SE508442C2 - Elektrodynamiskt magnetlager - Google Patents

Description

508 442 Det var inte förrän upptäckten av "the null flux scheme" som förlusterna kunde minskas och denna lagringsmetod togs på all- var. Teorin bakom "the null flux scheme" finns noggrant be- skriven i t.ex. “Magnetic suspension...", Journal of Applied Physics, vol. 43, Nr 6, juni 1972 av P.L. Richards och M.

Tinkham, och bygger på att onödig värmeutveckling på grund av resistiva förluster kan kompenseras bort med hjälp av två mo- triktade magneter, som används för att skapa ett område med svagt magnetfält, i vilket det elektriskt ledande materialet bringas att sväva.

Virvelströmslager enligt teknikens ståndpunkt bygger alla på "the null flux scheme" och finns i ett flertal utföranden. De flesta är i form av linjârlager avsedda att användas till hög- hastighetståg, som till exempel patentskriftërna US 3,95l,075 och US 3,903,809 i namnen Miericke et al, samt den svenska pa- tentskriften SE 500 120 i namnet Lembke. Lembke föreslår även användning av lagret till roterande axlar, vilket även nämns i patenten US 3,779,618 i namnen Soglia et al och US 3,811,740 i namnen Sacerdoti et al.

Dessa lager enligt teknikens ståndpunkt utnyttjar alla ytter- ligare en metod för att minska förlusterna, nämligen att låta alla statiska laster såsom egentyngd etc bäras upp av en sepa- rat magnetisk avlastningsanordning i form av t.ex. en attrahe- rande permanentmagnet. Inga extra virvelströmmar behövs då för att ge upphov till denna kraft, utan rotorn kan centrera mitt emellan magneterna, där förlusterna är som lägst.

Trots att förlusterna minskats väsentligt genom både "the null flux scheme" och nämnda avlastningsanordning är en nackdel för magnetiska lager enligt teknikens ståndpunkt att förlusterna fortfarande är för höga för att möjliggöra en kommersiell tillämpning av lagren. Även om Lembkes förslagna lager vid ex- perimentella försök visat sig vara förhållandevis bra, sär- skilt beträffande axiallagring, medför dock radiallager av 508 442 3 denna typ fortfarande problem. Bland annat har rotorns termis- ka expansion visat sig påverka förlusterna avsevärt, då rotorn inte längre kan centrera exakt mellan magneterna.

Enligt Richards erbjuder "the null flux scheme" möjligheten att få oändligt låga förluster, förutsatt att det elektriskt ledande materialet, i hans fall rälsen, är oändligt tunt samt att magneterna är oändligt starka. Vidare måste farten vara oändligt hög. De praktiska begränsningarna är uppenbara, och trots att de bästa magneterna som finns tillgängliga idag har använts tillsamans med mycket tunna skivor har inga riktigt tillfredsställande resultat nåtts.

Den grundläggande orsaken till nackdelarna med magnetlager en- ligt teknikens ståndpunkt är att det område där fältet har "null flux", dvs saknar normalkomposant, är oändligt tunt i sig självt, varför endast en oändligt tunn skiva kan användas.

Uppvisar skivan en tjocklek komer ytskikten att utsättas för ett växlande magnetfält när skivan passerar förbi magneterna, varvid onödiga virvelströmmar uppstår.

Redogörelse för uppfinningen Syftet med föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla en anordning för lagring av element i relativ rotation som helt eliminerar onödiga förluster orsakade av inducerade virvel- strömmar. Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anordningen skall vara okänslig för termisk expansion.

De ovanstående syftena åstadkoms genom en anordning som uppvi- sar de särdrag som beskrivs i patentkraven. Anordningen funge- rar enligt den elektrodynamiska repulsionsprincipen, där en rotor av ett elektriskt ledande material roterar relativt en stator, vilken innefattar magneter, vilka ger upphov till ett rotationssymmetriskt magnetfält som är koncentriskt med ro- torns rotationsaxel. Ett magnetfält beskaffat på detta sätt har egenskapen att det för ett godtyckligt på rotorn befint- 508 442 4 ligt förbipasserande volymselement inte förefaller ha någon växelfältskomposant.

