EP2140157A1 - Bearing device having a shaft that is rotatable in a magnetic fashion about an axis and a damping device - Google Patents

Bearing device having a shaft that is rotatable in a magnetic fashion about an axis and a damping device

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Publication number
EP2140157A1
EP2140157A1 EP08749594A EP08749594A EP2140157A1 EP 2140157 A1 EP2140157 A1 EP 2140157A1 EP 08749594 A EP08749594 A EP 08749594A EP 08749594 A EP08749594 A EP 08749594A EP 2140157 A1 EP2140157 A1 EP 2140157A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
damper part
axis
magnetic
shaft
bearing device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08749594A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Kummeth
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2140157A1 publication Critical patent/EP2140157A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/0408—Passive magnetic bearings
    • F16C32/0436—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/03—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means
    • F16F15/035—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means by use of eddy or induced-current damping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps
    • F16C2360/45—Turbo-molecular pumps

Definitions

  • Bearing device with a magnetically rotatably mounted relative to a stator about an axis shaft and a damping device
  • the invention relates to a bearing device with a magnetically rotatably mounted relative to a stator shaft about an axis.
  • a storage device is apparent, for example from DE 10 2005 028 209 Al.
  • Magnetic storage facilities allow a contact and wear-free storage of moving parts. They require no lubricant and can be designed with low friction.
  • Such magnetic bearing devices are used, for example, for turbomolecular pumps, ultracentrifuges, high-speed spindles of machine tools and rotating tubes with X-ray tubes.
  • magnetic bearings for turbines and compressors, but especially for motors and generators are used.
  • a magnetic bearing device may allow a radial and / or axial bearing of a rotating shaft relative to a stator.
  • the magnetic field-generating means necessary for the magnetic bearing of a shaft can be provided by the windings of an electromagnet or by permanent magnets.
  • the magnetic field generating means may be both part of the rotating part of a magnetic bearing means, as well as part of the stator of such a device.
  • Active magnetic storage devices are generally known in the art. In active storage facilities, the magnetic forces necessary for the axial and / or radial magnetic bearing of a shaft are controlled by a control device. Such an active magnetic bearing is evident for example from DE 38 44 563 Al. Furthermore, magnetic storage facilities are known which For example, in a radial direction to a rotational axis of the magnetically mounted shaft are inherently stable. Such passive magnetic bearings may consist of several in the direction of the axis of rotation on a shaft successively arranged rotor disc elements which are spaced apart to form a gap. In the interstices between the rotor disk elements can in such a bearing grip Statorusionnetti which are connected to the shaft. The rotor disk elements and the stator disk elements may be provided with a toothed structure for radial self-stabilization of the bearing on their opposite surfaces. Such a bearing is evident, for example, from DE 10 2005 028 209 A1.
  • Both conventional and superconducting magnetic bearings have a design due to a low damping of the bearing shaft relative to the stator.
  • high-quality superconducting magnetic bearings using superconducting material with a high critical current density have a particularly low, almost negligible attenuation.
  • Magnetic storage facilities can be used for storage of motor or generator shafts or storage of other high-speed machines.
  • the conditional by the application high speeds of such a camp, are often in a so-called supercritical area.
  • a supercritical range is to be understood as meaning the speed range of a bearing which is above the resonance frequency or the resonance frequencies of the bearing.
  • the resonant frequency or resonance frequencies of the bearing must necessarily be passed through as the rotational speed of such a magnetic bearing increases.
  • the oscillations of the bearing shaft which typically occur in the region of the resonance frequencies are suppressed, as known from the prior art, by means of mechanical safety bearings.
  • the object of the present invention is to specify a bearing device which is improved with respect to the damping of a magnetically mounted shaft compared with the solutions known from the prior art.
  • the invention is based on the idea to use the eddy current losses caused by a variable magnetic field in a conductive material for damping a shaft of a magnetic bearing.
  • a magnetic field is generated which is rotationally symmetrical with respect to a rotation axis of a shaft of a magnetic bearing and which is inhomogeneous in a direction radial to the axis of rotation of the shaft.
  • an electrically good conductive component is to be exposed to such a magnetic field.
  • the component and the magnetic field described above should continue to rotate against each other. Upon rotation of the component about a fixed axis of rotation no eddy currents are induced in this.
  • the component deviates from the predetermined axis of rotation, since the magnetic field to which the component is exposed is inhomogeneous in the radial direction, eddy currents are induced in the component. As a result of these eddy currents, the component experiences a damping force acting in a direction perpendicular to its axis of rotation.
  • a bearing device is provided with a shaft rotatably mounted magnetically relative to a stator about an axis and a damping device, wherein the damping device is at least one arranged perpendicular to the axis disk-shaped first damper part which is part of the shaft, and at least one yoke body as the second damper part Part of the stator is, should include.
  • the yoke body should further comprise magnetic field generating means and two magnetic flux-carrying side parts, which are spaced apart from each other to form an annular cylindrical space in the axial direction to the axis.
  • the first damper part projects in the radial direction to the axis in the annular cylindrical space between the side parts.
  • the second damper part completely encloses the disk-shaped first damper part in the circumferential direction.
  • the side parts of the second damper part are intended to produce tooth-like projections on their sides facing the first damper part having a magnetic field inhomogeneous in the radial direction to the axis in the annular cylindrical space.
  • a bearing device with a magnetically rotatably mounted relative to a stator about an axis shaft and a damping device is to be specified, wherein the damping device is at least one arranged perpendicular to the axis hole-shaped first damper part, which is part of the stator, and at least one yoke body as a second damper part which is mechanically connected to the shaft include.
  • the second damper part should further comprise magnetic field generating means and two magnetic flux carrying side parts, which are spaced apart to form an annular cylindrical space in an axial direction to the axis with each other.
  • the first damper part is intended to protrude in the radial direction to the axis in the annular cylindrical space and completely enclose the second damper part, of the shape of a yoke body in the circumferential direction.
  • the side parts of the second damper part should face on their the first damper part
  • a bearing device with a damping device according to the invention a non-contact damping of a magnetically mounted shaft allows. Consequently, a magnetically supported shaft can be damped such that it is possible to dispense with further components mechanically connected to the shaft.
  • a low-maintenance and low-wear bearing device with a likewise low-maintenance and low-wear damping device can be specified.
  • the magnetic field generating means may be formed by the winding of an electromagnet.
  • Magnetic field generating means in the form of the winding of an electromagnet are easy to manufacture, low maintenance and reliable.
  • the magnetic bearing may have a control device for controlling an exciting current of the electromagnet. By regulating the excitation current, it is possible to set a damping constant of the damping device. By adjusting the damping constants of the damping device, the magnetic bearing can be adjusted according to the respective desired requirements with regard to its damping. Advantageously, thus the field of application of the magnetic bearing can be extended.
  • the damping constant can be regulated as a function of the rotational speed of the bearing device. Due to a speed-dependent control of the damping constants, the magnetic bearing can be operated in different applications with different damping constants.
  • the damping constant may further assume a predetermined value for suppressing resonant vibrations of the bearing device at a specific rotational speed or a plurality of specific rotational speeds of the bearing device, which are in the region of the resonance frequency or the resonance frequencies of the bearing device.
  • a predetermined value of the damping constant by setting a predetermined value of the damping constant, the occurrence of resonance vibrations can be suppressed.
  • the magnetic field generating means may be arranged at the radially outer edge region of the second damper part between the two side parts. Such an arrangement of the magnetic field generating means represents a particularly simple and space-saving embodiment.
  • the second bearing part can be mechanically connected to the shaft via a nonmagnetic reinforcement and be separated magnetically from the shaft.
  • the shaft may be formed of non-magnetic material.
  • the magnetic field generating means may be formed by at least one permanent magnet. Furthermore, this permanent magnet can be a ring magnet enclosing the shaft. Alternatively, the magnetic field generating means may be formed by an array of individual magnets, which together with the set parts form a closed magnetic arrangement enclosing the shaft in the circumferential direction of the side parts.
  • the aforementioned embodiments specify particularly simple and effective measures for the design of the magnetic field generating means.
  • the material of the permanent magnets may contain neodymium, iron and boron. Permanent magnets made using neodymium, iron and boron have a hard magnetic behavior, and are therefore particularly suitable for the damping device of a bearing device.
  • the magnetic field generating means may be part of the two side parts.
  • the magnetic field generating means in the form of disc-shaped magnets in the two side panels be integrated.
  • the bearing device may have superconducting material, which serves for magnetic storage of the shaft relative to the stator.
  • the superconductive material may further be low temperature or high temperature superconductor material.
  • Superconducting magnetic bearings are characterized by a particularly low-loss magnetic bearing. An effective and non-contact damping of a shaft of a superconducting magnetic bearing is therefore particularly advantageous.
  • the tooth-like processes can be trapezoidal
  • the first damper part may consist predominantly of copper or aluminum. Furthermore, the second damper part predominantly made of iron or steel. An embodiment of the first disc-shaped damper part or the second yoke-shaped damper part of one of the aforementioned materials, a particularly simple and effective embodiment of the damping device can be specified.
  • Figure 2 and 4 a magnetic bearing with a damping device
  • Figure 3 and 5 a radially inherently stable magnetic bearing with a damping device
  • Figure 6 shows a magnetic bearing with a double running damper device.
  • FIG. 1 shows a bearing device 100 in which a shaft 101 is rotatably supported by means of two active radial bearings 102, 103.
  • the active radial bearings 102, 103 each comprise electromagnets 104, 105, which enable active mounting of the shaft 101 using distance sensors 106, 107 and a suitable control device 108, 109.
  • the illustrated bearing device 100 further comprises a damping device 200, which comprises a disc-shaped first damper part 201 and a yoke-shaped second damper part 202.
  • the disk-shaped first damper part 201 is mechanically connected to the shaft 101 or is formed as a part of the shaft 101.
  • the disc-shaped first damper part 201 is further oriented perpendicular to the axis A of the shaft 101.
  • the disk-shaped first damper part 201 is completely surrounded by the yoke-shaped second damper part 202 in the circumferential direction.
  • the yoke-shaped second damper part 202 is shown cut
  • FIG. 2 shows the cross-sectional view of a bearing device 100 with a schematically illustrated magnetic bearing 210 and a damping device 200.
  • the magnetic bearing 210 may be a conventional magnetic bearing, for example an actively controlled magnetic bearing.
  • the magnetic bearing 210 can be a further magnetic bearing known from the prior art, for example a superconducting magnetic bearing.
  • a shaft 101 is rotatably mounted about an axis A.
  • the damper device 200 includes a first disc-shaped damper part 201 connected to the shaft 101.
  • the disk-shaped first damper part 201 may be a disk of good conductive material, for example copper or aluminum.
  • the disc-shaped first damper part 201 may be provided, for example, with a ring Tensioning element to be connected to the shaft 101.
  • the disc-shaped first damper part 201 may further have a nearly circular shape.
