften unterteilt, zwischen denen eine sich radial erstreckende Schicht oder Ringscheibe 7m aus einem permanent¬ magnetischen Material wie insbesondere NdFeB befindet. Dabei haben die Statorscheibenelemente 7i vorteilhaft eine größere radiale Ausdehnung als ihre gerillte Wirkfläche mit den zahn¬ artigen Fortsätzen 7f einnimmt. Auf diese Weise lassen sich in den Luftspalten 8k Flussdichten von insbesondere 1 Tesla oder mehr erreichen und kann das Magnetmaterial in einem Ar- beitspunkt, z.B. zwischen 0,5 und 0,8 Tesla bei Verwendung von NdFeB mit einem großen Energieprodukt B-H betrieben werden .According to the embodiment of Figure 2 this holding flux Mfl each Statorscheibenelement 7i is divided axially into two halves, between which a radially extending layer or annular disk 7m is of a permanent magnetic material such as in particular ¬ NdFeB for generating. The stator disk elements 7i advantageously have a greater radial extent than their grooved effective area with the tooth- like extensions 7f. In this way, flux densities of, in particular, 1 Tesla or more can be achieved in the air gaps 8k and the magnetic material can be operated at a working point, for example between 0.5 and 0.8 Tesla when using NdFeB with a large energy product BH.
Wie ferner aus der Figur 2 zu entnehmen ist, können außerdem die einander zugewandten, mit den zahnartigen Fortsätzen 4f und 7f versehenen Flachseiten der Rotorscheibenelemente 4i und 4z einerseits und der Statorscheibenelemente 7i anderer¬ seits geneigt angeordnet sein, so dass sich trapezähnliche Querschnittsformen ergeben. Mit einer solchen Neigung ist die Eisendicke dem lokalen Magnetfluss anzupassen und damit auch die axiale Lagerlänge zu begrenzen. Der Neigungswinkel α ge¬ genüber der Mittelebene Me sollte dabei so gewählt werden, dass trotz der sich ergebenden Keilform der Scheibenelemente (im Längsschnitt gesehen) in den Scheibenelementen keine Bereiche mit magnetischer Sättigung auftreten. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Winkel α zwischen etwa 7° und 15°, beispielsweise bei etwa 10°.As can be seen further from the figure 2, can also facing each other, 7i other ¬ be arranged side inclined to the tooth-like projections 4f and 7f provided flat sides of the rotor disk elements 4i and 4z one hand and the stator disk, then that trapezoidal similar Cross-sectional shapes result. With such a tendency, the iron thickness must be adapted to the local magnetic flux and thus also limit the axial bearing length. The angle of inclination α ge ¬ genüber the center plane Me should be selected so that occur in the disk elements with no areas of magnetic saturation despite the resultant wedge shape of the disk elements (seen in longitudinal section). According to the embodiment shown, the angle α is between about 7 ° and 15 °, for example about 10 °.
Zur Schließung der Führung des Magnetflusses MfI zur Radialführung bzw. -lagerung sind an den stirnseitigen Ende der Lagerhälften LhI und Lh2 einseitig gerillte Rotorscheibenele¬ mente 4e als Flussleitstücke ausgebildet, die zusammen mit einer ferromagnetischen Flussrückführung über die zumindest an ihrer Außenseite aus ferromagnetischem Material bestehende Rotorwelle den Magnetkreis schließen.To close the guide of the magnetic flux MfI for radial guidance or storage are on the front end of the bearing halves LhI and Lh2 grooved one Rotorseitig ¬ elements 4e formed as flux guides, which together with a ferromagnetic flux feedback on the existing at least on its outer side of ferromagnetic material rotor shaft close the magnetic circuit.