Eftersom normalkomposanten av ett sådant fält inte alstrar några virvelströmmar, behöver denna således, i motsats till vad som gäller för "the null flux scheme", inte vara noll. Det elektriskt ledande materialet behöver följaktligen inte vara oändligt tunt, och det behöver dessutom ej vara exakt placerat i förhållande till magneterna. Lagret är således inte heller känsligt för termisk expansion.

Figgrbeskrivning Uppfinningen förklaras närmare genom beskrivning av exemplifi- erande utföringsformer med ledning av ritningar, i vilka: FIGUR 1 visar en schematisk skiss av en del av en utförings- form enligt den föreliggande uppfinningen, där en enkel magnet används; FIGUR 2 visar en schematisk skiss av en del av en annan ut- föringsform enligt den föreliggande uppfinningen, där två magneter används; FIGURERNA 3a och 3b visar möjliga magnetiseringsrikt- ningar för ringmagneter; FIGUR 4 visar en schematisk skiss av ringmagneterna i en fö- redragen utföringsform enligt den föreliggande upp- finningen, där uppsättningar av axiellt staplade ax- iellt magnetiskt orienterade ringmagneter används; FIGUR 5 visar en schematisk skiss av en del av ytterligare en utföringsform enligt den föreliggande uppfinning- en, där en axel lagras i båda sina ändar; 508 442 5 FIGUR 6 visar en genomskärningsvy genom lagret i utförings- formen visad i figur 2, där en excentricitet före- komer den rörliga delen; FIGUR 7 visar en genomskärningsvy genom lagret i utförings- formen visad i figur 2 utan excentricitet; FIGURERNA Ba till 8f visar i genomskärning ett antal ut- föringsformer av magnetlager enligt föreliggande uppfinning; samt FIGUR 9 visar en genomskärningsvy av ett möjligt startlager.

Belysande utföringsformer I det följande kommer ett antal utföringsformer av den före- liggande uppfinningen att beskrivas. Det är emellertid uppen- bart för fackmannen dessa utföringsformer endast är exemplifi- erande och inte skall uppfattas som någon begränsning av om- fånget av föreliggande patentkrav.

I den följande beskrivningen används begreppen rotor respekti- ve stator för delar av utföringsformerna. Fackmannen inser na- turligtvis att endast den relativa rörelsen är av betydelse, varför man också i princip kan tänka sig en stillastående "rotor" och en roterande "stator".

I figur 1 visas en utföringsform av den föreliggande uppfin- ningen, där vissa delar är borttagna för att exponera de vä- sentliga delarna av utföringsformen. En rotor 10 innefattande en elektriskt ledande omagnetisk rotationskropp 11 är roterbar inuti en ringmagnet 12. Rotationskroppen ll behöver inte vara rotationssymetrisk i sig, men är företrädesvis noggrant ba- lanserad med avseende pà en rotation runt en fiktiv rotation- saxel 13. Ringmagneten 12 är utformad att ge upphov till ett rotationshomogent magnetfält. Med rotationshomogent skall då 508 442 införstås ett sådant fält som i den föreliggande rotationssym- metriska utföringsformen inte förefaller ha någon växelfälts- komposant för ett godtyckligt på rotationskroppen 11 be- fintligt förbipasserande volymselement, när magnetfältets sym- metriaxel sammanfaller med rotationskroppens rotationsaxel 13.

Ringmagneten 12 kan såväl utgöras av permanentmagneter, magne- ter av elektromagnetisk natur, som supraledare, eller en kom- bination därav. Ringmagneten sitter fäst vid en stator 14, som i figur 1 är delvis bortbruten. Rotorn 10 kan i sin icke visa- de ände vara lagrad med ett godtyckligt lager.

Med den ovan beskrivna utföringsformen komer virvelströmar inte att uppstå i rotationskroppen så länge denna roterar kon- centriskt i förhållande till magneterna, eftersom normalkompo- santen av ett sådant fält inte alstrar några virvelströmar.