  • the disk-shaped first damper part 201 is completely enclosed in the circumferential direction by a yoke-shaped second damper part 202.
  • the second damper part 202 can furthermore be made predominantly of iron or steel. Other materials suitable for magnetic flux guidance can also be used.
  • the second damper part 202 has one or more permanent magnets 212 as magnetic field generating means.
  • the permanent magnets 212 may be, for example, permanent magnets containing neodymium, iron and boron.
  • the permanent magnet 212 may be a closed, annular magnet enclosing the axis 101.
  • the magnetic field generating means may be formed by an arrangement of discrete, separate individual magnets, wherein the individual discrete magnets together with the side parts 211 form a magnetic arrangement closed in the circumferential direction of the side parts 211.
  • magnetically conducting side parts 211 are arranged as part of the damping device 200, which have tooth-like projections 213 on their sides facing the first disk-shaped damper part 201.
  • the magnetic flux-carrying side parts 211 may have the shape of a perforated disk, which is oriented perpendicular to the axis A.
  • the disc-shaped first damper part 201 may likewise be a component composed of a plurality of segments.
  • the disk-shaped first damper part 201 can be composed of two semi-disk-shaped elements which are separated along a plane in which the axis A lies.
  • the disk-shaped first damper part 201 may be composed of a plurality of disk segments.
  • the permanent magnet or magnets 212 generate a magnetic flux in the side parts 211. It is focused by the tooth-like extensions 213 and leads to a magnetic field distribution inhomogeneous in a radial direction to the axis A in the annular cylindrical air gap between the side parts 211.
  • the tooth-like projections 213 of the side parts 211 are radially symmetrical to the axis A trained.
  • the side parts 211 guiding the magnetic flux can also only have a tooth-like extension formed concentrically to the axis A.
  • Projections 213 can have a trapezoidal shape when viewed in cross-section.
  • the disc-shaped first damper part 201 In a radial movement of the shaft 101, however, the disc-shaped first damper part 201 is moved in the inhomogeneous magnetic field in a radial direction to the axis A.
  • eddy currents are induced in the disc-shaped first damper part 201. The eddy current losses caused by these eddy currents lead to a damping of the movement of the shaft 101.
  • FIG. 3 shows a bearing device 100 according to a further exemplary embodiment.
  • the bearing device 100 has a magnetic bearing 210 and a damping device 200.
  • the magnetic bearing 210 is a passive, inherently stable magnetic bearing in the radial direction.
  • the magnetic bearing 210 has a stator 301 with stator disk elements 302 arranged perpendicular to the axis A, which are spaced apart from one another by forming an intermediate space in the direction of the axis A.
  • permanent magnetic elements 303 are integrated, with which a magnetic holding flux M for supporting the shaft 101 is to be generated.
  • a rotor disk element 304 protrude into the intermediate spaces between the stator disk elements 302.
  • the stator disk elements 302 and the rotor disk elements 304 are each provided with tooth-like projections on their mutually facing sides.
  • the damping device 200 has a disc-shaped first damper part 201, which is rotatably mounted with the
  • Shaft 101 is connected, and is completely enclosed by a yoke-shaped second damper part 202 along its circumference.
  • the yoke-shaped second damper part 202 can continue towards the stator 301 of the magnetic bearing 210 mechanically connected.
  • the yoke-shaped second damper part 202 comprises two side parts 211 which have tooth-like projections 213 on their sides facing the first disk-shaped damper part 201.
  • the yoke-shaped second damper part 202 further has magnetic field generating means in the form of a magnetic winding 305.
  • the magnet winding 305 of the damping device 200 may be located at the radially outer edge region of the second yoke-shaped damper part 202.
  • the magnet winding 305 may be connected to a regulator 306 for controlling the exciting current of the magnet winding 305.
  • an attenuation constant of the damping device 200 can be set via the exciter current of the magnet winding 305 by means of the control device 306.
  • This damping constant can furthermore be regulated as a function of the rotational speed of the shaft 101.
  • a higher damping constant of the damping device 200 can be set.
  • a magnetic bearing typically has one or more resonant frequencies.
  • the magnetic winding 305 can now be excited by means of the control device 306 such that at rotational speeds of the shaft 101, which are in the range of Resonanzfre- frequency or the resonance frequencies of the magnetic bearing 210, the damping constant of the damping device 200 is set to a certain value. In this way, when the rotational speed of the shaft 101 is raised from the standstill, the resonance frequency or the resonance frequencies of the magnetic bearing 210 can be passed through, so that resonance vibrations in the bearing device 210 are reduced.
  • FIG. 4 shows a further bearing device 100.
  • the bearing device 100 has a magnetic bearing 210 and a damping device 200.
  • the magnetic bearing 210 may be a conventional magnetic bearing generally known from the prior art, but may also be a superconducting magnetic bearing.
  • the damping device 200 has a hole-disc-shaped first damper part 401, which is fixedly mounted, and may be mechanically connected to a stator of the magnetic bearing 210, for example.
  • the hole-disc-shaped first damper part 401 may be oriented vertically with respect to the axis A.
  • the hole-disk-shaped first damper part 401 completely surrounds a second yoke-shaped second damper part 202 in the circumferential direction.
  • the yoke-shaped second damper part 202 comprises two magnet-flux-carrying side parts 211, which have tooth-like extensions 213 on their sides facing the hole-disk-shaped first damper part 401. Furthermore, the yoke-shaped second damper part 202 comprises one or more permanent-magnetic elements 212, which may be arranged on the radially inner edge of the disk-shaped side parts 211.
  • the permanent-magnetic elements 212 may be a ring magnet completely enclosing the ring 101 or else an arrangement of discrete, separate permanent magnets 212, which form a closed magnetic arrangement together with the side parts 211.
  • the permanent magnetic elements 212 may be magnetically separated from the shaft 101 by a non-magnetic reinforcement 402.
  • the yoke-shaped second damper part 202 is mechanically connected to the shaft 101 by means of the non-magnetic reinforcement 402.
  • the mode of operation of the damper device 200, the bearing device 100 shown in FIG. 4, is analogous to the statements in connection with FIG. 2.
  • the permanent magnets 212 may further be an integral part of the side members 211.
  • the permanent magnets may also be configured disc-shaped and integrated into the side parts 211.
  • FIG. 5 shows a bearing device 100 according to a further exemplary embodiment.
  • the illustrated bearing device 100 comprises a magnetic bearing 210 and a damping device 200.
  • the magnetic bearing 210 has a stator 301, which comprises stator disk elements 302, which are arranged perpendicular to the axis A of the shaft 101. Into the spaces between the stator disk elements 302 protrude rotor disk elements 304 connected to the shaft 101.
  • the stator disk elements 302 and the rotor disk elements 304 are provided with tooth-like projections on their mutually facing sides. Due to these tooth-like extensions, the illustrated magnetic bearing 210 is inherently stable in the radial direction to the axis A, similar to the magnetic bearing 210 shown in FIG.
  • the magnetic bearing 210 has a magnet winding 501 integrated in the stator 301.
  • the damping device 200 has a hole-disk-shaped first damper part 401, which completely surrounds a second yoke-shaped damper part 202.
  • the hole-disc-shaped first damper part 401 can be made, for example, from two separate half-slices for easier assembly.
  • the yoke-shaped second damper part 202 further has side panels 211, 211 on its first hole-shaped
  • Damper part 401 facing sides tooth-like projections 213, have.
  • the yoke-shaped second damper part 202 may comprise permanent magnets 212, which are arranged on the radially inner edge of the second yoke-shaped damper part 202.
  • the second damper part 202 is mechanically connected to the shaft 101 and may be magnetically separated from it by a reinforcement 402.
  • the non-magnetic reinforcement 402 may be embedded in the shaft 101.
  • the shaft 101 may be made of a non-magnetic material.
  • the hole-disc-shaped first damper part 401 can furthermore be mechanically connected to a static part of the magnetic bearing 210, for example, the hole-disc-shaped first damper part 401 can be mechanically connected to the stator 301.
  • FIG. 6 shows a bearing device with a magnetic bearing 210 and a damping device 200 according to a further exemplary embodiment.
  • the magnetic bearing 210 may be a conventional active or passive magnetic bearing and may also be a superconducting magnetic bearing.
  • the damper device 200 is embodied in duplicate, thus comprising two disc-shaped first damper parts 201 and correspondingly two yoke-shaped second damper parts 202.
  • the damping device 200 with the disc-shaped first damper parts 210 and the yoke-shaped second damper parts 202 can be made analogous to the embodiment shown in FIG - tion example, taking into account the respective double execution of the first damper part 201 and the second damper part 202, be configured.
  • the damping of the shaft 101 can be increased compared to a simple design.
  • the damping device 200 can be designed more than twice, and for example, three and more damper elements each comprise a disc-shaped first damper part 201 and a yoke-shaped second damper part 202.

Abstract

The invention relates to a bearing device (100) having a magnetic bearing (210) for mounting a shaft (101) and a damping device (200). The damping device (200) comprises a first disc-shaped damper part (201) that is part of the shaft (101), and a yoke-shaped second damper part (202) that comprises side parts (211) guiding the magnetic flow and means (212) for producing a magnetic field. The side parts (211) guiding the magnetic flow are disposed at a distance from one another to form an annular-cylindrical intermediate chamber in the axial direction relative to the axis (A). The first damper part (201) protrudes into said intermediate chamber in a radial fashion relative to the axis (A). The second damper part (202) completely surrounds the disc-shaped first damper part (201). The side parts (211) guiding the magnetic flow are provided on their sides facing the first damping part (201) with dentoid extensions that are rotationally symmetrical relative to the axis (A) for producing a non-homogenous magnetic field in the annular-cylindrical intermediate chamber in the radial direction relative to the axis (A).

Description

Beschreibungdescription
Lagereinrichtung mit einer magnetisch gegenüber einem Stator um eine Achse drehbar gelagerten Welle und einer Dämpfungs- VorrichtungBearing device with a magnetically rotatably mounted relative to a stator about an axis shaft and a damping device
Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung mit einer magnetisch gegenüber einem Stator um eine Achse drehbar gelagerten Welle. Eine derartige Lagereinrichtung geht beispielsweise aus der DE 10 2005 028 209 Al hervor.The invention relates to a bearing device with a magnetically rotatably mounted relative to a stator shaft about an axis. Such a storage device is apparent, for example from DE 10 2005 028 209 Al.
Magnetische Lagereinrichtungen erlauben eine berührungs- und verschleißfreie Lagerung von bewegten Teilen. Sie benötigen keine Schmiermittel und können reibungsarm konstruiert wer- den. Derartige magnetische Lagereinrichtungen werden beispielsweise für Turbomolekularpumpen, Ultrazentrifugen, schnelllaufende Spindeln von Werkzeugmaschinen und Röntgenröhren mit Drehanoden eingesetzt. Weiterhin werden Magnetlager für Turbinen und Kompressoren, insbesondere aber auch für Motoren und Generatoren verwendet.Magnetic storage facilities allow a contact and wear-free storage of moving parts. They require no lubricant and can be designed with low friction. Such magnetic bearing devices are used, for example, for turbomolecular pumps, ultracentrifuges, high-speed spindles of machine tools and rotating tubes with X-ray tubes. Furthermore, magnetic bearings for turbines and compressors, but especially for motors and generators are used.
