SE442660B

SE442660B - MAGNETIC STORAGE DEVICE FOR A HIGH SPEED ROTOR

Info

Publication number: SE442660B
Application number: SE8008897A
Authority: SE
Inventors: W J T H Luitjen
Original assignee: Ultra Centrifuge Nederland Nv
Priority date: 1979-12-19
Filing date: 1980-12-17
Publication date: 1986-01-20
Also published as: DE3048071A1; AU6541380A; SE8008897L; GB2066380B; DE3048071C2; NL189929B; GB2066380A; JPS56130903A; NL189929C; NL7909129A; AU544924B2

Description

10 15 20 25 30 35 8008897-4 På grund av en enkel hopmontering och även för att möjliggöra den axiella relativa förskjutningen av magneterna, är det önskvärt ätt utföra magnetringarna med inbördes samma diameter på den cylindriska ytan intill nämnda utrymme. 10 15 20 25 30 35 8008897-4 Due to an easy assembly and also to enable the axial relative displacement of the magnets, it is desirable to make the magnetic rings with each other the same diameter of the cylindrical surface adjacent to said space.

Diametrarna av magnetringarnas andra yttre ytor, vilka inte är belägna intill utrymmet, kan ha olika värden, speciellt för att inverka på magnetsystemets egenskaper, som en funktion av den axiella förskjutningen.The diameters of the other outer surfaces of the magnetic rings, which are not located next to the space, may have different values, especially to influence the properties of the magnetic system, which a function of the axial displacement.

I många fall är det fördelaktigt att inpassa den kortare ringformade magneten respektive magneterna till ro- torn. En mycket speciell variant redogöres för längre fram i beskrivningen.In many cases, it is beneficial to fit it shorter annular magnet and the magnets for ro- tower. A very special variant is described later in the description.

Med "styvhet“ i det föregående menades ändringen per enhet av radiell förskjutning vid den radiella kraft, som kan utövas genom de roterande och stationära magneterna mot varandra. I detta sammanhang är det verkningsfullt an den stationära magneten respektive magneterna i överensstämmel- se med ett sätt, som är i sig förut känt, är ledade vid det stationära rotorhuset på ett sätt, som medger dämpad radiell rörelse mot elastiska, återställande krafter.By "stiffness" in the foregoing was meant the change per unit of radial displacement at the radial force, which can be exerted by the rotating and stationary magnets against each other. In this context, it is effective stationary magnet and the magnets in accordance see with a way, which is in itself previously known, are led by it stationary rotor housing in a manner that allows damped radial movement against elastic, restorative forces.

Enligt en variant är den längre stationära magneten fastkilad eller fastlimmad vid en elastiskt upphängd mag- nethâllare.According to a variant, the longer is the stationary magnet wedged or glued to an elastically suspended stomach net holder.

Företrädesvis är åtminstone den kortare cylindriska magneten tillverkad av en kobolt-samarium legering.Preferably, at least the shorter one is cylindrical the magnet made of a cobalt-samarium alloy.

Så långt i denna beskrivning, eller i de här efter följande kraven nämns cylindriska magneter, avses även mag- neter, vid vilka åtminstone en magnetändförbindning avböjer från ett plan vinkelrätt mot de roterbara magneternas rota- tionsaxel.So far in this description, or in the following the following requirements mention cylindrical magnets, nets at which at least one magnetic end connection deflects from a plane perpendicular to the rotation of the rotatable magnets tionsaxel.

En sådan förbindningsände kan vara krökt eller tan- dad, innehålla urholkningar eller avböja på andra sätt från den plana formen. Detta mått kan även inverka på de magne- tiska egenskaperna.Such a connecting end may be curved or toothed. dad, contain cavities or otherwise deflect from the flat shape. This measure can also affect the magnetic technical properties.

En ytterligare metod att ge de magnetiska egenska- perna en avsedd form är vid hänsynstagande till speciellt fallet med det längre cylindriska sättet är polerna med de starkaste magnetiska krafterna belägna utmed kanter av cy- lindern och placerade på olika ändytor av cylindern. 10 15 20 25 30 35 8008897-4 Enligt en möjlighet är dessa kanter belägna på olika cylindriska väggytor, varigenom åstadkommes att cylindern magnetiseras i en riktning som är snedställd i tvärsektion.An additional method of providing the magnetic properties perna a intended shape is when taking into account special the case of the longer cylindrical way are the poles with the strongest magnetic forces located along the edges of the cylinder and placed on different end surfaces of the cylinder. 10 15 20 25 30 35 8008897-4 According to one possibility, these edges are located on different cylindrical wall surfaces, thereby providing that the cylinder is magnetized in a direction inclined in cross section.