Detta gäller även om rotationskroppen har en utbredning i ra- diell riktning, dvs har en viss tjocklek, eller om den utsätts för termisk expansion och således inte löper mitt i luftgapet.

Däremot uppstår stabiliserande strömmar så fort rotorn för- skjuts från centrumläget och börjar rotera excentriskt.

Om lagret utsätts för en störning så att den börjar rotera ex- centriskt, uppfattar det ovan nämnda volymselement ett växlan- de magnetfält och centrerande virvelströmar uppträder i rota- tionskroppen 11, vilka återför rotorn till sitt ursprungliga läge. Detta är möjligt genom att fältet har en gradient, dvs år avtagande, i radiell riktning, sett från magnetens centrum.

I figur 2 visas en annan utföringsform av den föreliggande uppfinningen. Denna utföringsform innefattar på liknande sätt som i förgående utföringsform en rotor 20 som innefattar en elektriskt ledande omagnetisk rotationskropp 21, som är roter- bar inuti en första ringmagnet 22 och som har en fiktiv rota- tionsaxel 23. Rotorn är i denna utföringsform rörformig och omsluter radiellt en stationär axel 26. En andra ringmagnet 25 är anordnad vid den stationära axeln 26, vilken i sin tur ut- gör en del av en stator 24. Ringmagneterna 22, 25 är utformade 508 442 7 på samma sätt som beskrivits ovan. Rotorn 20 kan i sin icke visade ände vara lagrad med ett godtyckligt lager.

En ringmagnet kan ha sin magnetiska dipol riktad i tvâ princi- piellt skilda riktningar. Dessa tvä renodlade fall finns skis- sade i figur 3a och 3b, där pilar indikerar den magnetiska di- polens riktning. I magneten i figur 3a är den magnetiska dipo- len riktad parallellt med ringmagnetens rotationssymmetriaxel, vilken magnet betecknas som axiellt magnetiskt orienterad, me- dan magneten i figur 3b har den magnetiska dipolen riktad vin- kelrätt mot ringmagnetens rotationssymmetriaxel, varvid den betecknas såsom radiellt magnetiskt orienterad.

Genom att placera tvâ axiellt magnetiskt orienterade ringmag- neter 22, 25 koncentriskt i samma plan, såsom i figur 2, med dipolerna vända i samma riktningar, kan man förstärka den mag- netiska gradienten som bildas i spalten mellan ringmagneterna 22, 25. Pá motsvarande sätt kan två radiellt magnetiskt orien- terade ringmagneter 22, 25 placeras koncentriskt i sama plan, med dipolerna vända i motsatt riktning, och därmed ge upphov till en förstärkt magnetisk gradient. Eftersom rotorn 20 rote- rar i spalten mellan magneterna ökas därvid gradienten till den av rotationskroppen 21 upplevda radiella magnetfältskompo- santen, (medan den tangentiella förblir noll) under förutsätt- ning att rotorns rotationsaxel 23 samanfaller med magneternas symmetriaxel. Vid en eventuell störning, dvs förskjutning av rotationskroppens rotationsaxel 23 kommer den återförande kraften som bildas genom de inducerade virvelströmmarna att vara starkare än för fallet med en enda ringmagnet. En styvare fjädring erhålls därmed.

Ett annat sätt att förstärka den återförande kraften är att skapa en stor radiell magnetfältskomponent längs en större sträcka längs rotationskroppen. Detta kan ske genom att, i stället för att placera tillkommande ringmagneter radiellt i förhållande till den första, placera dem axiellt i förhållande till den första. För att maximera den radiella gradientens 508 442 8 storlek bör ringmagneterna placeras med växelvis vänd polari- tet. Detta gäller både för axiellt magnetiskt orienterade och radiellt magnetiskt orienterade ringmagneter.

En föredragen utföringsform består naturligtvis av en kombina- tion av de två ovan beskrivna sätten för att förstärka den magnetiska verkan. Magneternas konfiguration i en sådan utfö- ringsform, med axiellt magnetiskt orienterade magneter, visas i figur 4. Genom att ha tvâ koncentriskt anordnade serier av växelvis riktade ringmagneter, vilka ger upphov till en mel- lanliggande spalt, i vilken rotorn kan rotera, kan den magne- tiska effekten mángdubblas.