Wie vorstehend beschrieben, wird eine zentrierende radiale und dezentrierende axiale Kraftwirkung in der Magnetlagervorrichtung 2 durch die von den zahnartigen Fortsätzen 4f und 7f der Scheibenelemente 4i und 7i verursachten Inhomogenitäten des Magnetfeldes in den Luftspalten 8k bewirkt. Unabhängig von den zahnartigen Fortsätzen wirkt bei der Lagervorrichtung zusätzlich senkrecht auf die Oberflächen der weichmagneti¬ schen Teile eine anziehende Kraftdichte, deren Größe <B>2/2μ0 ist. Dabei stellt die Größe <B> den Mittelwert der Flussdich¬ te dar, die normalerweise in den Luftspalten auf beiden Seiten eines Rotorscheibenelementes gleich ist, so dass sich die entsprechenden Axialkräfte aufheben. Mit der erfindungsgemä¬ ßen Ausgestaltung der Magnetlagervorrichtung 2 wird jedoch dieses Gleichgewicht gestört, indem auf einer Seite der Ro¬ torscheibe die Größe <B> um einen Wert ΔB erhöht und auf der gegenüberliegenden Seite erniedrigt wird. Es verbleibt dabei eine Nettokraftdichte + 2-ΔB-<B>, welche zu einer axialen La¬ geregelung bzw. einer diesbezüglichen Kraftentwicklung ausgenutzt wird. Erfindungsgemäß wird dies durch eine Kombination von Magnet¬ kreisen für den erwähnten, vorgegebenen magnetischen Halte- fluss MfI und einen durch einen Spulenstrom beeinflussbaren Steuerfluss Mf2 erreicht. Dieser Steuerfluss wird mit Hilfe wenigstens einer im Bereich der Mittelebene Me liegenden zu¬ sätzlichen Steuermagnetwicklung 9 eines Elektromagneten hervorgerufen. Diese Wicklung umschließt dabei berührungsfrei das mitrotierende zentrale Rotorscheibenelement 4z. In Ver¬ bindung mit einem die Statorscheibenelemente 7i auf ihrer Au- ßenseite hüllenartig umschließenden, von diesen über einen nicht-magnetischen Zwischenkörper 10 getrennten Außenjochkör- per 11 aus ferromagnetischem Material ist dann von der Steuermagnetwicklung 9 ein dem Haltemagnetfluss MfI überlagerter, durch gestrichelte Linien angedeuteter magnetischer Steuer- fluss Mf2 zu erzeugen, der sich ebenfalls über die Rotorwelle 3 schließt. In den Luftspalten 8k überlagern sich beide Flussdichten auf einer Seite jedes Rotorscheibenelementes 4i additiv, wobei also die entsprechende Kraft erhöht wird, wäh¬ rend es auf der gegenüberliegenden Seite zu einer Subtraktion der beiden Flussdichten kommt, die zu einer entsprechendenAs described above, a centering radial and decentering axial force action in the magnetic bearing device 2 is caused by the inhomogeneities of the magnetic field in the air gaps 8k caused by the tooth-like projections 4f and 7f of the disk elements 4i and 7i. Regardless of the tooth-like projections acts in the storage device additionally perpendicular to the surfaces of weichmagneti ¬ 's parts an attractive force density whose size <B> 2 / 2μ 0 . The size <B> represents the mean value of the Flußdich ¬ te, which is usually the same in the air gaps on both sides of a rotor disk element, so that cancel the corresponding axial forces. With the invention shown SEN configuration of the magnetic storage device 2, however, this balance is disturbed by the size <B> by a value .DELTA.B torscheibe increased to one side of the Ro ¬ and is lowered to the opposite side. There remains a net force density + 2-ΔB- <B>, which is utilized to an axial La ¬ control or a related force development. According to the invention, this is achieved by a combination of magnetic circuits for the mentioned, predetermined magnetic holding flux MfI and a control flux Mf2 that can be influenced by a coil current. This control flow is one caused at least by means located in the region of the center plane Me ¬ sätzlichen to control solenoid winding 9 of an electromagnet. This winding encloses without contact the co-rotating central rotor disk element 4z. In United ¬ bond with the stator disk elements 7i on its Au- ßenseite envelope-enclosing of these separate a non-magnetic intermediate body 10 Außenjochkör- per 11 of ferromagnetic material is then removed from the solenoid control winding 9 a the holding magnetic flux Mfl superimposed,, indicated by dashed lines generate magnetic flux Mf2, which also closes on the rotor shaft 3. In the air gaps 8k both flux densities of each rotor disc element superimposed on one side 4i additive, wherein the corresponding force therefore is increased currency ¬ rend it on the opposite side to a subtraction of the two densities is that a corresponding
Reduzierung der Kraft führt. Es verbleibt dann eine zum Steu¬ erfluss Mf2 proportionale axiale Nettokraft. Mit den in Figur 2 beispielsweise eingetragenen Feldrichtung des Halteflusses MfI und des Steuerflusses Mf2 wird dann die Rotorwelle mit den an ihr befestigten Teilen mit einer Kraft Fz nach links gezogen .Reduction of power leads. It then remains proportional to STEU ¬ erfluss Mf2 net axial force. With the field direction of the holding flux MfI and the control flux Mf2, which is entered in FIG. 2, for example, the rotor shaft with the parts fastened to it is then pulled to the left with a force F z .