Enligt en annan möjlighet är dessa kanter belägna på samma cylindriska väggyta.According to another possibility, these edges are located on the same cylindrical wall surface.

Magnetiseringsriktningen, vilket betyder den rikt- ning enligt vilken det starkaste magnetiska flödet löper inuti en tvärsektion av cylindern, är i detta fall krökt.The direction of magnetization, which means the direction according to which the strongest magnetic flux runs inside a cross section of the cylinder, is in this case curved.

Enligt en variant har hänsyn tagits till att speciellt med längre cylindriska magneter, polerna med den starkaste magnetiska kraften är belägna på cirklar på en och samma cylindrisk väggyta, men på ett visst avstånd från cylinder- kanterna.According to a variant, special consideration has been given to longer cylindrical magnets, the poles with the strongest The magnetic force is located on circles of one and the same cylindrical wall surface, but at a certain distance from the cylindrical the edges.

För en exakt reglering av magneternas läckfält kan mått vidtagas för att åtminstone den roterande magneten respektive magneterna, på den cylindriska sidan som är vri- den bort från den sida, som är belägen intill nämnda ytrymme, är avskärmade genom ett icke magnetiskt material, som exempel- vis aluminium. Detta åstadkommer likväl ett förfarande för att påverka magnetsystemets egenskaper i den avsedda rikt- ningen. ' För att erhålla en viss effekt på rotorn har hänsyn tagits till att de roterande och stationära magneterna är relativt varandra anbragta på ett sådant sätt, att den axiella magnetkraften som utvecklas med den stationära ro- torn, gradvis övergâr i en motsatt riktad axiell kraft vid den arbetande rotorhastigheten. Exempelvis kan detta an- ordnas på ett sådant sätt, speciellt med en rotor som är uppburen vid den andra änden medelst ett stödaxial-lager, att anbringandet av de roterande och stationära magneterna relativt varandra har den effekten, att rotorn medan den är stationär är utsatt för en axiell dragkraft, och medan den roterar för en axiell tryckkraft.For an exact regulation of the magnets' leakage field can measurements are taken to at least the rotating magnet respectively the magnets, on the cylindrical side which are it away from the side, which is located next to said surface space, are shielded by a non-magnetic material, such as vis aluminum. This nevertheless provides a procedure for to influence the properties of the magnetic system in the intended ningen. ' To obtain a certain effect on the rotor has consideration taken that the rotating and stationary magnets are relative to each other in such a way that it axial magnetic force developed with the stationary tower, gradually transitions into an oppositely directed axial force at the operating rotor speed. For example, this may be arranged in such a way, especially with a rotor that is supported at the other end by means of a support axial bearing, that the application of the rotating and stationary magnets relative to each other has the effect that the rotor while is stationary is subjected to an axial traction, and while it rotates for an axial thrust.

Detta har till följd att precis vid den höga rotationshastigheten trycks rotorn mot stödlagret.This results in that right at the high the rotational speed, the rotor is pressed against the support bearing.