Figur 5 visar en speciell utföringsform av föreliggande upp- finning. En helt rörformad axel 31 utgör i detta fall rota- tionskropp och har magnetlager med ringmagneter 32, 35 anord- nade vid vardera änden. Axeln 31 är elektriskt ledande och tjänstgör samtidigt både som axel och som lager. Ringmagneter- na 32, 35 sitter fästade vid en stator 34 respektive en där- till anordnad axel 36. Konstruktionen kan därmed göras mycket lätt, och samtidigt böjstyv, vilket medför att den kan använ- das vid mycket höga varvtal.

I figurerna 6 och 7 visas hur de àterförande krafterna verkar i en anordning enligt föreliggande uppfinning. Figurerna 6 och 7 visar ett lager som motsvarar utföringsformen visad i figur 2 där statorn och den stationära axeln har utelämnats, men principerna är likadana även för andra möjliga utföringsfor- mer. I figurerna 6 och 7 är de flesta beteckningarna likadana som i figur 2. I figur 6 är rotationskroppens 21 rotationsaxel förskjuten i förhållande till symetriaxeln för magnetfältet som alstras av ringmagneterna 22, 25. Ett volymselement 28 på rotationskroppen 21 kommer under sin rotation att uppleva ett varierande magnetfält längs dess rörelseriktning, varvid en virvelström uppstår i volymselementet 28. Denna virvelström kommer att ge upphov till en kraft som motverkar förflyttning- en. Den totala kraftresultanten som verkar på alla volymsele- 508 442 9 ment i rotationskroppen kommer att vara riktad uppåt i figuren och är betecknad med F.

I figur 7 ligger rotationskroppen 21 koncentriskt med magnet- fältet och inga virvelströmmar uppkommer i rotationskroppen 21, och därmed är den totala kraftresultanten pà rota- tionskroppen 21 noll.

Olika tillämpningar av magnetiska lager enligt den föreliggan- de uppfinningen medför olika föredragna utföringsformer. I fi- gurerna 8a till 8g illustreras några intressanta utföringsfor- mer i genomskärningsvyer. Figur 8a visar motsvarande utfö- ringsform som i figur 2, med tvâ koncentriska ringmagneter, en innanför och en utanför en roterande cylindrisk axel. Figur 8b visar en tillämpning där en rotor med koniska partier vid lag- ringspositionerna används. En sådan utföringsform ger vid en icke-vertikal placering av rotationsaxeln även en liten axi- ellt lagrande verkan. Fig 8c visar en utföringsform som liknar den som visas i figur 4, men med tre par ringmagneter. Utfö- ringsformen i figur 8d uppvisar även den tre par ringmagneter, men mellan dessa finns i denna utföringsform ringformiga mjuk- järnsskivor 49. Denna uppställning koncentrerar det magnetiska flödet till omrâdet mellan koncentriska järnskivor, varvid den magnetiska kraften vid dessa positioner förstärks. Fig 8e vi- sar en utföringsform där tre axiellt staplade ringmagneter med mellanliggande járnskivor fungerar som lager. Rotorn innefat- tar i denna utföringsform emellertid två koncentriska rör- stycken, vilka rör sig utanför respektive innanför ringmagne- terna. Det magnetiska fältet används därvid till att påverka axeln både utvändigt och invändigt om magneterna. Figur 8f vi- sar en utvidgning av dessa tankebanor, varvid tvà koncentriska uppsättningar av ringmagneter används tillsammans med en rotor innefattande tre koncentriska rörformiga delar. Figur 8g visar en utföringsform som på bekostnad av en del av effektiviteten av den radiella lagringen erhåller en lätt axiellt verkande lagring. I denna utföringsform är en rotor omgiven av tre ytt- re och tre inre ringmagneter, såsom i figur 8c. Rotorn inne- i 508 442 10 fattar i denna utföringsform emellertid även två järnringar 48 som är placerade längs rotationsaxeln i linje med mellanrummen mellan de tre ringmagnetparen. Dessa järnringar 48 kommer att minska den radiella lagringen, jämfört med utföringsformen i figur 8c, men vid en axiell förskjutning av rotorn komer änd- ringen av den magnetiska flödet tendera att återföra rotorn till ursprungsläget. Jârnringarna 48 kan antingen placeras in- uti rotorn eller utanpå densama.