Um ein Kurzschließen des Trageflusses zu verhindern, ist der Außenjochkörper 11 für den Steuerfluss Mf2 von den Stator- Scheibenelementen 7i um einen Abstand a beabstandet, wobei die Größe a im Allgemeinen zwischen dem 2 und lOfachen der Weite w der Luftspalte 8k liegt. Hierzu dient der Zwischen¬ körper 10 aus nicht-magnetischem Material.In order to prevent short-circuiting of the carrying flow, the outer yoke body 11 for the control flux Mf2 is spaced from the stator disc elements 7i by a distance a, the magnitude a being generally between 2 and 10 times the width w of the air gaps 8k. For this purpose is used for the intermediate ¬ body 10 of non-magnetic material.
Statt der für die Ausführungsform der Magnetlagervorrichtung 2 angenommenen Verwendung von permanentmagnetischen Elementen als magnetfelderzeugende Mittel können ebenso gut auch Wick¬ lungen von Elektromagneten zur Erzeugung des magnetischen Halteflusses MfI vorgesehen werden. In Figur 3 ist eine entsprechende Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung in Figur 2 entsprechender Darstellung gezeigt und allgemein mit 12 bezeichnet. Hier sind im Bereich der ra- dialen Außenseite der mitrotierenden Rotorscheibenelemente 4i ortsfest Wicklungen 131 eines Elektromagneten angeordnet, wo¬ bei sich die Statorscheibenelemente 7i radial zwischen den einzelnen Magnetwicklungen 131 hindurch erstrecken. Der Magnetflusskreis für den Haltefluss MfI wird über einen Außen- jochkörper 14 geschlossen, an dem die Statorscheibenelemente 7i jeweils direkt mit ihrer radialen Außenseite anliegen. Die Rotorwelle 3 ist hier zwar ebenfalls aus magnetischem Material. Um den Schluss des Magnetflusskreises des Halteflusses MfI über den Außenjochkörper 14 nicht zu beeinträchtigen, sind jedoch die einzelnen Rotorscheibenelemente 4i über einen hülsenartigen Zwischenkörper 15 mit radialer Ausdehnung a aus nicht-magnetischem Material gegenüber der Rotorwelle 3 magnetisch entkoppelt. Auch hier wird die Größe a wie bei der Aus¬ führungsform nach Figur 2 gewählt.Instead of the adopted for the embodiment of the magnetic bearing device 2 using permanent magnetic elements as magnetic field generating means may equally well Wick ¬ lungs of electromagnets for generating the magnetic Holding flow MfI be provided. In Figure 3, a corresponding embodiment of a magnetic bearing device according to the invention in Figure 2 corresponding representation is shown and generally designated 12. Here, the co-rotating rotor disk elements 4i are fixedly arranged coils 131 of an electromagnet in the area of rapid Dialen outside where ¬ 7i extend radially in the stator disk elements between the individual magnetic coils 131 therethrough. The magnetic flux circuit for the holding flux MfI is closed by way of an outer yoke body 14, on which the stator disk elements 7i respectively rest directly with their radial outer side. Although the rotor shaft 3 is here also made of magnetic material. However, in order not to impair the conclusion of the magnetic flux circuit of the holding flux MfI via the outer yoke body 14, the individual rotor disk elements 4i are magnetically decoupled from the rotor shaft 3 via a sleeve-like intermediate body 15 with radial expansion a of non-magnetic material. Here, too, the size a is selected as in the embodiment according to FIG.