Uppfinningen beskrivs närmare i det följande med hänvisning till de bifogade ritningarna, som visar före- dragna utföringsformer. 10 15 20 25 30 35 8008897-4 Figur 1 Figur 2 Figur 3 Figur 4 ~ Figur 5 Figur 6 Figur 7 Figur 8 Figur 9 Figur 10 Figur 11 Figur 12 Figur 13 Figur 14 Figur 15 är en planvy av ett ringformat magnetsystem. är vertikal tvärsektion av magnetsystemet i fi- gur 1. är en vertikal tvärsektion av en variant av magnet- systemet i figur 2 försett med ett kullager. är en planvy av ett ringformat magnetsystem med ett klart visat utrymme mellan de cylindriska delarna. är en vertﬂGﬂ.tvärsektion av det ringformade mag- netsystemet i figur 4. är en vertikal tvärsektion av magnetsystemet, vid vilket den inre cylindriska magneten är samman- satt av tvâ separata, ringformade magneter. visar en kurva över förhållandet mellan den axiel- la förskjutningen X av en roterande ringformad magnet och dess styvhet S. visar en kurva över förhållandet mellan den axiel- la förskjutningen X av en roterande, ringformad magnet och den axiella kraften P, som utövas mot denna ringformade magnet medelst det andra, sta- tionära magnetsystemet. är en schematiskt visad utföringsform av ett ringformat magnetsystem. åren uáksddﬂon av en cylindrisk magnet, som är sammansatt av ett antal ringmagneter. är en Uﬁüsektﬂxiav en cylindrisk magnet med mag- netisering i riktningen för cylinderaxeln. är en vy liknande den i figur 11 med magnetise- ringen enligt en kon som är koaxiell med cylin- deraxeln. är en vy liknande de i figurerna 11 och 12 med en magnetiseringsriktning som i tvärsektionen är krökt. är en variant av figur 13. är en hopmonterad ringmagnet.The invention is described in more detail in the following with reference to the accompanying drawings, which show drawn embodiments. 10 15 20 25 30 35 8008897-4 Figure 1 Figure 2 Figure 3 Figure 4 ~ Figure 5 Figure 6 Figure 7 Figure 8 Figure 9 Figure 10 Figure 11 Figure 12 Figure 13 Figure 14 Figure 15 is a plan view of an annular magnetic system. is the vertical cross-section of the magnetic system in gur 1. is a vertical cross-section of a variant of magnetic the system in figure 2 provided with a ball bearing. is a plan view of an annular magnetic system with a clearly shown space between the cylindrical ones the parts. is a vert ﬂ G ﬂ. cross-section of the annular magma the network system in Figure 4. is a vertical cross section of the magnet system, at which the inner cylindrical magnet is assembled set of two separate, annular magnets. shows a curve of the relationship between the axial add the offset X of a rotating annular magnet and its stiffness S. shows a curve of the relationship between the axial add the offset X of a rotating, annular magnet and the axial force P, which is exerted against this annular magnet by means of the second, stationary tional magnetic system. is a schematically shown embodiment of a ring-shaped magnetic system. the years uáksdd ﬂ on of a cylindrical magnet, which is composed of a number of ring magnets. is a Uﬁsect ekt xiav a cylindrical magnet with mag- netting in the direction of the cylinder axis. is a view similar to that of Figure 11 with magnetizing ring according to a cone coaxial with the cylindrical deraxeln. is a view similar to those of Figures 11 and 12 with a direction of magnetization which is in the cross section curved. is a variant of Figure 13. is an assembled ring magnet.

Figur 1 visar två magnetiska ringar 1 och 2 vilka passar i varandra men med ett litet spel. Figur 2 visar, i en vertikal tvärsektion av samma ringar, att lika magnet- poler är riktade åt samma håll. Vid 3 är ett spelutrymme an- 10 15 20 25 30 35 8008897-4 ordnat, i vilket ett smörjmedel kan införas. Figur 3 visar en sats magnetiska ringar 4 och 5, vilka passar i varandra på ett sätt liknande det som visas i figur 2, medan samti- digt ett kullager 7 är införlivat i det magnetiska ringarna.Figure 1 shows two magnetic rings 1 and 2 which fit into each other but with a small game. Figure 2 shows, i a vertical cross section of the same rings, that equal magnetic poles are directed in the same direction. At 3, a clearance is required 10 15 20 25 30 35 8008897-4 arranged in which a lubricant can be introduced. Figure 3 shows a set of magnetic rings 4 and 5, which fit into each other in a manner similar to that shown in Figure 2, while a ball bearing 7 is incorporated in the magnetic rings.

I figur 4 visas en planvy av ett ringformat magnet- system med ett lämpligt spel mellan ringarna 1 och 2. En vertikal tvärsektion av detta visas i figur 5.Figure 4 shows a plan view of an annular magnetic system with a suitable play between rings 1 and 2. A vertical cross section of this is shown in Figure 5.

Figur 6 visar att den inre magnetcylindern 8 kan vara sammansatt av två separata cylindrar 9 och 10, vilka är placerade med olika poler mot varandra.Figure 6 shows that the inner magnetic cylinder 8 can be composed of two separate cylinders 9 and 10, which are placed with different poles facing each other.