Eine magnetische Lagereinrichtung kann eine Radial- und/oder Axiallagerung einer rotierenden Welle gegenüber einem Stator erlauben. Die zur magnetischen Lagerung einer Welle notwendi- gen magnetfelderzeugenden Mittel können durch die Wicklungen eines Elektromagneten oder aber durch Permanentmagnete zu Verfügung gestellt sein. Die magnetfelderzeugenden Mittel können sowohl Teil des rotierenden Teils einer magnetischen Lagereinrichtung, wie auch Teil des Stators einer solchen Einrichtung sein.A magnetic bearing device may allow a radial and / or axial bearing of a rotating shaft relative to a stator. The magnetic field-generating means necessary for the magnetic bearing of a shaft can be provided by the windings of an electromagnet or by permanent magnets. The magnetic field generating means may be both part of the rotating part of a magnetic bearing means, as well as part of the stator of such a device.
Aktive magnetische Lagereinrichtungen sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt. Bei aktiven Lagereinrichtungen werden die zur axialen und/oder radialen magnetischen Lage- rung einer Welle notwendigen magnetischen Kräfte durch eine Regeleinrichtung gesteuert. Ein derartiges aktives Magnetlager geht beispielsweise aus der DE 38 44 563 Al hervor. Weiterhin sind magnetische Lagereinrichtungen bekannt, welche beispielsweise in eine radiale Richtung zu einer Drehachse der magnetisch gelagerten Welle eigenstabil sind. Derartige passive Magnetlager können aus mehreren in Richtung der Rotationsachse auf einer Welle hintereinander angeordneten Rotor- Scheibenelementen bestehen, welche untereinander unter Ausbildung eines Zwischenraumes beabstandet sind. In die Zwischenräume zwischen den Rotorscheibenelementen können bei einem derartigen Lager Statorscheibenelemente greifen, welche mit der Welle verbunden sind. Die Rotorscheibenelemente und die Statorscheibenelemente können zu einer radialen Eigenstabilisierung des Lagers auf ihren sich gegenüberliegenden Flächen mit einer gezahnten Struktur versehen sein. Ein derartiges Lager geht beispielsweise aus der DE 10 2005 028 209 Al hervor .Active magnetic storage devices are generally known in the art. In active storage facilities, the magnetic forces necessary for the axial and / or radial magnetic bearing of a shaft are controlled by a control device. Such an active magnetic bearing is evident for example from DE 38 44 563 Al. Furthermore, magnetic storage facilities are known which For example, in a radial direction to a rotational axis of the magnetically mounted shaft are inherently stable. Such passive magnetic bearings may consist of several in the direction of the axis of rotation on a shaft successively arranged rotor disc elements which are spaced apart to form a gap. In the interstices between the rotor disk elements can in such a bearing grip Statorscheibenelemente which are connected to the shaft. The rotor disk elements and the stator disk elements may be provided with a toothed structure for radial self-stabilization of the bearing on their opposite surfaces. Such a bearing is evident, for example, from DE 10 2005 028 209 A1.
Weitere aus dem Stand der Technik bekannte passive Magnetlager sind supraleitende Magnetlager. Bei einem supraleitenden Magnetlager ist eines der beiden Lagerteile mit permanentmagnetischen Elementen gebildet, das andere Lagerteil umfasst einen Supraleiter. Die permanentmagnetischen Elemente induzieren bei einer Lageänderung Feldänderungen am Ort des Supraleiters. Durch die sich verändernden Felder werden in dem Supraleiter Abschirmströme induziert. Resultierende Kräfte, die durch die Abschirmströme hervorgerufen werden, können so- wohl anziehend wie auch abstoßend sein. Sie sind aber stets so gerichtet, dass sie einer Auslenkung aus der Solllage entgegenwirken. Auf diese Weise kann eine inhärent stabile Lagerung erreicht werden, und eine aufwendige und möglicherweise störanfällige Regelung kann entfallen. Ein derartiges supra- leitendes Magnetlager geht beispielsweise aus der DE 101 24 193 Al hervor.Other passive magnetic bearings known from the prior art are superconducting magnetic bearings. In a superconducting magnetic bearing one of the two bearing parts is formed with permanent magnetic elements, the other bearing part comprises a superconductor. The permanent magnetic elements induce field changes at the location of the superconductor in the event of a change in position. Due to the changing fields shielding currents are induced in the superconductor. Resulting forces, which are caused by the Abschirmströme, can be both attractive and repulsive. But they are always directed so that they counteract a deflection from the desired position. In this way, an inherently stable storage can be achieved, and a complex and possibly error-prone control can be omitted. Such a superconducting magnetic bearing is evident, for example, from DE 101 24 193 A1.
Sowohl konventionelle wie auch supraleitende Magnetlager weisen konstruktionsbedingt eine geringe Dämpfung der Lagerwelle gegenüber dem Stator auf. Insbesondere hochqualitative supraleitende Magnetlager, für die supraleitendes Material mit einer hohen kritischen Stromdichte verwendet wird, weisen eine besonders geringe, nahezu vernachlässigbare Dämpfung auf .Both conventional and superconducting magnetic bearings have a design due to a low damping of the bearing shaft relative to the stator. In particular, high-quality superconducting magnetic bearings using superconducting material with a high critical current density have a particularly low, almost negligible attenuation.
Magnetische Lagereinrichtungen können zur Lagerung von Motor- oder Generatorenwellen oder zur Lagerung anderer schnelllaufender Maschinen eingesetzt werden. Die durch das Einsatzgebiet bedingten hohen Drehzahlen eines solchen Lagers, befinden sich häufig in einem sogenannten überkritischen Bereich. Unter einem überkritischen Bereich ist in diesem Fall der Drehzahlbereich eines Lagers zu verstehen, der oberhalb der Resonanzfrequenz oder der Resonanzfrequenzen des Lagers liegt. Ausgehend von einer stehenden Lagerwelle, müssen bei steigender Drehzahl eines derartigen magnetischen Lagers notwendigerweise die Resonanzfrequenz oder die Resonanzfrequen- zen des Lagers durchfahren werden. Die im Bereich der Resonanzfrequenzen typischerweise auftretenden Schwingungen der Lagerwelle werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mittels mechanischer Fanglager unterdrückt.Magnetic storage facilities can be used for storage of motor or generator shafts or storage of other high-speed machines. The conditional by the application high speeds of such a camp, are often in a so-called supercritical area. In this case, a supercritical range is to be understood as meaning the speed range of a bearing which is above the resonance frequency or the resonance frequencies of the bearing. Starting from a stationary bearing shaft, the resonant frequency or resonance frequencies of the bearing must necessarily be passed through as the rotational speed of such a magnetic bearing increases. The oscillations of the bearing shaft which typically occur in the region of the resonance frequencies are suppressed, as known from the prior art, by means of mechanical safety bearings.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lagereinrichtung anzugeben, welche hinsichtlich der Dämpfung einer magnetisch gelagerten Welle gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen verbessert ist.The object of the present invention is to specify a bearing device which is improved with respect to the damping of a magnetically mounted shaft compared with the solutions known from the prior art.
Diese Aufgabe wird mit den in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 7 angegebenen Maßnahmen gelöst.This object is achieved with the measures indicated in the independent claims 1 and 7.
Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, die durch ein veränderliches Magnetfeld in einem leitfähigen Material hervorgerufenen Wirbelstromverluste zur Dämpfung einer Welle eines Magnetlagers zu nutzen.The invention is based on the idea to use the eddy current losses caused by a variable magnetic field in a conductive material for damping a shaft of a magnetic bearing.
Erfindungsgemäß wird weiterhin von der Überlegung ausgegangen ein Magnetfeld zu erzeugen, welches bezüglich einer Rotati- onsachse einer Welle eines Magnetlagers rotationssymmetrisch ist und in eine Richtung radial zu der Rotationsachse der Welle inhomogen ist. Weiterhin soll ein elektrisch gut leitfähiges Bauteil einem solchen Magnetfeld ausgesetzt werden. Das Bauteil und das zuvor beschriebene Magnetfeld sollen weiterhin gegeneinander rotieren. Bei einer Rotation des Bauteils um eine feste Rotationsachse werden in diesem keine Wirbelströme induziert. Weicht hingegen das Bauteil von der vorgegebenen Rotationsachse ab, so werden, da das Magnetfeld, welchem das Bauteil ausgesetzt ist in radiale Richtung inhomogen ist, in dem Bauteil Wirbelströme induziert. Infolge dieser Wirbelströme erfährt das Bauteil eine dämpfende Kraftwirkung, die in eine Richtung senkrecht zu seiner Rotations- achse weist.According to the invention, it is furthermore assumed that a magnetic field is generated which is rotationally symmetrical with respect to a rotation axis of a shaft of a magnetic bearing and which is inhomogeneous in a direction radial to the axis of rotation of the shaft. Furthermore, an electrically good conductive component is to be exposed to such a magnetic field. The component and the magnetic field described above should continue to rotate against each other. Upon rotation of the component about a fixed axis of rotation no eddy currents are induced in this. On the other hand, if the component deviates from the predetermined axis of rotation, since the magnetic field to which the component is exposed is inhomogeneous in the radial direction, eddy currents are induced in the component. As a result of these eddy currents, the component experiences a damping force acting in a direction perpendicular to its axis of rotation.
Wird nun wahlweise ein elektrisch gut leitfähiges Bauteil, welches einem wie zuvor beschriebenen inhomogenen Magnetfeld ausgesetzt ist, entweder mit einem rotierenden oder einem statischen Teil eines Magnetlagers verbunden, und wird weiterhin ein entsprechendes ein inhomogenes Magnetfeld erzeugendes weiteres Bauteil wahlweise mit einem rotierenden oder einem statischen Teil eines Magnetlagers verbunden, so kann eine berührungsfreie Dämpfungseinrichtung angegeben werden.Is now optionally a good electrically conductive component which is exposed to an inhomogeneous magnetic field as described above, either connected to a rotating or a static part of a magnetic bearing, and is still a corresponding inhomogeneous magnetic field generating another component optionally with a rotating or a static part a magnetic bearing connected, so a non-contact damping device can be specified.