Bei der Ausführungsform der Magnetlagervorrichtung 12 nach Figur 3 wird der magnetische Steuerfluss Mf2 ebenfalls von einer ortsfesten Wicklung 17 eines Elektromagneten hervorgerufen. Diese Steuermagnetwicklung 17 befindet sich hier je- doch in einem rotorwellennahen Bereich der Mittelebene Me, um den Flusslinienverlauf des Halteflusses MfI nicht zu behin¬ dern. Deshalb ist auch in diesem Bereich auf ein zentrales Rotorscheibenelement verzichtet. Der Steuerfluss Mf2 schließt sich hier achsnah über die Rotorwelle 3 und achsfern über dort im Bereich der Mittelebene Me aneinander liegende Sta- torendscheibenelemente 7e und den Außenjochkörper 14.In the embodiment of the magnetic bearing device 12 according to Figure 3, the magnetic control flux Mf2 is also caused by a stationary winding 17 of an electromagnet. This control solenoid winding 17 is located here JE but in a rotor shaft region close to the center plane Me, not countries around the river curve of the holding flux Mfl to behin ¬. Therefore, a central rotor disk element is also omitted in this area. Here, the control flux Mf2 closes close to the axis via the rotor shaft 3 and axially away via the stator end disk elements 7e adjoining one another in the region of the center plane Me and the outer yoke body 14.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen von Magnetlagervorrichtungen 2 und 12 wurde davon ausgegangen, dass die magnet- felderzeugenden Mittel zur Erzeugung des magnetischen Halteflusses MfI entweder permanentmagnetische Elemente 7m oder Wicklungen 131 wenigstens eines Erregermagneten sind. Selbst¬ verständlich ist zur Erzeugung des gewünschten axialen Halte- flusses MfI über die zahnartigen Fortsätze 4f und 7f auch ei¬ ne Kombination von permanentmagnetischen Elementen und Wicklungen von Elektromagneten möglich.In the above embodiments of magnetic bearing devices 2 and 12, it has been assumed that the magnetic field generating means for generating the magnetic holding flux MfI are either permanent magnetic elements 7m or windings 131 of at least one exciting magnet. Of course , to produce the desired axial holding Flow MfI on the tooth-like extensions 4f and 7f also ei ¬ ne combination of permanent magnetic elements and windings of electromagnets possible.
Selbstverständlich können die Magnetlagervorrichtungen 2 und 12 nach der Erfindung auch so ausgerichtet betrieben werden, dass ihre Rotorwellenachse A nicht in der Horizontalen liegt, sondern schräg oder senkrecht dazu gerichtet ist.Of course, the magnetic bearing devices 2 and 12 can also be operated according to the invention aligned so that their rotor shaft axis A is not horizontal, but is directed obliquely or perpendicular thereto.
Der Vorteil des Aufbaus erfindungsgemäßer Magnetlagervorrichtungen ist in dem Wegfall eines getrennten Axiallagers bei einer Wellenlagerung zu sehen. Das magnetische Axialfeld der Radiallagerfunktion wirkt dabei linearisierend auf die Strom- Kraft-Charakteristik der axialen Positionsregelung. Durch Mi- nimierung des Stromwertes im Regelkonzept lässt sich derThe advantage of the construction of magnetic bearing devices according to the invention can be seen in the omission of a separate thrust bearing in a shaft bearing. The magnetic axial field of the radial bearing function acts linearizing on the current-force characteristic of the axial position control. By minimizing the current value in the control concept, the
Leistungsbedarf der Regelung gering halten. Damit ist vielfach auch eine entsprechende Vereinfachung einer Kühlung der Lagervorrichtung verbunden.Keep the power requirement of the control low. This is often associated with a corresponding simplification of a cooling of the bearing device.
Eine mit einer oder zwei solcher Magnetlagervorrichtungen gehaltene Rotorwelle 3 kann mit einer axialen Lageregelung berührungslos gehalten werden. Ein entsprechendes, nachfolgend z.B. mit zwei gleich aufgebauten Magnetlagervorrichtungen 2 und 2' nach Figur 2 ausgestattetes magnetisches Lager 24 be- inhaltet gemäß dem in Figur 4 angedeuteten Regelungsblockschema wenigstens einen Abstandssensor 25, einen Sollwertge¬ ber 26, einer Vergleichsschaltungseinrichtung 27 sowie eine Reglereinrichtung 28 mit nachgeordnetem Verstärker. Dieser Verstärker steuert die Axialsteuerwicklung der einen, vor- zugsweise beider Magnetlagervorrichtungen in Serie und hält eine axiale Sollposition ein. Im Gegensatz zu herkömmlichen Magnetlagervorrichtungen, bei denen die Kraft proportional zu B2 ist, ist hier die Kraft-Stromcharakteristik nahezu linear; d.h., bei Stromumkehr kehrt sich auch die Kraftrichtung um. Dies vereinfacht die Auslegung und Stabilität der Regelung.A held with one or two such magnetic bearing devices rotor shaft 3 can be kept contactless with an axial position control. A corresponding, for example, below with two identically constructed magnetic bearing devices 2 and 2 'equipped to figure 2 magnetic bearing 24 con- tains according to the direction indicated in Figure 4 control block diagram of at least one distance sensor 25, a Sollwertge ¬ about 26, a comparator device 27 and a controller device 28 with downstream amplifier. This amplifier controls the axial control winding of the one, preferably both magnetic bearing devices in series and holds an axial target position. In contrast to conventional magnetic bearing devices, in which the force is proportional to B 2 , here the force-current characteristic is almost linear; ie, when power is reversed, the direction of force is reversed. This simplifies the design and stability of the control.