Figur 7 visar hur styvheten S varierar med hänsyn till en axiell förskjutning av den kortare magnetcylindern 1 i figur 6 utmed den längre magnetcylindern 8 från samma figur. Relativt ett mittläge, sm visas mad hänvisningssiffran 0, visar både en rörelse i den ena riktningen och i den and- ra riktningen en ökning av styvheten. Detta betyder att sedan den kortare magneten närmar sig med exempelvis sin norrpol mera norrpolen av den längre magneten, vilket åstad- kommer att denna undergår en större repuleringskraft, med resultatet att styvheten, som är reaktionen av magnetsys- temet mot tvärgående laster, blir större. Samma sak upp- träder om den kortare magneten 1 skulle förskjuta sig själv nedåt i figur 6, så att även där de lika sydpolerna skulle placeras mitt för eller nära varandra, med likaledes en ök- ning av den tvärgående styvheten. Under rotorns stopp är mitt-tvärsektionen av den kortare magneten belägen vid en punkt a, som skall förskjutas gradvis åt höger då rotorn axelereras. Vid normal körhastighet kommer mitt-tvärsektio- nen att ha nått b, med resultat att vid lägre körhastigheter liksom vid normal hastighet kan den högsta tvärgående styv- heten åstadkommas.Figure 7 shows how the stiffness S varies with respect to an axial displacement of the shorter magnetic cylinder 1 in Figure 6 along the longer magnetic cylinder 8 from the same figure. Relatively a middle position, sm shows the reference number 0, shows both a movement in one direction and in the other in the direction of an increase in stiffness. This means that then the shorter magnet approaches with, for example, its north pole more the north pole of the longer magnet, which will this undergo a greater repulsive force, with the result that the stiffness, which is the reaction of the magnetic the theme against transverse loads, becomes greater. The same thing occurs if the shorter magnet 1 were to displace itself downwards in Figure 6, so that even where the equal south poles would placed in front of or close to each other, with a similar the transverse stiffness. Below the rotor stop is the mid-cross section of the shorter magnet located at a point a, which shall be shifted gradually to the right then the rotor accelerated. At normal driving speed, the mid-cross section n have reached b, with the result that at lower driving speeds as at normal speed, the highest transverse stiffness heat is achieved.

I figur 8 visas att medelst en analog förskjutning X utmed rotationsaxeln av den kortare magnetcylindern 1 i figur 6, undergår en axiell kraft P likaledes en förändring.Figure 8 shows that by means of an analog displacement X along the axis of rotation of the shorter magnetic cylinder 1 i Figure 6, an axial force P likewise undergoes a change.

Om den kortare magneten är belägen i mitten av den längre magneten vilket åstadkommer att de två yttre sydpolerna be- finner sig lika långt från varandra som de båda yttersta nordpolerna, finns ingen resulterande axialkraft kvar. Så snart som den kortare magnetcylindern 1 rör sig något högre blir emellertid repuleringskraften mellan norrpolerna domi- 10 15 20 25 30 35 8008897-4 6 nerande och en nedåtriktad resulterande kraft erhålles.If the shorter magnet is located in the middle of the longer one magnet which causes the two outer south poles to be find themselves as far apart as the two outermost north poles, there is no resulting axial force left. So as soon as the shorter magnetic cylinder 1 moves slightly higher however, the repulsive force between the north poles becomes 10 15 20 25 30 35 8008897-4 6 and a downward resultant force is obtained.

Samma sak sker på ett analogt sätt om den kortare magnet- cylindern 1 rör sig nedåt på grund av att i detta fall en resulterande uppåtriktad kraft uppenbarar sig själv och blir stadigt större, såsom visas i figur 8 i så mâtto att förskjutningen från mittläget ökar.The same thing happens in an analogous way if the shorter magnetic the cylinder 1 moves downwards due to the fact that in this case a resulting upward force reveals itself and becomes steadily larger, as shown in Figure 8 to the extent that the offset from the center position increases.

Vid rotorns stopp befinner sig den kortare magnetens mitt-tvärsektion vid C, för att förskjutas gradvid åt höger.At the stop of the rotor is the shorter magnet center-cross section at C, to be shifted gradually to the right.

Vid normal körhastighet nås punkten d. Riktningen för den axiella kraften gradvis omvänd.At normal driving speed, point d is reached. The direction of it axial force gradually reversed.