Erfindungsgemäß wird eine Lagereinrichtung mit einer magnetisch gegenüber einem Stator um eine Achse drehbar gelagerten Welle und einer Dämpfungsvorrichtung angegeben, wobei die Dämpfungsvorrichtung zumindest einen senkrecht zu der Achse angeordneten scheibenförmigen ersten Dämpferteil, der Teil der Welle ist, und zumindest einen Jochkörper als zweiten Dämpferteil, der Teil des Stators ist, umfassen soll. Der Jochkörper soll weiterhin magnetfelderzeugende Mittel und zwei magnetflussführende Seitenteile umfassen, die unter Aus- bildung eines ringzylindrischen Zwischenraums in axialer Richtung zu der Achse untereinander beabstandet sind. Der erste Dämpferteil ragt in radialer Richtung zu der Achse in den ringzylindrischen Zwischenraum zwischen den Seitenteilen. Der zweite Dämpferteil umschließt den scheibenförmigen ersten Dämpferteil in Umfangsrichtung vollständig. Die Seitenteile des zweiten Dämpferteils sollen auf ihren dem ersten Dämpferteil zugewandten Seiten zahnartige Fortsätze zur Erzeugung eines in radialer Richtung zu der Achse inhomogenen Magnetfeldes in dem ringzylindrischen Zwischenraum aufweisen.According to the invention, a bearing device is provided with a shaft rotatably mounted magnetically relative to a stator about an axis and a damping device, wherein the damping device is at least one arranged perpendicular to the axis disk-shaped first damper part which is part of the shaft, and at least one yoke body as the second damper part Part of the stator is, should include. The yoke body should further comprise magnetic field generating means and two magnetic flux-carrying side parts, which are spaced apart from each other to form an annular cylindrical space in the axial direction to the axis. The first damper part projects in the radial direction to the axis in the annular cylindrical space between the side parts. The second damper part completely encloses the disk-shaped first damper part in the circumferential direction. The side parts of the second damper part are intended to produce tooth-like projections on their sides facing the first damper part having a magnetic field inhomogeneous in the radial direction to the axis in the annular cylindrical space.
Weiterhin erfindungsgemäß soll eine Lagereinrichtung mit einer magnetisch gegenüber einem Stator um eine Achse drehbar gelagerten Welle und einer Dämpfungsvorrichtung angegeben werden, wobei die Dämpfungsvorrichtung zumindest einen senkrecht zu der Achse angeordneten lochscheibenförmigen ersten Dämpferteil, der Teil des Stators ist, und zumindest einen Jochkörper als zweiten Dämpferteil, der mit der Welle mechanisch verbunden ist, umfassen. Der zweite Dämpferteil soll weiterhin magnetfelderzeugende Mittel und zwei magnetflussführende Seitenteileaufweisen, die unter Ausbildung eines ringzylindrischen Zwischenraums in einer axialen Richtung zu der Achse untereinander beanstandet sind. Der erste Dämpferteil soll in radialer Richtung zur der Achse in den ringzylindrischen Zwischenraum hineinragen und den zweiten Dämpferteil, von der Form eines Jochkörpers, in Umfangsrichtung vollständig umschließen. Die Seitenteile des zweiten Dämpfer- teils sollen auf ihren dem ersten Dämpferteil zugewandtenFurthermore, according to the invention, a bearing device with a magnetically rotatably mounted relative to a stator about an axis shaft and a damping device is to be specified, wherein the damping device is at least one arranged perpendicular to the axis hole-shaped first damper part, which is part of the stator, and at least one yoke body as a second damper part which is mechanically connected to the shaft include. The second damper part should further comprise magnetic field generating means and two magnetic flux carrying side parts, which are spaced apart to form an annular cylindrical space in an axial direction to the axis with each other. The first damper part is intended to protrude in the radial direction to the axis in the annular cylindrical space and completely enclose the second damper part, of the shape of a yoke body in the circumferential direction. The side parts of the second damper part should face on their the first damper part
Seiten zahnartige Fortsätze zur Erzeugung eines in radialer Richtung zu der Achse inhomogenen Magnetfeldes in dem ringzylindrischen Zwischenraum aufweisen.Have sides tooth-like projections for generating a inhomogeneous in the radial direction to the axis magnetic field in the annular cylindrical space.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung sind insbesondere darin zu sehen, dass eine Lagereinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung, eine berührungslose Dämpfung einer magnetisch gelagerten Welle ermöglicht. Folglich kann eine magnetisch gelagerte Welle derart gedämpft werden, dass auf weitere mechanisch mit der Welle verbundene Bauteile verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß kann somit eine wartungs- und verschleißarme Lagereinrichtung mit einer ebenfalls wartungs- und verschleißarmen Dämpfungsvorrichtung angegeben werden.The advantages of the bearing device according to the invention are to be seen in particular in that a bearing device with a damping device according to the invention, a non-contact damping of a magnetically mounted shaft allows. Consequently, a magnetically supported shaft can be damped such that it is possible to dispense with further components mechanically connected to the shaft. Thus, according to the invention, a low-maintenance and low-wear bearing device with a likewise low-maintenance and low-wear damping device can be specified.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der zuvor genannten Lagereinrichtungen gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 und aus den von Anspruch 7 abhängigen Ansprüchen 8 und 9, sowie aus den abhängigen Ansprüchen 10 bis 19 hervor. Dabei können die Ausführungsformen nach Anspruch 1 oder Anspruch 7 insbesondere mit den Merkmalen eines oder vorzugsweise auch denen mehrerer Unteransprüche kombiniert werden. Demgemäß kann die erfindungsgemäße Lagereinrichtung noch die folgenden Merkmale aufweisen:Advantageous embodiments of the aforementioned storage facilities are based on claims 2 to 6 dependent on claim 1 and on claims 8 dependent on claim 7 and 9, and from the dependent claims 10 to 19. The embodiments according to claim 1 or claim 7 can be combined in particular with the features of one or preferably also those of several subclaims. Accordingly, the storage device according to the invention can still have the following features:
Die magnetfelderzeugenden Mittel können durch die Wicklung eines Elektromagneten gebildet sein. Magnetfelderzeugende Mittel in Form der Wicklung eines Elektromagneten sind einfach herzustellen, wartungsarm und zuverlässig.The magnetic field generating means may be formed by the winding of an electromagnet. Magnetic field generating means in the form of the winding of an electromagnet are easy to manufacture, low maintenance and reliable.
Das Magnetlager kann zur Steuerung eines Erregerstroms des Elektromagneten eine Regelungsvorrichtung aufweisen. Durch eine Regelung des Erregerstroms kann eine Dämpfungskonstante der Dämpfungsvorrichtung eingestellt werden. Durch eine Einstellung der Dämpfungskonstanten der Dämpfungsvorrichtung kann das Magnetlager entsprechend den jeweils gewünschten Anforderungen hinsichtlich seiner Dämpfung ein- gestellt werden. Vorteilhaft kann somit das Anwendungsgebiet des Magnetlagers erweitert werden.The magnetic bearing may have a control device for controlling an exciting current of the electromagnet. By regulating the excitation current, it is possible to set a damping constant of the damping device. By adjusting the damping constants of the damping device, the magnetic bearing can be adjusted according to the respective desired requirements with regard to its damping. Advantageously, thus the field of application of the magnetic bearing can be extended.
Die Dämpfungskonstante kann abhängig von der Drehzahl der Lagereinrichtung regelbar sein. Durch eine drehzahlabhän- gige Regelung der Dämpfungskonstanten kann das Magnetlager in verschiedenen Einsatzbereichen mit unterschiedlicher Dämpfungskonstante betrieben werden.The damping constant can be regulated as a function of the rotational speed of the bearing device. Due to a speed-dependent control of the damping constants, the magnetic bearing can be operated in different applications with different damping constants.
Die Dämpfungskonstante kann weiterhin bei einer speziellen Drehzahl oder mehreren speziellen Drehzahlen der Lagereinrichtung, die im Bereich der Resonanzfrequenz oder der Resonanzfrequenzen der Lagereinrichtung liegen, einen vorgegebenen Wert zur Unterdrückung von Resonanzschwingungen der Lagereinrichtung annehmen. Vorteilhaft kann durch die Einstellung eines vorgegebenen Wertes der Dämpfungskonstanten das Auftreten von Resonanzschwingungen unterdrückt werden . Die magnetfelderzeugenden Mittel können am radial äußeren Randbereich des zweiten Dämpferteils zwischen den beiden Seitenteilen angeordnet sein. Eine derartige Anordnung der magnetfelderzeugenden Mittel stellt eine besonders einfa- che und platzsparende Ausführungsform dar.The damping constant may further assume a predetermined value for suppressing resonant vibrations of the bearing device at a specific rotational speed or a plurality of specific rotational speeds of the bearing device, which are in the region of the resonance frequency or the resonance frequencies of the bearing device. Advantageously, by setting a predetermined value of the damping constant, the occurrence of resonance vibrations can be suppressed. The magnetic field generating means may be arranged at the radially outer edge region of the second damper part between the two side parts. Such an arrangement of the magnetic field generating means represents a particularly simple and space-saving embodiment.
Der zweite Lagerteil kann über eine unmagnetische Armierung mit der Welle mechanisch verbunden und magnetisch von der Welle getrennt sein. Weiterhin kann die Welle aus un- magnetischem Material gebildet sein. Durch eine Verbindung des zweiten Lagerteils mittels einer unmagnetischen Armierung bzw. durch die Ausbildung der Welle aus einem unmagnetischen Material, kann vorteilhaft ein magnetischer Kurzschluss zwischen den beiden Seitenteilen des zweiten Dämpferteils vermieden werden.The second bearing part can be mechanically connected to the shaft via a nonmagnetic reinforcement and be separated magnetically from the shaft. Furthermore, the shaft may be formed of non-magnetic material. By connecting the second bearing part by means of a non-magnetic reinforcement or by the formation of the shaft of a nonmagnetic material, advantageously, a magnetic short circuit between the two side parts of the second damper part can be avoided.
Die magnetfelderzeugenden Mittel können durch zumindest einen Permanentmagneten gebildet sein. Weiterhin kann es sich bei diesem Permanentmagneten um einen die Welle um- schließenden Ringmagneten handeln. Alternativ können die magnetfelderzeugenden Mittel durch eine Anordnung von Einzelmagneten gebildet sein, die gemeinsam mit den Setenteilen eine in Umfangsrichtung der Seitenteile die Welle umschließende, geschlossene magnetische Anordnung bilden. Die vorgenannten Ausführungsformen geben besonders einfache und effektive Maßnahmen zur Ausgestaltung der magnetfelderzeugenden Mittel an.The magnetic field generating means may be formed by at least one permanent magnet. Furthermore, this permanent magnet can be a ring magnet enclosing the shaft. Alternatively, the magnetic field generating means may be formed by an array of individual magnets, which together with the set parts form a closed magnetic arrangement enclosing the shaft in the circumferential direction of the side parts. The aforementioned embodiments specify particularly simple and effective measures for the design of the magnetic field generating means.