De ovan angivna ringmagneterna kan naturligtvis ersättas av magneter med andra rotationssymmetriska geometrier.

Magneterna kan utgöras av diverse olika magnettyper, eller kombinationer därav. En permanentmagnet är en enkel lösning vid höga hastigheter, där de höga hastigheterna ger upphov till starka återförande krafter. Permanentmagneterna verkar sämre vid låga hastigheter eller vid stillastående. Av sama orsak är elektromagneter matade med likström ypperliga vid hö- ga varvtal, medan det vid låga varvtal krävs höga strömmar för att ge upphov till tillräckligt starka återförande krafter.

Supraledande magneter kan med fördel användas. En lösning vid låga varvtal är att använda elektromagneter matade med växel- ström, vilket till och med kan klara av en svävande kontaktfri lagring för en stillastående rotor. Växelströmsmatade elektro- magneter är emellertid mindre stabila vid höga varvtal. En fö- redragen utföringsform innefattar kombinationen av en perma- nentmagnet och en växelströmsmatad elektromagnet, varvid man lätt kan erhålla en stabil lagring för alla varvtal.

Elektromagneterna har den fördelen att man kan variera dess styrka under drift och därmed anpassa magnetlagrets egenska- per. Lagrets styvhet, dvs. med hur stor kraft en förflyttning frän den idealiska banan förhindras, kan lätt ställas in, t.ex. beroende på den hastighet med vilken rotorn roterar. Vid användning av en kombination av statiska och fluktuerande mag- netfält, kan man med fördel ändra den inbördes styrkerelatio- nen mellan dessa två typer. Vid acceleration av en rotor från 508 442 ll stillastående till ett högt varvtal är det fördelaktigt om vàxelfältet dominerar från början, vid de låga varvtalen, var- efter det statiska fältet allteftersom rotorn accelererar tar över. Detta kan realiseras genom att styra strömarna och/eller frekvenserna för de strömar som sänds genom elekt- romagneterna.

Då lageregenskaperna inte är fullt utvecklade vid låga varvtal kan dessa antingen förbättras genom att göra den rörformade axeln mer tjockväggig eller kompletteras med någon form av startlager.

Den enklaste formen av startlager är att bekläda magneter och ev. axel med ett tunt material med goda glidegenskaper, t.ex. teflon. Vid uppstart glider axeln på glidytan tills farten är så hög att axeln lyfter och stabiliseras av magnetfältet.

Istället för glidlager kan naturligtvis kullager användas, vilka då ges en diameter som är något större än axeln ifråga.

Metoden är vanlig som s.k. nödlager till aktiva magnetlager.

Luftlager är en bättre metod. I denna metod pumpas luft under uppstartningen genom små hål som är borrade mellan magneterna utmed axelns längd, där en bärande luftkudde bildas.

Den bästa startmetoden âr att använda ett alternativt magnet- lager av enklaste sort. Detta lager behöver bara fungera axi- ellt, men kan utformas så att det ändå ger en passiv radiell stabilitet. Lagret behöver inte kunna fungera vid höga varvtal varför elektroniken kan göras betydligt billigare än för kon- ventionella aktiva magnetlager.

Ett exempel på en sådan kombinerad lagring visas i figur 9. En roterande axel förses i båda ändar med järnbeslag 50. Dessa står mitt för i statorn fixerade elektromagneter 51, som är styrda genom en enkel styrelektronik 52. Övriga hänvisnings- siffror betecknar tidigare beskrivna detaljer. Magneterna ger 508 442 12 radiell stabilitet vid hög fart och järnringen ger axiell sta- bilitet vid alla varvtal, men även radiell instabilitet, såsom tidigare beskrivits. Elektromagneten stabiliserar lagringen radiellt och förstärker den axiella stabiliteten. Vid höga varvtal kan elektromagneten med dess styrsystem kopplas ur.