I figur 9 visas slutligen hur den längre magneten 11 såsom stationär magnet är fixerad exempelvis medelst ett klibbigt ämne eller ett klister, mot en magnethållare 12, som är upphängd i ett antal tunna stänger 13 från en del 14 av installationshuset. Den roterande magneten 15 är fast förankrad vid den schematiskt visade rotorn 16. Denna rotor kan hållas uppe medelst ett lager exempelvis på det sätt som visas i figur 1 i den holländska patentansökan 75.08l43.Figure 9 finally shows how the longer magnet 11 as a stationary magnet is fixed, for example, by means of a sticky substance or adhesive, against a magnetic holder 12, which is suspended in a number of thin rods 13 from a part 14 of the installation housing. The rotating magnet 15 is fixed anchored to the schematically shown rotor 16. This rotor can be held up by means of a bearing for example in that way shown in Figure 1 of the Dutch patent application 75.08l43.

Stängerna 13 kan exempelvis vara utförda som blad- eller plattfjädrar. Dessa stänger respektive fjädrar kommer också att uppta en uppâtriktad kraft.The rods 13 can, for example, be designed as leaf blades. or flat springs. These rods and springs come respectively also to absorb an upward force.

Om så erfordras vid den andra änden av magnethål- laren kan även tunna stänger fastsättas (visade med streck- ade linjer 17).If required at the other end of the magnetic thin rods can also be attached (shown by dashed lines). ade lines 17).

Med 18 betecknas en magnetisk skärm exempelvis av aluminium. Hållaren 12 kan också tillverkas av ett icke magnetiskt material. Figur 10 visar hur magnetcylindern 15 i figur 9 också kan utföras olikartat, nämligen som ett antal magnetringar vilka är staplade på varandra med olika poler, varvid ringarna har olika innediametrar.By 18, a magnetic screen is denoted, for example, by aluminum. The holder 12 can also be made of a non magnetic material. Figure 10 shows how the magnetic cylinder 15 in Figure 9 can also be performed differently, namely as one number of magnetic rings which are stacked on top of each other with different poles, the rings having different inside diameters.

Figur 11 visar en tvärsektion genom en magnetcylin- der som har magnetiserats i vertikal riktning, varigenom de starkaste polerna är belägna i mitten av magnetänden.Figure 11 shows a cross section through a magnetic cylinder which have been magnetized in the vertical direction, whereby the strongest poles are located in the middle of the magnetic end.

I figur 12 är de starkaste polerna belägna i hörnen 24 och 25 av tvärsektionen.In Figure 12, the strongest poles are located in the corners 24 and 25 of the cross section.

Figur 13 visar en magnet med de starkaste polerna vid 26 och 27. f Figur 14 visar en magnet med de starkaste magnet- 10 15 20 25 30 35 8008897-4 polerna vid 28 och 29.Figure 13 shows a magnet with the strongest poles at 26 and 27. f Figure 14 shows a magnet with the strongest magnetic 10 15 20 25 30 35 8008897-4 the poles at 28 and 29.

Figur 15 visar en utföringsform av figur 14, vid vilken magneten är sammansatt av två cylindrar 30 och 31 och tvâ änd-ringar 32 och 33. Delarna 34 och 35 är gjorda av material med magnetiska avskärmningsegenskaper.Figure 15 shows an embodiment of Figure 14, at which magnet is composed of two cylinders 30 and 31 and two changes 32 and 33. Parts 34 and 35 are made of materials with magnetic shielding properties.

En noterbar utföringsform erhålles om magneterna som används vid utföringsformen enligt figur 6, är gjorda så starka, att efter hopmonteringen av de yttre och inre ringarna är ringarna magnetiskt fastlåsta vid varandra och exempelvis kan den inre ringen inte falla genom den fast- hållna yttre ringen på grund av att gravitationsverkan hos nämnda ring är fullständigt motverkad genom magnetkrafterna.A notable embodiment is obtained about the magnets used in the embodiment of Figure 6 are made so strong, that after the assembly of the outer and inner the rings, the rings are magnetically locked to each other and for example, the inner ring cannot fall through the fixed held the outer ring due to the gravitational effect of said ring is completely counteracted by the magnetic forces.