Als fester Sollwert z0 der Axialposition z kann z.B. die Mittellage der Rotorscheibenelemente 4i zwischen den benachbar- ten Statorscheibenelementen 7i vorgegeben werden. Vorteilhaft wird die Regelung jedoch um eine andere Zielvorgabe erwei¬ tert, wonach der zeitliche Mittelwert des Spulenstroms nahe bei Null sein soll. Wie in dem Blockschaltungsschema der Fi- gur 4 mit angedeutet ist, wird dazu das Integral des Magnet¬ stromes, multipliziert mit einem Skalierungsfaktor als Posi¬ tionssollwert Z0 in der Vergleichsschaltungseinrichtung 27 mit der Istposition z vom Abstandssensor 25 verglichen. Die Differenz wirkt als Regelabweichung über die Reglereinrich- tung 28 mit dem Verstärker auf den Strom zurück. Es stellt sich eine axial verschobene, nicht-symmetrische Position der Rotorscheibenelemente ein. Eine stationäre axiale Last auf die Rotorwelle 3 wird dann im Wesentlichen leistungslos von den axialen Magnetkräften auf Grund der Wechselwirkung zwi- sehen den gegenüberliegenden zahnartigen Fortsätzen 4f und 7f aufgebracht. Der axiale Regelkreis muss nur noch die zeitlich variablen Kräfte ausgleichen und die axiale Stabilität ge¬ währleisten . As a fixed set value z 0 z the axial position can, for example, the center position of the rotor disk elements 4i between the neighboring th stator disk elements 7i are specified. Advantageously, however, the control is tert a different target Erwei ¬ what is to be the time mean value of the coil current is close to zero. As indicated in the block circuit diagram of the Fi gur 4, this is the integral of the magnetic ¬ current, multiplied by a scaling factor as a Posi ¬ tion setpoint Z 0 in the comparison circuit device 27 for the actual position is compared by the distance sensor 25th The difference acts as a control deviation via the regulator device 28 with the amplifier back to the current. It adjusts an axially displaced, non-symmetrical position of the rotor disk elements. A stationary axial load on the rotor shaft 3 is then applied substantially without power from the axial magnetic forces due to the interaction between the opposing tooth-like extensions 4f and 7f. The axial control loop only needs to compensate for the time-varying forces and währleisten the axial stability ge ¬.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (2, 12) zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle (3) gegen einen Stator mit folgenden Merkmalen: - Ein erster Lagerteil (4) ist mit der Rotorwelle (3) ver¬ bunden und von einem zweiten, dem Stator zugeordneten Lagerteil (7) unter gegenseitiger Beabstandung umgeben,1. Device (2, 12) for the magnetic bearing of a rotor shaft (3) against a stator having the following features: - A first bearing part (4) is ver ¬ connected with the rotor shaft (3) and by a second, the stator associated bearing part ( 7) surrounded by mutual spacing,
- der erste Lagerteil (4) enthält senkrecht zur Achse (A) der Rotorwelle (3) ausgerichtete, in Richtung der Rotor- wellenachse (A) hintereinander angeordnete weichmagneti¬ sche Rotorscheibenelemente (4i) , die jeweils unter Ausbil¬ dung eines Zwischenraumes (5j) beabstandet sind,- the first bearing part (4) perpendicular to the axis (A) of the rotor shaft (3) aligned, the shaft axis towards the rotor (A) arranged behind one another soft magnetic ¬ specific rotor disc elements (4i), the dung each under Ausbil ¬ an intermediate space (5j ) are spaced apart,
- der zweite Lagerteil (7) enthält senkrecht zur Rotorwel¬ lenachse (A) ausgerichtete, in Richtung dieser Achse (A) hintereinander angeordnete, untereinander beabstandete weichmagnetische Statorscheibenelemente (7i) , die jeweils in einen der Zwischenräume (5j) benachbarter Rotorschei¬ benelemente (4i) hineinragen,- The second bearing part (7) perpendicular to Rotorwel ¬ lenachse (A) aligned, in the direction of this axis (A) arranged one behind the other, spaced apart soft magnetic Statorscheibenelemente (7i), each in one of the interspaces (5j) of adjacent Rotorschei ¬ benelemente ( 4i) protrude,