Om elektromagneten inte kopplas ur vid höga varvtal kan den användas för mätning och/eller kompensering av mekaniska kraf- ter på rotorn.

I de ovan beskrivna utföringsformerna har några få utförings- former enligt föreliggande uppfinning beskrivits. Det inses att de kännetecknande särdragen av föreliggande uppfinning kan kombineras i många olika konfigurationer och kombinationer, vilka alla omfattas av patentkravens omfång.

Claims (10)

508 442 13 PATENTKRAV

1. Anordning för magnetisk lagring, enligt den elektro- dynamiska repulsionsprincipen, av en rotor (10, 20, 30) i relativ rotationsrörelse längs en förutbestämd rotations- symetrisk bana i förhållande till en stator (14, 24, 26, 34, 36), vilken rotor (10, 20, 30) innefattar en rotationskropp (ll, 21, 31) som i huvudsak består av ett elektriskt ledande omagnetiskt material och vilken stator (14, 24, 26, 34, 36) åtminstone har ett magnetiskt organ (12, 22, 25, 32, 35) anordnat vid sig, kânnetecknad av att det magnetiska organet (12, 22, 25, 32, 35) innefattar åtminstone en med rotations- axeln koncentrisk rotationssymmetrisk magnet (12, 22, 25, 32, 35) och är anordnat att ge upphov till ett med rotationsaxeln koncentriskt rotationssymmetriskt magnetiskt fält, varvid det magnetiska fältet alstrar inducerade virvelströmmar i rota- tionskroppen (11, 21, 31) och därmed återförande stabiliserande krafter endast när rotationskroppen (11, 21, 31) tenderar att lämna den förutbestämda banan och rotera excentriskt.

2. Anordning för magnetisk lagring enligt patentkrav 1, kânnetecknad av att åtminstone en rotationssymmetrisk magnet (12, 22, 32) är anordnad runt rotationskroppen (11, 21, 31).

3. Anordning för magnetisk lagring enligt patentkrav 1 eller 2, kânnetecknad av att åtminstone en rotationssymmetrisk magnet (25, 35) är anordnad inuti rotationskroppen (11, 21, 31).

4. Anordning för magnetisk lagring enligt patentkrav 1, kännetecknad av att åtminstone en inre rotationssymetrisk magnet (25, 35) är anordnad inuti rotationskroppen (11, 21, 31) och att åtminstone en yttre rotationssymetrisk magnet (22, 25) är anordnad runt rotationskroppen (11, 21, 31) koncentriskt med och i sama plan som den inre rotationssymmetriska magneten 508 442 14" (25, 35), varvid de inre och yttre magneternas dipoler år riktade i sama riktningar om magneterna är axiellt magnetiskt orienterade och riktade i motsatt riktning om magneterna är radiellt magnetiskt orienterade.

5. Anordning för magnetisk lagring enligt något av de före- gående patentkraven, kânnetecknad av att åtminstone två rota- tionssymetriska magneter (25, 35) är anordnade axiellt och koncentriskt i förhållande till varandra, med sina dipoler riktade i växelvis motriktade riktningar.

6. Anordning för magnetisk lagring enligt något av de före- gående patentkraven, kânnetecknad av att åtminstone en av de rotationssymmetriska magneterna (25, 35) utgörs av en elektro- magnet matad med likström.

7. Anordning för magnetisk lagring enligt patentkrav 6, kånnetecknad av att elektromagneten utgörs av en supraledande elektromagnet.

8. Anordning för magnetisk lagring enligt något av patent- kraven 1 till 5, kânnetecknad av att åtminstone en av de rotationssymmetriska magneterna (25, 35) utgörs av en elektro- magnet matad med växelström.

9. Anordning för magnetisk lagring enligt patentkrav 8, kånnetecknad av att åtminstone en av de rotationssymmetriska magneterna (25, 35) utgörs av en permanentmagnet.

10. Anordning för magnetisk lagring enligt patentkrav 9, kânnetecknad av att strömstyrkan och frekvensen av växel- strömmen genom elektromagneten kan regleras under drift.