Das Material der Permanentmagnete kann Neodym, Eisen und Bor enthalten. Permanentmagnete, welche unter Verwendung von Neodym, Eisen und Bor hergestellt sind, weisen ein hartmagnetisches Verhalten auf, und sind daher für die Dämpfungsvorrichtung einer Lagereinrichtung besonders geeignet .The material of the permanent magnets may contain neodymium, iron and boron. Permanent magnets made using neodymium, iron and boron have a hard magnetic behavior, and are therefore particularly suitable for the damping device of a bearing device.
Die magnetfelderzeugenden Mittel können Bestandteil der beiden Seitenteile sein. Insbesondere können die magnetfelderzeugenden Mittel in Form scheibenförmiger Magnete in die beiden Seitenteile integriert sein. Mit den zuvor genannten Maßnahmen kann eine besonders platzsparende Dämpfungseinrichtung angegeben werden.The magnetic field generating means may be part of the two side parts. In particular, the magnetic field generating means in the form of disc-shaped magnets in the two side panels be integrated. With the aforementioned measures, a particularly space-saving damping device can be specified.
- Die Lagereinrichtung kann supraleitendes Material aufweisen, welches zur magnetischen Lagerung der Welle gegenüber dem Stator dient. Bei dem supraleitenden Material kann es sich weiterhin um Tieftemperatur- oder Hochtemperatursupraleitermaterial handeln. Supraleitende Magnetlager zeich- nen sich durch eine besonders verlustarme magnetische Lagerung aus. Eine effektive und berührungsfreie Dämpfung einer Welle eines supraleitenden Magnetlagers ist daher besonders vorteilhaft.- The bearing device may have superconducting material, which serves for magnetic storage of the shaft relative to the stator. The superconductive material may further be low temperature or high temperature superconductor material. Superconducting magnetic bearings are characterized by a particularly low-loss magnetic bearing. An effective and non-contact damping of a shaft of a superconducting magnetic bearing is therefore particularly advantageous.
- Die zahnartigen Fortsätze können einen trapezoidförmigen- The tooth-like processes can be trapezoidal
Querschnitt aufweisen. Mittels trapezoidförmiger zahnartiger Fortsätze kann auf besonders einfache und effektive Weise ein in radiale Richtung inhomogenes Magnetfeld erzeugt werden.Have cross-section. By means of trapezoidal tooth-like projections, a magnetic field which is inhomogeneous in the radial direction can be generated in a particularly simple and effective manner.
Der erste Dämpferteil kann überwiegend aus Kupfer oder A- luminium bestehen. Weiterhin kann der zweite Dämpferteil überwiegend aus Eisen oder Stahl bestehen. Durch eine Ausgestaltung des ersten scheibenförmigen Dämpferteils bzw. des zweiten jochförmigen Dämpferteils aus einem der vorgenannten Materialien, kann eine besonders einfache und effektive Ausgestaltungsform der Dämpfungseinrichtung angegeben werden.The first damper part may consist predominantly of copper or aluminum. Furthermore, the second damper part predominantly made of iron or steel. An embodiment of the first disc-shaped damper part or the second yoke-shaped damper part of one of the aforementioned materials, a particularly simple and effective embodiment of the damping device can be specified.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßenFurther advantageous embodiments of the invention
Lagereinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor. Dabei zeigen deren Figur 1 ein aktives Magnetlager mit einer Dämpfungseinrich- tung in Perspektivansicht,Bearing device will become apparent from the claims not mentioned above and in particular from the drawing explained below. 1 shows an active magnetic bearing with a damping device in perspective view,
Figur 2 und 4 ein Magnetlager mit einer Dämpfungseinrichtung, Figur 3 und 5 ein radial eigenstabiles Magnetlager mit einer Dämpfungsvorrichtung und Figur 6 ein Magnetlager mit einer doppelt ausgeführten Dämpfungsvorrichtung .Figure 2 and 4, a magnetic bearing with a damping device, Figure 3 and 5, a radially inherently stable magnetic bearing with a damping device and Figure 6 shows a magnetic bearing with a double running damper device.
Figur 1 zeigt eine Lagereinrichtung 100, bei welcher eine Welle 101 mittels zweier aktiver Radiallager 102, 103 drehbar gelagert ist. Die aktiven Radiallager 102, 103 umfassen jeweils Elektromagnete 104, 105, welche unter Verwendung von Abstandssensoren 106, 107 und einer geeigneten Regeleinrichtung 108, 109, eine aktive Lagerung der Welle 101 ermögli- chen. Die dargestellte Lagereinrichtung 100 umfasst weiterhin eine Dämpfungsvorrichtung 200, welche einen scheibenförmigen ersten Dämpferteil 201 und einen jochförmigen zweiten Dämpferteil 202 umfasst. Der scheibenförmige erste Dämpferteil 201 ist mit der Welle 101 mechanisch verbunden oder ist als ein Teil der Welle 101 ausgebildet. Der scheibenförmige erste Dämpferteil 201 ist weiterhin senkrecht zu der Achse A der Welle 101 orientiert. Der scheibenförmige erste Dämpferteil 201 ist von dem jochförmigen zweiten Dämpferteil 202 in Um- fangsrichtung vollständig umgeben. Aus Gründen der Übersicht- lichkeit ist der jochförmige zweite Dämpferteil 202 in seinem Randbereich aufgeschnitten dargestellt.FIG. 1 shows a bearing device 100 in which a shaft 101 is rotatably supported by means of two active radial bearings 102, 103. The active radial bearings 102, 103 each comprise electromagnets 104, 105, which enable active mounting of the shaft 101 using distance sensors 106, 107 and a suitable control device 108, 109. The illustrated bearing device 100 further comprises a damping device 200, which comprises a disc-shaped first damper part 201 and a yoke-shaped second damper part 202. The disk-shaped first damper part 201 is mechanically connected to the shaft 101 or is formed as a part of the shaft 101. The disc-shaped first damper part 201 is further oriented perpendicular to the axis A of the shaft 101. The disk-shaped first damper part 201 is completely surrounded by the yoke-shaped second damper part 202 in the circumferential direction. For reasons of clarity, the yoke-shaped second damper part 202 is shown cut open in its edge region.
Figur 2 zeigt die Querschnittsansicht einer Lagereinrichtung 100 mit einem schematisch dargestellten Magnetlager 210 und einer Dämpfungsvorrichtung 200. Bei dem Magnetlager 210 kann es sich um ein konventionelles Magnetlager, beispielsweise um ein aktiv geregeltes Magnetlager handeln. Ebenso kann es sich bei dem Magnetlager 210 um ein weiteres, aus dem Stand der Technik bekanntes Magnetlager, beispielsweise ein supralei- tendes Magnetlager handeln. Mittels des Magnetlagers 210 ist eine Welle 101 um eine Achse A drehbar gelagert.FIG. 2 shows the cross-sectional view of a bearing device 100 with a schematically illustrated magnetic bearing 210 and a damping device 200. The magnetic bearing 210 may be a conventional magnetic bearing, for example an actively controlled magnetic bearing. Likewise, the magnetic bearing 210 can be a further magnetic bearing known from the prior art, for example a superconducting magnetic bearing. By means of the magnetic bearing 210, a shaft 101 is rotatably mounted about an axis A.
Die Dämpfungsvorrichtung 200 umfasst einen ersten scheibenförmigen Dämpferteil 201, der mit der Welle 101 verbunden ist. Bei dem scheibenförmigen ersten Dämpferteil 201 kann es sich um eine Scheibe aus gut leitfähigem Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, handeln. Der scheibenförmige erste Dämpferteil 201 kann beispielsweise mit einem Ring- spannelement mit der Welle 101 verbunden sein. Der scheibenförmige erste Dämpferteil 201 kann weiterhin eine nahezu kreisförmige Gestalt aufweisen.The damper device 200 includes a first disc-shaped damper part 201 connected to the shaft 101. The disk-shaped first damper part 201 may be a disk of good conductive material, for example copper or aluminum. The disc-shaped first damper part 201 may be provided, for example, with a ring Tensioning element to be connected to the shaft 101. The disc-shaped first damper part 201 may further have a nearly circular shape.
Der scheibenförmige erste Dämpferteil 201 ist von einem joch- förmigen zweiten Dämpferteil 202 in Umfangsrichtung vollständig umschlossen. Der zweite Dämpferteil 202 kann weiterhin überwiegend aus Eisen oder Stahl gefertigt sein. Weitere zur Magnetflussführung geeignete Materialien können ebenfalls verwendet werden. Der zweite Dämpferteil 202 weist als magnetfelderzeugende Mittel einen oder mehrere Permanentmagnete 212 auf. Bei den Permanentmagneten 212 kann es sich beispielsweise um Permanentmagnete handeln, die Neodym, Eisen und Bor enthalten. Weiterhin kann es sich bei dem Permanent- magneten 212 um einen die Achse 101 umschließenden, geschlossenen, ringförmigen Magneten handeln. Alternativ können die magnetfelderzeugenden Mittel durch eine Anordnung aus diskreten, voneinander getrennten einzelnen Magneten gebildet sein, wobei die einzelnen diskreten Magnete gemeinsam mit den Sei- tenteilen 211 eine in Umfangsrichtung der Seitenteile 211 geschlossene magnetische Anordnung bilden.The disk-shaped first damper part 201 is completely enclosed in the circumferential direction by a yoke-shaped second damper part 202. The second damper part 202 can furthermore be made predominantly of iron or steel. Other materials suitable for magnetic flux guidance can also be used. The second damper part 202 has one or more permanent magnets 212 as magnetic field generating means. The permanent magnets 212 may be, for example, permanent magnets containing neodymium, iron and boron. Furthermore, the permanent magnet 212 may be a closed, annular magnet enclosing the axis 101. Alternatively, the magnetic field generating means may be formed by an arrangement of discrete, separate individual magnets, wherein the individual discrete magnets together with the side parts 211 form a magnetic arrangement closed in the circumferential direction of the side parts 211.
Beidseitig des Permanentmagneten 212 sind als Teil der Dämpfungsvorrichtung 200 magnetflussführende Seitenteile 211 an- geordnet, welche auf ihren dem ersten scheibenförmigen Dämpferteil 201 zugewandten Seiten zahnartige Fortsätze 213 aufweisen. Die magnetflussführenden Seitenteile 211 können die Form einer Lochscheibe aufweisen, die senkrecht zu der Achse A orientiert ist.On both sides of the permanent magnet 212, magnetically conducting side parts 211 are arranged as part of the damping device 200, which have tooth-like projections 213 on their sides facing the first disk-shaped damper part 201. The magnetic flux-carrying side parts 211 may have the shape of a perforated disk, which is oriented perpendicular to the axis A.