På detta sätt uppstår ett flytande magnetlager som är a ytterst användbart för att minimera lagerförluster och där- för kan den spara en stor del energi, som nu förloras på alla slag av fluidumsmörjda lager, eller lager av kullager- typ.In this way a liquid magnetic layer is formed which is a extremely useful for minimizing inventory losses and thereby for it can save a great deal of energy, which is now lost on all kinds of fluid-lubricated bearings, or bearings of ball bearings type.

För detta slag av flytande magnetlager är den an- vända magnetiska flödesfördelningen företrädesvis den i figur 13 visade flödesfördelningen för den längre magneten och den i figur 14 visade flödesfördelningen för den kortare magneten, varigenom naturligtvis de cylidriska ytorna på båda de magnetringar som innehåller magnetiska poler är belägna på motsatta sidor om lagrets luftgap. Icke desto mindre är det möjligt att använda exempelvis flö- desmönstret analogt med utförandet i figur 12 för de båda ringarna, som är inpassade till varandra liksom ringarna 9 och 10 i figur 6, varvid den övre ringen 9 har samma flödesinriktning som figur 12 och ring 10 har flödesrikt- ningen ändrad från det vänsta nedre hörnet till det högra övre hörnet, vilket resulterar i en bruten linjeapproxima- tion av flödesmönstret i figur 13.For this type of liquid magnetic bearing, the reversing the magnetic flux distribution is preferably that of Figure 13 shows the flow distribution of the longer magnet and the flow distribution shown in Figure 14 shorter magnet, whereby of course the cylindrical ones the surfaces of both the magnetic rings that contain magnetic poles are located on opposite sides of the bearing air gap. Non nevertheless, it is possible to use, for example, the design pattern analogous to the embodiment in Figure 12 for the two the rings, which are fitted to each other as well as the rings 9 and 10 in Figure 6, the upper ring 9 having the same flow direction as Figure 12 and ring 10 have flow direction changed from the lower left corner to the right upper corner, resulting in a broken line approximation tion of the flow pattern in Figure 13.

Andra flytande lagerflödesutformningar är möjliga utan att frångå uppfinningens ram. I alla dessa fall är det nödvändigt att ha en radiell symetrisk flödesfördelning i ringarna, det vill säga så nogrann som möjligt, för att säkerställa en perfekt centruminriktning av de flytande delarna.Other liquid storage flow designs are possible without departing from the scope of the invention. In all these cases is it is necessary to have a radial symmetrical flow distribution in the rings, that is, as carefully as possible, in order to ensure a perfect centering of the floats the parts.

Claims

8008897-4 PATENT REQUIREMENTS

Device with a high-speed rotor, which during normal operation is axially contracted, which rotor is rotatable about a substantially vertical axis and is supported at its lower end by an axial bearing, characterized in that the rotor (16) is supported at its upper end by a magnetic bearing (15, 11), which allows axial contraction of the rotor (16), that the magnetic bearing (15, 11) consists of first and second tubular magnet assemblies (15 and 11, respectively) each comprising one or more annular magnets, that the tubular magnet assemblies (11, 15) are fitted one inside the other with sufficient clearance to allow relative rotation, that the first tubular magnet assembly (15) is attached to the rotor (16) and that the second tubular magnet assembly (II) is attached to a non-rotating support (12, 13, 14), that each of the annular magnets has axially spaced poles, the same poles of the magnets pointing to the same inclination in such a way that the end pole a of each tubular magnet assembly (15, 11) has opposite polarization, that one tubular magnet assembly (11) has a greater axial length than the other tubular magnet assembly (15) and that the longer tubular magnet assembly (11) extends substantially symmetrically beyond the shorter tubular magnet. both ends of the magnet assembly (15) when the rotor (16) is in its starting position.

Device according to claim 1, characterized in that a tubular magnet assembly (11, 15) consists of a number of annular magnets (9, 10 or 19, 20, 21, 22, 23), which are placed next to each other in the axial direction. , whereby magnetic poles of the opposite kind rest against each other.

Device according to one of Claims 1 to 2, characterized in that the shorter magnet assembly (15) is attached to the rotor (16).

Device according to claim 3, characterized in that the longer magnet assembly (11) is connected to a stationary support (12, 13, 14) in such a way that it can perform damped radial movements against an elastic reuniting force.