- die Rotorscheibenelemente (4i) und die Statorscheibenele- mente (7i) sind auf ihren jeweils einander zugewandten- The rotor disk elements (4i) and the Statorscheibenele- elements (7i) are on their respective facing each other
Flachseiten zu ringförmigen, sich jeweils über einen Luftspalt (8k) gegenüberstehenden zahnartigen Fortsätzen (4f bzw. 7f) ausgebildet,Flat sides to form annular, in each case via an air gap (8k) opposite tooth-like projections (4f and 7f),
- für eine Radialführung der Rotorwelle (3) sind den Stator- Scheibenelementen (7i) magnetfelderzeugende Mittel zum Er¬ zeugen eines über die Luftspalte (8k) im Wesentlichen in axialer Richtung gerichteten magnetischen Halteflusses (MfI) zugeordnet,- for a radial guidance of the rotor shaft (3), the stator disc elements (7i) magnetic field generating means for He ¬ generating an over the air gap (8k) is substantially axially directed magnetic holding flux (MFI) is assigned,
- die Lagerteile (4, 7) sind jeweils symmetrisch bezüglich einer senkrecht zur Rotorwellenachse (A) gerichteten Mit¬ telebene (Me) in zwei Lagerhälften (LhI, Lh2) unterteilt, und- The bearing parts (4, 7) are each symmetrical with respect to a perpendicular to the rotor shaft axis (A) directed with ¬ teleplane (Me) divided into two bearing halves (LhI, Lh2), and
- für eine Axialregelung ist im Bereich der Mittelebene (Me) zusätzlich wenigstens eine ortsfeste Wicklung eines Elek- tromagneten (9, 17) vorgesehen, mit der ein magnetischer Steuerfluss (Mf2) zu erzeugen ist, der dem magnetischen Haltefluss (MfI) zu überlagern ist, so dass sich die Flussdichten des Steuerflusses (Mf2) und des Halteflusses (MfI) auf einer Seite der Rotorscheibenelemente (4i) addi¬ tiv und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite subtrak- tiv überlagern.For axial regulation, at least one stationary winding of an electromagnet (9, 17) is additionally provided in the region of the median plane (Me) with which a magnetic control flux (Mf2) is to be superimposed on the magnetic holding flux (MfI) , so that the flux densities of the control flux (Mf2) and the holding flux (MfI) on one side of the rotor disk elements (4i) addiv ¬ tively and superimpose subtractive on the opposite side.
2. Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Zwischenräume (5j) zwischen den Scheibenelementen an deren radialer Innenseite und Außenseite sich axial erstreckendes weichmagnetisches Material zum Schließen der Magnetflusskreise vorgesehen ist.2. Magnetic bearing device according to claim 1, characterized in that outside the intermediate spaces (5j) between the disc elements on the radially inner side and the outside of axially extending soft magnetic material is provided for closing the magnetic flux circuits.
3. Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Material zum Schließen der Magnetflusskreise durch einen axial verlaufenden Außen- jochkörper (11, 14) und/oder durch zumindest Teile der Rotor- welle (3) bereitgestellt ist.3. Magnetic bearing device according to claim 2, characterized in that the soft magnetic material for closing the magnetic flux circuits by an axially extending Außenjochkörper (11, 14) and / or by at least parts of the rotor shaft (3) is provided.
4. Magnetlagervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugen¬ den Mittel zur Erzeugung des Halteflusses (MfI) permanentmag- netische Elemente (7m) sind.4. Magnetic bearing device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic field generating ¬ the means for generating the holding flux (MfI) are permanent magnetic elements (7m).
5. Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetischen Elemente (7m) zumindest in einige der Statorscheibenelemente (7i) integriert sind.5. Magnetic bearing device according to claim 4, characterized in that the permanent-magnetic elements (7m) are integrated at least in some of the stator disk elements (7i).
6. Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorscheibenelemente (7i) jeweils axial in zwei Hälften unterteilt sind, zwischen denen die perma- nentmagnetischen Elemente (7m) angeordnet sind.6. Magnetic bearing device according to claim 5, characterized in that the Statorscheibenelemente (7i) are each divided axially into two halves, between which the permanent-magnetic elements (7m) are arranged.
7. Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorscheibenelemente (7i) radial ei¬ ne größere Ausdehnung aufweisen als die Rotorscheibenelemente (4i) ohne permanentmagnetische Elemente.7. Magnetic bearing device according to claim 5 or 6, characterized in that the Statorscheibenelemente (7i) radially ei ¬ ne greater extent than the rotor disk elements (4i) without permanent magnetic elements.
8. Magnetlagervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass magnetfelderzeugende Mittel zur Erzeugung des Halteflusses (MfI) von wenigstens einer Wicklung (131) eines Elektromagneten gebildet sind.8. Magnetic bearing device according to one of the preceding claims, characterized in that magnetic field generating Means for generating the holding flux (MfI) of at least one winding (131) of an electromagnet are formed.
9. Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass die wenigstens eine Wicklung (131) zur Erzeu¬ gung des magnetischen Halteflusses (MfI) die Rotorscheibenelemente (i) unter Beabstandung umgibt.9. A magnetic bearing device according to claim 8, marked thereby characterized, that the at least one winding (131) supply for the generation of the magnetic holding flux ¬ (MFI) the rotor disc elements (i) surrounds at spacing.
10. Magnetlagervorrichtung nach einem der vorangehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine10. Magnetic bearing device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one
Magnetwicklung (9) zur Erzeugung des magnetischen Steuerflusses (Mf2) ein den magnetischen Haltefluss (MfI) und den magnetischen Steuerfluss (Mf2)im Bereich der Mittelebene (Me) führendes mittleres Rotorscheibenelement (4z) unter Beanstan- düng umgibt (Fig. 2) .Magnetic winding (9) for generating the magnetic control flux (Mf2) a the magnetic holding flux (MfI) and the magnetic control flux (Mf2) in the region of the median plane (Me) leading center rotor disc element (4z) under Beanstan- fertil surrounds (Figure 2).
11. Magnetlagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Magnetwick¬ lung (17) zur Erzeugung des magnetischen Steuerflusses (Mf2) die Rotorwelle (3) in deren Nähe unter Beabstandung umgibt (Fig. 3) .11. Magnetic bearing device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the at least one Magnetwick ¬ ment (17) for generating the magnetic control flux (Mf2) surrounding the rotor shaft (3) in the vicinity at a spacing (Fig. 3).
12. Magnetlagereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewand- ten, mit den zahnartigen Fortsätzen (4f, 7f) versehenen12. Magnetic bearing device according to one of the preceding claims, characterized in that the mutually facing, provided with the tooth-like projections (4f, 7f)
Flachseiten der Rotorscheibenelemente (4i) und Statorschei¬ benelemente (7i) gegenüber einer Senkrechten auf der Rotorwellenachse (A) geneigt angeordnet sind.Flat sides of the rotor disk elements (4i) and Statorschei ¬ benelemente (7i) are arranged inclined relative to a perpendicular to the rotor shaft axis (A).
13. Magnetlagervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein axialer Abstandssensor (25), ein Sollwertgeber (26), eine Vergleichsschaltungseinrichtung (27) sowie eine Reglereinrichtung (28) mit nachgeordnetem Verstärker zur Steuerung eines elektri- sehen Stromes durch die wenigstens eine Steuermagnetwicklung (9, 17) zur Erzeugung des magnetischen Steuerflusses (Mf2) vorgesehen sind. 13. Magnetic bearing device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one axial distance sensor (25), a setpoint generator (26), a comparison circuit means (27) and a regulator means (28) with downstream amplifier for controlling an electrical current through the see at least one control magnetic winding (9, 17) for generating the magnetic control flux (Mf2) are provided.
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