Zur vereinfachten Montage kann es sich bei dem scheibenförmigen ersten Dämpferteil 201 ebenfalls um ein aus mehreren Segmenten zusammengesetztes Bauteil handeln. Beispielsweise kann das scheibenförmige erste Dämpferteil 201 aus zwei halbschei- benförmigen Elementen zusammengesetzt sein, die entlang einer Ebene, in welcher die Achse A liegt, getrennt sind. Weiterhin kann das scheibenförmige erste Dämpferteil 201 aus einer Vielzahl von Scheibensegmenten zusammengesetzt sein. Der oder die Permanentmagnete 212 erzeugen einen magnetischen Fluss in den Seitenteilen 211. Dieser wird durch die zahnartigen Fortsätze 213 fokussiert, und führt zu einer in eine radiale Richtung zu der Achse A inhomogenen Magnetfeldverteilung in dem ringzylindrischen Luftspalt zwischen den Seitenteilen 211. Der magnetische Fluss durchdringt den mit der Welle 101 verbundenen scheibenförmigen ersten Dämpferteil 201, welcher in den ringzylindrischen Zwischenraum hinein- ragt, und fließt auf der gegenüberliegenden Seite über das entsprechende Seitenteil 211 zurück zu dem magnetfelderzeugenden Permanentmagneten 212. Die zahnartigen Fortsätze 213 der Seitenteile 211 sind radialsymmetrisch zu der Achse A ausgebildet .For simplified mounting, the disc-shaped first damper part 201 may likewise be a component composed of a plurality of segments. For example, the disk-shaped first damper part 201 can be composed of two semi-disk-shaped elements which are separated along a plane in which the axis A lies. Furthermore, the disk-shaped first damper part 201 may be composed of a plurality of disk segments. The permanent magnet or magnets 212 generate a magnetic flux in the side parts 211. It is focused by the tooth-like extensions 213 and leads to a magnetic field distribution inhomogeneous in a radial direction to the axis A in the annular cylindrical air gap between the side parts 211. The magnetic flux penetrates the disk-shaped first damper part 201 connected to the shaft 101, which projects into the annular-cylindrical gap, and flows on the opposite side via the corresponding side part 211 back to the magnetic field generating permanent magnet 212. The tooth-like projections 213 of the side parts 211 are radially symmetrical to the axis A trained.
Alternativ zu einer Ausgestaltung mit mehreren radialsymmetrisch und konzentrisch zu der Achse A ausgebildeten zahnartigen Fortsätzen, können die magnetflussführenden Seitenteile 211 auch lediglich einen konzentrisch zu der Achse A ausge- bildeten zahnartigen Fortsatz aufweisen. Die zahnartigenAs an alternative to an embodiment with a plurality of tooth-like extensions formed radially symmetrically and concentrically to the axis A, the side parts 211 guiding the magnetic flux can also only have a tooth-like extension formed concentrically to the axis A. The tooth-like
Fortsätze 213 können im Querschnitt betrachtet eine trape- zoidförmige Gestalt aufweisen.Projections 213 can have a trapezoidal shape when viewed in cross-section.
Rotiert die Welle 101 um die Achse A, so werden bedingt durch das in radialer Richtung zu der Achse A in dem Spalt zwischen den Seitenteilen 211 vorliegende inhomogene Magnetfeld, da dieses bezüglich einer Rotation um die Achse A rotationssymmetrisch ist, keine Wirbelströme in dem scheibenförmigen ersten Dämpferteil 201 induziert. Dies ist der Fall, da am Ort des scheibenförmigen ersten Dämpferteils 201, bei einer Rotation des ersten Dämpferteils 201 um die Achse A keine Magnetfeldänderungen auftreten am Ort des ersten scheibenförmigen Dämpferteils auftreten.If the shaft 101 rotates about the axis A, then due to the inhomogeneous magnetic field present in the gap between the side parts 211 in the radial direction relative to the axis A, since this is rotationally symmetric with respect to rotation about the axis A, no eddy currents will be present in the disk-shaped first one Damper part 201 induced. This is the case since at the location of the disk-shaped first damper part 201, upon rotation of the first damper part 201 about the axis A no magnetic field changes occur at the location of the first disc-shaped damper part occur.
Bei einer radialen Bewegung der Welle 101 wird hingegen der scheibenförmige erste Dämpferteil 201 in dem inhomogenen Magnetfeld in eine radiale Richtung zu der Achse A verschoben. Durch eine derartige Verschiebung des scheibenförmigen ersten Dämpferteils 201 in dem inhomogenen Magnetfeld zwischen den Seitenteilen 211, werden in dem scheibenförmigen ersten Dämpferteil 201 Wirbelströme induziert. Die durch diese Wirbelströme verursachten Wirbelstromverluste führen zu einer Dämp- fung der Bewegung der Welle 101.In a radial movement of the shaft 101, however, the disc-shaped first damper part 201 is moved in the inhomogeneous magnetic field in a radial direction to the axis A. By such a displacement of the disc-shaped first Damper parts 201 in the inhomogeneous magnetic field between the side parts 211, eddy currents are induced in the disc-shaped first damper part 201. The eddy current losses caused by these eddy currents lead to a damping of the movement of the shaft 101.
Figur 3 zeigt eine Lagereinrichtung 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Lagereinrichtung 100 weist ein Magnetlager 210 und eine Dämpfungsvorrichtung 200 auf.FIG. 3 shows a bearing device 100 according to a further exemplary embodiment. The bearing device 100 has a magnetic bearing 210 and a damping device 200.
Bei dem Magnetlager 210 handelt es sich um ein passives, in radialer Richtung eigenstabiles Magnetlager. Das Magnetlager 210 weist einen Stator 301 mit senkrecht zu der Achse A angeordneten Statorscheibenelementen 302 auf, welche unter Aus- bildung eines Zwischenraumes in Richtung der Achse A untereinander beabstandet sind. In die Statorscheibenelemente 302 sind permanentmagnetische Elemente 303 integriert, mit welchen ein magnetischer Haltefluss M zur Lagerung der Welle 101 zu Erzeugen ist. In die Zwischenräume zwischen den Stator- Scheibenelementen 302 ragen jeweils ein Rotorscheibenelement 304. Die Statorscheibenelemente 302 und die Rotorscheibenelemente 304 sind jeweils auf ihren einander zugewandten Seiten mit zahnartigen Fortsätzen versehen. Diese zahnartigen Fortsätze führen zu einer inhomogenen Magnetfeldverteilung im La- gerspalt des Magnetlagers 210, zwischen den Statorscheibenelementen 302 und den Rotorscheibenelementen 304. Diese inhomogene Magnetfeldverteilung im Lagerspalt des Magnetlagers 210 führt dazu, dass das Magnetlager 210 in radialer Richtung zu der Achse A eigenstabil ist. Weiterhin können die Oberflä- chen der Statorscheibenelemente 302 und der Rotorscheibenelemente 304 um einen Winkel α gegenüber der Achse A geneigt sein .The magnetic bearing 210 is a passive, inherently stable magnetic bearing in the radial direction. The magnetic bearing 210 has a stator 301 with stator disk elements 302 arranged perpendicular to the axis A, which are spaced apart from one another by forming an intermediate space in the direction of the axis A. In the stator disk elements 302 permanent magnetic elements 303 are integrated, with which a magnetic holding flux M for supporting the shaft 101 is to be generated. In each case, a rotor disk element 304 protrude into the intermediate spaces between the stator disk elements 302. The stator disk elements 302 and the rotor disk elements 304 are each provided with tooth-like projections on their mutually facing sides. These tooth-like extensions lead to an inhomogeneous magnetic field distribution in the bearing gap of the magnetic bearing 210, between the stator disk elements 302 and the rotor disk elements 304. This inhomogeneous magnetic field distribution in the bearing gap of the magnetic bearing 210 results in the magnetic bearing 210 being intrinsically stable in the radial direction to the axis A. Furthermore, the surfaces of the stator disk elements 302 and the rotor disk elements 304 may be inclined at an angle α with respect to the axis A.
Die Dämpfungsvorrichtung 200 weist einen scheibenförmigen ersten Dämpferteil 201 auf, der mit der drehbar gelagertenThe damping device 200 has a disc-shaped first damper part 201, which is rotatably mounted with the
Welle 101 verbunden ist, und entlang seines Umfangs vollständig von einem jochförmigen zweiten Dämpferteil 202 umschlossen ist. Der jochförmige zweite Dämpferteil 202 kann weiter- hin mit dem Stator 301 des Magnetlagers 210 mechanisch verbunden sein.Shaft 101 is connected, and is completely enclosed by a yoke-shaped second damper part 202 along its circumference. The yoke-shaped second damper part 202 can continue towards the stator 301 of the magnetic bearing 210 mechanically connected.
Der jochförmige zweite Dämpferteil 202 umfasst zwei Seiten- teile 211, die an ihrer dem ersten scheibenförmigen Dämpferteil 201 zugewandten Seiten zahnartige Fortsätze 213 aufweisen. Der jochförmige zweite Dämpferteil 202 weist weiterhin magnetfelderzeugende Mittel in der Form einer Magnetwicklung 305 auf. Die Magnetwicklung 305 der Dämpfungsvorrichtung 200 kann sich am radial äußeren Randbereich des zweiten jochför- migen Dämpferteils 202 befinden. Mittels der Magnetwicklung 305 kann ein magnetischer Fluss erzeugt werden, der über die zahnartigen Fortsätze 213 und das zwischen den Seitenteilen 211 angeordnete scheibenförmige erste Dämpferteil 201 hinweg- getrieben wird. Zusätzlich kann die Magnetwicklung 305 mit einer Regelungsvorrichtung 306 zur Regelung des Erregerstroms der Magnetwicklung 305verbunden sein. Insbesondere kann über den Erregerstrom der Magnetwicklung 305 mittels der Regelungsvorrichtung 306 eine Dämpfungskonstante der Dämpfungs- Vorrichtung 200 eingestellt werden. Diese Dämpfungskonstante kann weiterhin abhängig von der Drehzahl der Welle 101 geregelt sein. So kann beispielsweise bei höherer Drehzahl der Welle 101 eine höhere Dämpfungskonstante der Dämpfungseinrichtung 200 eingestellt werden.The yoke-shaped second damper part 202 comprises two side parts 211 which have tooth-like projections 213 on their sides facing the first disk-shaped damper part 201. The yoke-shaped second damper part 202 further has magnetic field generating means in the form of a magnetic winding 305. The magnet winding 305 of the damping device 200 may be located at the radially outer edge region of the second yoke-shaped damper part 202. By means of the magnet winding 305, a magnetic flux can be generated which is driven over the tooth-like extensions 213 and the disc-shaped first damper part 201 arranged between the side parts 211. In addition, the magnet winding 305 may be connected to a regulator 306 for controlling the exciting current of the magnet winding 305. In particular, an attenuation constant of the damping device 200 can be set via the exciter current of the magnet winding 305 by means of the control device 306. This damping constant can furthermore be regulated as a function of the rotational speed of the shaft 101. Thus, for example, at a higher rotational speed of the shaft 101, a higher damping constant of the damping device 200 can be set.
Ein Magnetlager weist typischerweise eine oder mehrere Resonanzfrequenzen auf. Die Magnetwicklung 305 kann nun mittels der Regelungsvorrichtung 306 derart erregt werden, dass bei Drehzahlen der Welle 101, welche im Bereich der Resonanzfre- quenz oder der Resonanzfrequenzen des Magnetlagers 210 liegen, die Dämpfungskonstante der Dämpfungseinrichtung 200 auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Auf diese Weise kann, wenn die Drehzahl der Welle 101 aus dem Stillstand hochgefahren wird, die Resonanzfrequenz oder die Resonanzfrequenzen des Magnetlagers 210 durchfahren werden, so dass Resonanzschwingungen in der Lagereinrichtung 210 vermindert werden. Figur 4 zeigt eine weitere Lagereinrichtung 100. Die Lagereinrichtung 100 weist ein Magnetlager 210 und eine Dämpfungsvorrichtung 200 auf. Bei dem Magnetlager 210 kann es sich um ein allgemein aus dem Stand der Technik bekanntes konventionelles Magnetlager, aber auch insbesondere um ein supraleitendes Magnetlager handeln.A magnetic bearing typically has one or more resonant frequencies. The magnetic winding 305 can now be excited by means of the control device 306 such that at rotational speeds of the shaft 101, which are in the range of Resonanzfre- frequency or the resonance frequencies of the magnetic bearing 210, the damping constant of the damping device 200 is set to a certain value. In this way, when the rotational speed of the shaft 101 is raised from the standstill, the resonance frequency or the resonance frequencies of the magnetic bearing 210 can be passed through, so that resonance vibrations in the bearing device 210 are reduced. FIG. 4 shows a further bearing device 100. The bearing device 100 has a magnetic bearing 210 and a damping device 200. The magnetic bearing 210 may be a conventional magnetic bearing generally known from the prior art, but may also be a superconducting magnetic bearing.
Die Dämpfungsvorrichtung 200 weist einen lochscheibenförmigen ersten Dämpferteil 401 auf, welcher ortsfest montiert ist, und beispielsweise mit einem Stator des Magnetlagers 210 mechanisch verbunden sein kann. Der lochscheibenförmige erste Dämpferteil 401 kann bezüglich der Achse A senkrecht orientiert sein. Der lochscheibenförmige erste Dämpferteil 401 umschließt in Umfangsrichtung vollständig einen zweiten joch- förmigen zweiten Dämpferteil 202.The damping device 200 has a hole-disc-shaped first damper part 401, which is fixedly mounted, and may be mechanically connected to a stator of the magnetic bearing 210, for example. The hole-disc-shaped first damper part 401 may be oriented vertically with respect to the axis A. The hole-disk-shaped first damper part 401 completely surrounds a second yoke-shaped second damper part 202 in the circumferential direction.
Der jochförmige zweite Dämpferteil 202 umfasst zwei magnetflussführende Seitenteile 211, welche auf ihren dem lochscheibenförmigen ersten Dämpferteil 401 zugewandten Seiten zahnartige Fortsätze 213 aufweisen. Weiterhin umfasst der jochförmige zweite Dämpferteil 202 einen oder mehrere permanentmagnetische Elemente 212, welche am radial inneren Rand der scheibenförmigen Seitenteile 211 angeordnet sein können. Bei den permanentmagnetischen Elementen 212 kann es sich um einen die Welle 101 vollständig umschließenden Ringmagneten oder auch um eine Anordnung aus diskreten von einander getrennten Permanentmagneten 212 handeln, die gemeinsam mit den Seitenteilen 211 eine geschlossene magnetische Anordnung bilden .The yoke-shaped second damper part 202 comprises two magnet-flux-carrying side parts 211, which have tooth-like extensions 213 on their sides facing the hole-disk-shaped first damper part 401. Furthermore, the yoke-shaped second damper part 202 comprises one or more permanent-magnetic elements 212, which may be arranged on the radially inner edge of the disk-shaped side parts 211. The permanent-magnetic elements 212 may be a ring magnet completely enclosing the ring 101 or else an arrangement of discrete, separate permanent magnets 212, which form a closed magnetic arrangement together with the side parts 211.
Die permanentmagnetischen Elemente 212 können mittels einer unmagnetischen Armierung 402 magnetisch von der Welle 101 getrennt sein. Gleichzeitig ist der jochförmige zweite Dämpferteil 202 mittels der unmagnetischen Armierung 402 mit der Welle 101 mechanisch verbunden. Die Funktionsweise der Dämpfereinrichtung 200, der in Figur 4 dargestellten Lagereinrichtung 100, ist analog zu den Ausführungen im Zusammenhang mit Figur 2 zu verstehen.The permanent magnetic elements 212 may be magnetically separated from the shaft 101 by a non-magnetic reinforcement 402. At the same time, the yoke-shaped second damper part 202 is mechanically connected to the shaft 101 by means of the non-magnetic reinforcement 402. The mode of operation of the damper device 200, the bearing device 100 shown in FIG. 4, is analogous to the statements in connection with FIG. 2.
Die Permanentmagnete 212 können weiterhin ein integrierter Bestandteil der Seitenteile 211 sein. Beispielsweise können die Permanentmagnete, ebenfalls scheibenförmig ausgestaltet sein, und in die Seitenteile 211 integriert sein.The permanent magnets 212 may further be an integral part of the side members 211. For example, the permanent magnets may also be configured disc-shaped and integrated into the side parts 211.
Figur 5 zeigt eine Lagereinrichtung 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die dargestellte Lagereinrichtung 100 umfasst ein Magnetlager 210 und eine Dämpfungsvorrichtung 200.FIG. 5 shows a bearing device 100 according to a further exemplary embodiment. The illustrated bearing device 100 comprises a magnetic bearing 210 and a damping device 200.
Das Magnetlager 210 weist einen Stator 301 auf, der Statorscheibenelemente 302 umfasst, die senkrecht zu der Achse A der Welle 101 angeordnet sind. In die Zwischenräume zwischen den Statorscheibenelementen 302 ragen mit der Welle 101 verbundene Rotorscheibenelemente 304. Die Statorscheibenelemente 302 und die Rotorscheibenelemente 304 sind auf ihren einander zugewandten Seiten mit zahnartigen Fortsätzen versehen. Bedingt durch diese zahnartigen Fortsätze ist das dargestellte Magnetlager 210 ähnlich dem in Figur 3 dargestellten Magnetlager 210 in radialer Richtung zu der Achse A eigenstabil. Zur Erzeugung eines magnetischen Halteflusses M weist das Magnetlager 210 eine in den Stator 301 integrierte Magnetwicklung 501 auf.The magnetic bearing 210 has a stator 301, which comprises stator disk elements 302, which are arranged perpendicular to the axis A of the shaft 101. Into the spaces between the stator disk elements 302 protrude rotor disk elements 304 connected to the shaft 101. The stator disk elements 302 and the rotor disk elements 304 are provided with tooth-like projections on their mutually facing sides. Due to these tooth-like extensions, the illustrated magnetic bearing 210 is inherently stable in the radial direction to the axis A, similar to the magnetic bearing 210 shown in FIG. To generate a magnetic holding flux M, the magnetic bearing 210 has a magnet winding 501 integrated in the stator 301.
Die Dämpfungseinrichtung 200 weist einen lochscheibenförmigen ersten Dämpferteil 401 auf, der einen zweiten jochförmigen Dämpferteil 202 vollständig umgibt. Der lochscheibenförmige erste Dämpferteil 401 kann zur einfacheren Montage beispielsweise aus zwei getrennten Halbscheiben gefertigt sein. Der jochförmige zweite Dämpferteil 202 weist weiterhin Seitentei- Ie 211 auf, die auf ihren dem lochscheibenförmigen erstenThe damping device 200 has a hole-disk-shaped first damper part 401, which completely surrounds a second yoke-shaped damper part 202. The hole-disc-shaped first damper part 401 can be made, for example, from two separate half-slices for easier assembly. The yoke-shaped second damper part 202 further has side panels 211, 211 on its first hole-shaped
Dämpferteil 401 zugewandten Seiten zahnartige Fortsätze 213, aufweisen. Als magnetfelderzeugende Mittel kann der jochförmige zweite Dämpferteil 202 Permanentmagnete 212 umfassen, die am radial inneren Rand des zweiten jochförmigen Dämpferteils 202 angeordnet sind. Der zweite Dämpferteil 202 ist mechanisch mit der Welle 101 verbunden und kann magnetisch von dieser durch eine Armierung 402 getrennt sein. Die unmagneti- sehe Armierung 402 kann in die Welle 101 eingelassen sein.Damper part 401 facing sides tooth-like projections 213, have. As magnetic field generating means, the yoke-shaped second damper part 202 may comprise permanent magnets 212, which are arranged on the radially inner edge of the second yoke-shaped damper part 202. The second damper part 202 is mechanically connected to the shaft 101 and may be magnetically separated from it by a reinforcement 402. The non-magnetic reinforcement 402 may be embedded in the shaft 101.
Weiterhin kann die Welle 101 aus einem unmagnetischen Material gefertigt sein. Der lochscheibenförmige erste Dämpferteil 401 kann weiterhin mit einem statischen Teil des Magnetlagers 210 mechanisch verbunden sein, beispielsweise kann der loch- scheibenförmige erste Dämpferteil 401 mit dem Stator 301 mechanisch verbunden sein.Furthermore, the shaft 101 may be made of a non-magnetic material. The hole-disc-shaped first damper part 401 can furthermore be mechanically connected to a static part of the magnetic bearing 210, for example, the hole-disc-shaped first damper part 401 can be mechanically connected to the stator 301.
Figur 6 zeigt eine Lagereinrichtung mit einem Magnetlager 210 und einer Dämpfungsvorrichtung 200 gemäß einem weiteren Aus- führungsbeispiel . Bei dem Magnetlager 210 kann es sich um ein konventionelles aktives oder passives Magnetlager und ebenso um ein supraleitendes Magnetlager handeln.FIG. 6 shows a bearing device with a magnetic bearing 210 and a damping device 200 according to a further exemplary embodiment. The magnetic bearing 210 may be a conventional active or passive magnetic bearing and may also be a superconducting magnetic bearing.
Die Dämpfungsvorrichtung 200 ist zweifach ausgeführt, sie um- fasst somit zwei scheibenförmige erste Dämpferteile 201 und entsprechend zwei jochförmige zweite Dämpferteile 202. Allgemein kann die Dämpfungseinrichtung 200 mit den scheibenförmigen ersten Dämpferteilen 210 und den jochförmigen zweiten Dämpferteilen 202 analog zu dem in Figur 2 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel, unter Berücksichtigung der jeweils doppelten Ausführung des ersten Dämpferteils 201 und des zweiten Dämpferteils 202, ausgestaltet sein. Durch eine doppelte Ausführung der Dämpfungseinrichtung 200 kann die Dämpfung der Welle 101 gegenüber einer einfachen Ausführung erhöht werden. Wei- terhin kann die Dämpfungseinrichtung 200 mehr als zweifach ausgeführt sein, und beispielsweise drei und mehr Dämpferelemente aus je einem scheibenförmigen ersten Dämpferteil 201 und einem jochförmigen zweiten Dämpferteil 202 umfassen. The damper device 200 is embodied in duplicate, thus comprising two disc-shaped first damper parts 201 and correspondingly two yoke-shaped second damper parts 202. In general, the damping device 200 with the disc-shaped first damper parts 210 and the yoke-shaped second damper parts 202 can be made analogous to the embodiment shown in FIG - tion example, taking into account the respective double execution of the first damper part 201 and the second damper part 202, be configured. By a double embodiment of the damping device 200, the damping of the shaft 101 can be increased compared to a simple design. Furthermore, the damping device 200 can be designed more than twice, and for example, three and more damper elements each comprise a disc-shaped first damper part 201 and a yoke-shaped second damper part 202.

Claims

Patentansprüche claims
1. Lagereinrichtung (100) mit einer magnetisch gegenüber einem Stator (301) um eine Achse (A) drehbar gelagerten Welle (101) und einer Dämpfungsvorrichtung (200), die Dämpfungsvorrichtung (200) umfassend: a) mindestens einen senkrecht zu der Achse (A) angeordneten scheibenförmigen ersten Dämpferteil (201), der Teil der Welle (101) ist und b) mindestens einen Jochkörper als zweiten Dämpferteil (202), der Teil des Stators (301) ist, umfassend:A bearing device (100) having a shaft (101) and a damping device (200) mounted so as to be magnetically rotatable relative to a stator (301) about an axis (A), the damping device (200) comprising: a) at least one perpendicular to the axis ( A) arranged disc-shaped first damper part (201) which is part of the shaft (101) and b) at least one yoke body as the second damper part (202) which is part of the stator (301), comprising:
- magnetfelderzeugende Mittel (212, 305) undMagnetic field generating means (212, 305) and
- zwei magnetflussführende Seitenteile (211), die unter Ausbildung eines ringzylindrischen Zwischenraums in axi- aler Richtung zu der Achse (A) untereinander beabstandet sind, wobei- Two magnetic flux carrying side parts (211), which are spaced apart to form a ring-cylindrical gap in the axial direction to the axis (A), wherein
- der erste Dämpferteil (201) in radialer Richtung zu der Achse (A) in den ringzylindrischen Zwischenraum hinein- ragt,the first damper part (201) protrudes in the radial direction to the axis (A) into the annular-cylindrical gap,
- der zweite Dämpferteil (202) den scheibenförmigen ersten Dämpferteil (201) in Umfangsrichtung vollständig umschließt, und- The second damper part (202) completely surrounds the disk-shaped first damper part (201) in the circumferential direction, and
- die Seitenteile (211) des zweiten Dämpferteils (202), auf ihren dem ersten scheibenförmigen Dämpferteil (201) zugewandten Seiten, bezüglich der Achse (A) rotationssymmetrische zahnartige Fortsätze (213) zur Erzeugung eines in radialer Richtung zu der Achse (A) inhomogenen Magnetfeldes in dem ringzylindrischen Zwischenraum auf- weisen.- The side parts (211) of the second damper part (202), on their the first disc-shaped damper part (201) facing sides, with respect to the axis (A) rotationally symmetrical tooth-like projections (213) for generating a inhomogeneous in the radial direction to the axis (A) Magnetic field in the annular cylindrical space have up.
2. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Mittel (212, 305) durch die Wicklung (305) eines Elektromagneten gebildet sind.Second bearing device (100) according to claim 1, characterized in that the magnetic field generating means (212, 305) through the winding (305) of an electromagnet are formed.
3. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Regelungsvorrichtung (306) zur Regelung eines Er- regerstroms (305) des Elektromagneten (305) zur Einstellung einer Dämpfungskonstanten der Dämpfungsvorrichtung (200) .3. A storage device (100) according to claim 2, characterized by a control device (306) for controlling an Er- energizing current (305) of the electromagnet (305) for adjusting a damping constant of the damping device (200).
4. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Dämpfungskonstante abhängig von einer4. bearing device (100) according to claim 3, characterized in that the damping constant depends on a
Drehzahl der Lagereinrichtung (100) regelbar ist.Speed of the bearing device (100) is adjustable.
5. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskonstante bei einer speziellen Drehzahl oder mehreren speziellen Drehzahlen der Lagereinrichtung (100), die im Bereich der Resonanzfrequenz oder der Resonanzfrequenzen der Lagereinrichtung (100) liegen, einen vorgegebenen Wert zur Unterdrückung von Resonanzschwingungen der Lagereinrichtung (100) annimmt.5. bearing device (100) according to claim 4, characterized in that the damping constant at a specific speed or more specific speeds of the bearing device (100), which are in the range of the resonant frequency or the resonance frequencies of the bearing device (100), a predetermined value for suppression of resonant vibrations of the bearing device (100).
6. Lagereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Mittel 212, 305) am radial äußeren Randbereich des zweiten Dämpferteils (202) zwischen den beiden Seitenteilen (211) angeordnet sind.6. bearing device (100) according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the magnetic field generating means 212, 305) at the radially outer edge region of the second damper part (202) between the two side parts (211) are arranged.
7. Lagereinrichtung (100) mit einer magnetisch gegenüber einem Stator (301) um eine Achse (A) drehbar gelagerten Welle7. bearing device (100) with a magnetically opposite a stator (301) about an axis (A) rotatably mounted shaft
(101) und einer Dämpfungsvorrichtung (200), die Dämpfungsvorrichtung (200) umfassend: a) mindestens einen senkrecht zu der Achse (A) angeordneten, lochscheibenförmigen ersten Dämpferteil (401), der Teil des Stators (301) ist und b) mindestens einem Jochkörper als zweiten Dämpferteil (202), der mit der Welle (101) mechanisch verbunden ist, umfassend:(101) and a damping device (200), the damping device (200) comprising: a) at least one perpendicular to the axis (A) arranged, a disc-shaped first damper part (401) which is part of the stator (301) and b) at least one Yoke body as a second damper part (202) mechanically connected to the shaft (101), comprising:
- magnetfelderzeugende Mittel (212, 305) undMagnetic field generating means (212, 305) and
- zwei magnetflussführende Seitenteile (211), die unter Ausbildung eines ringzylindrischen Zwischenraums in einer axialen Richtung zu der Achse (A) untereinander beabstandet sind, wobei - der erste Dämpferteil (401) in radialer Richtung zu der Achse (A) in den ringzylindrischen Zwischenraum hineinragt und den zweiten Dämpferteil (202) in Umfangsrich- tung vollständig umschließt, und - die Seitenteile (211) des zweiten Dämpferteils (202) auf ihren dem ersten Dämpferteil (401) zugewandten Seiten bezüglich der Achse (A) rotationssymmetrische zahnartige Fortsätze (213) zur Erzeugung eines in radialer Richtung zu der Achse (A) inhomogenen Magnetfeldes in dem ringzy- lindrischen Zwischenraum aufweisen.- Two magnetic flux carrying side parts (211), which are spaced apart to form an annular cylindrical space in an axial direction to the axis (A), wherein - The first damper part (401) in the radial direction to the axis (A) projects into the annular cylindrical space and the second damper part (202) in the circumferential direction completely encloses, and - the side parts (211) of the second damper part (202) on their the rotationally symmetrical tooth-like extensions (213) for generating a magnetic field which is inhomogeneous in the radial direction relative to the axis (A) in the ring-cylindrical intermediate space relative to the axis (A) of the first damper part (401).
8. Lagereinrichtung (100) nach einem der Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dämpferteil (202) über eine unmagnetische Armierung (402) mit der Welle (101) mechanisch verbunden und magnetisch von der Welle (101) getrennt ist.8. bearing device (100) according to any one of claim 7, characterized in that the second damper part (202) via a non-magnetic reinforcement (402) with the shaft (101) mechanically connected and magnetically separated from the shaft (101).
9. Lagereinrichtung (100) nach einem der Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (101) aus unmagnetischem Material gebildet ist.9. bearing device (100) according to any one of claim 7, characterized in that the shaft (101) is formed of non-magnetic material.
10. Lagereinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Mittel (212, 305) durch zumindest einen Permanentmagneten10. Bearing device according to claim 1 or one of claims 7 to 9, characterized in that the magnetic field generating means (212, 305) by at least one permanent magnet
(212) gebildet sind.(212) are formed.
11. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Mittel (212, 305) durch einen die Welle umschließenden Ringmagneten gebildet sind.11. bearing device (100) according to claim 10, characterized in that the magnetic field generating means (212, 305) are formed by a ring magnet surrounding the shaft.
12. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Mittel (212, 305) durch eine Anordnung von Einzelmagneten gebildet sind, die gemeinsam mit den Seitenteilen (211) eine in Umfangsrichtung der Seitenteile (211) die Welle (101) umschließende geschlossene magnetische Anordnung bilden. 12. bearing device (100) according to claim 10, characterized in that the magnetic field generating means (212, 305) are formed by an arrangement of individual magnets, which together with the side parts (211) in the circumferential direction of the side parts (211) the shaft (101 ) form enclosing closed magnetic arrangement.
13. Lagereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Permanentmagnete (212) Neodym, Eisen und Bor enthält.13. bearing device (100) according to one of claims 10 to 12, characterized in that the material of the permanent magnets (212) contains neodymium, iron and boron.
14. Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Mittel (212, 305) Bestandteil der beiden Seitenteile (211) sind.14. Bearing device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the magnetic field generating means (212, 305) are part of the two side parts (211).
15. Lagereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden An- Sprüche, gekennzeichnet durch supraleitendes Material als15. Storage device (100) according to one of the preceding claims, characterized by superconducting material as
Teil des Magnetlagers (210) zur magnetischen Lagerung der Welle (101) .Part of the magnetic bearing (210) for magnetic bearing of the shaft (101).
16. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 15, dadurch gekenn- zeichnet, dass das supraleitende Material Tieftemperatursup- raleitermaterial oder Hochtemperatursupraleitermaterial ist.16. Storage device (100) according to claim 15, characterized in that the superconducting material is low-temperature superconductor material or high-temperature superconductor material.
17. Lagereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zahnartigen Fort- sätze (213) einen trapezoidförmigen Querschnitt aufweisen.17. Storage device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the tooth-like extensions (213) have a trapezoidal cross-section.
18. Lagereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige erste Dämpferteil (201, 401) überwiegend aus Kupfer oder AIu- minium besteht.18. Bearing device (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the disc-shaped first damper part (201, 401) consists predominantly of copper or aluminum.
19. Lagereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dämpferteil (202) überwiegend aus Eisen oder Stahl besteht. 19. Storage device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second damper part (202) consists predominantly of iron or steel.
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