WO2009124657A1 - Magnetic bearing and method for producing a bearing race suitable therefore - Google Patents

Magnetic bearing and method for producing a bearing race suitable therefore Download PDF

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WO2009124657A1
WO2009124657A1 PCT/EP2009/002155 EP2009002155W WO2009124657A1 WO 2009124657 A1 WO2009124657 A1 WO 2009124657A1 EP 2009002155 W EP2009002155 W EP 2009002155W WO 2009124657 A1 WO2009124657 A1 WO 2009124657A1
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magnetic
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bearing ring
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PCT/EP2009/002155
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Friedrich LÖSER
Jörg ROLLMANN
Wolfgang Claus
Uwe-Otto Breucker
Qinghua Zheng
Markus Bauer
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Thyssenkrupp Transrapid Gmbh
Rothe Erde Gmbh
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0459Details of the magnetic circuit
    • F16C32/0468Details of the magnetic circuit of moving parts of the magnetic circuit, e.g. of the rotor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21HMAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H1/00Making articles shaped as bodies of revolution
    • B21H1/06Making articles shaped as bodies of revolution rings of restricted axial length
    • B21H1/12Making articles shaped as bodies of revolution rings of restricted axial length rings for ball or roller bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0206Manufacturing of magnetic cores by mechanical means

Definitions

  • the invention relates to a magnetic bearing specified in the preamble of claim 1 and a method for producing a suitable bearing ring.
  • Magnetic bearings are used for non-contact storage of rotational bodies by means of attached to this circular bearing rings. They are characterized by the fact that they work wear-free and do not require any lubricants. Preferred applications are therefore z.
  • the non-contact bearing of the bearing rings takes place in that their distances from the electromagnets carrying them are continuously determined by means of sensors, the actual values obtained are compared with distance nominal values, the resulting difference values are fed to a control circuit and with these the currents in the windings of the electromagnets are regulated in that the distance actual values remain substantially constant.
  • bearing rings of magnetic bearings z For the preparation of the bearing rings of magnetic bearings z. For example, starting from rolled elec- troble sheets, which are formed by punching and provided with center holes and then stacked and interconnected. It is also known, from Starting larger steel parts and then bring them by turning and milling in the desired shape.
  • bearing rings have magnetic properties, viewed in the circumferential direction, are not isotropic. It is believed that this magnetic anisotropy u. a. The result is that the electrical steel or steel parts used as starting materials are provided during the previous, running in linear steps rolling processes with microstructures, which have a uniform structure only in the rolling direction, however, are designed differently in all deviating directions. Possibly for the same reason bearing rings of the type described also have a locally different behavior with temperature fluctuations. These may be during operation of the magnetic bearing z. B. due to changes in ambient temperature or also result from the fact that the gap control and / or the inductive Tosch- scans the gap leads to eddy currents in the bearing rings.
  • bearing rings of this type comparatively small outer diameter of z. B. about 100 mm, as z. B. applies consistently to the previously known magnetic bearings, the magnetic and thermal anisotropy plays no significant role. Since small bearing rings with concentricity deviations of less than z. B. 10 ⁇ . can be produced, given optimum thicknesses up to 0.5 mm despite unavoidable magnetic and thermal anisotropies no regulatory technical problems. However, a very different situation exists when bearing rings with large outer diameters of z. B. 500 mm and more, in particular z. B. of up to 1000 mm are needed, as z. B. would be desirable for the use of magnetic bearings in medical scanners. Such large bearing rings could indeed with concentricity deviations of z.
  • the magnetic bearing of the type described initially in such a way that it allows the use of comparatively small gap thicknesses even if bearing rings with large diameters of z. B. 500 mm and more are provided so that magnetic bearings with large diameters can be operated economically.
  • a method for producing suitable for this purpose bearing rings to be proposed.
  • the invention is based on the idea that the described disadvantages, which are particularly noticeable in the use of magnetic bearings with large diameters, can be circumvented by using, in contrast to the prior art, bearing rings which have a substantially circular-symmetrical material structure and thus also have magnetic and / or thermal properties that are essentially the same everywhere along its circumference. As a result, the previously unavoidable, caused by anisotropies fluctuations are largely eliminated.
  • a fundamentally different from the previous manufacturing process method for the preparation of the bearing rings is proposed, which ensures in the extent required here a uniform formation of the magnetic properties.
  • the invention also in the application of Methods hitherto used for other purposes for producing bearing rings for magnetic bearings.
  • Fig. 1 shows schematically a magnetic bearing with a conventionally made bearing ring
  • FIG. 2 shows two diagrams illustrating the dependencies of gap signals and magnetic forces on the angle of rotation of the bearing ring when using a bearing ring which is assumed to be perfectly circular but magnetically and thermally anisotropic;
  • FIG. 3 shows schematically a magnetic bearing with a bearing ring produced according to the invention.
  • FIG. 4 of FIG. 2 corresponding diagrams for a likewise assumed to be perfectly circular, but inventively designed bearing ring.
  • Fig. 1 shows schematically a magnetic bearing with a designed as an inner ring and rotor bearing ring 1 and an outer ring and outer ring shown as outer ring, of which only four electromagnets 2 are indicated.
  • Each electromagnet 2 has a conventional core 3 and a coil 4 wound thereon.
  • Magnetic pole faces 5 of the cores 3 are associated with a peripheral or radial surface 6 of the bearing ring 1 and, as usual, can have concave contours adapted to their contour.
  • the structure of all electromagnets 2 is suitably the same, so that only one electromagnet 2 needs to be described.
  • the bearing ring 1 consists of a ferromagnetic material and is radially centered and guided by the electromagnets 2 in a conventional manner. Furthermore can the bearing ring 1 z. B. attached to the circumference of a disc made of a non-ferromagnetic material, in particular shrunk onto these and / or attached to a rotary body to be stored. Normally, at the two ends of a rotor such a, a radial bearing forming bearing ring 1 is mounted, while in a central part of the rotor another, not shown bearing ring is arranged, which serves as thrust bearing and with peripheral edge portions of its end or axial surfaces further Electromagnet opposite. Also not shown is the drive, by means of which the rotor and thus the bearing rings 1 are set in rotation. For this purpose, customary agents known to those skilled in the art can be used.
  • each electromagnet 2 is assigned a preferably inductive sensor 7, which measures the actual values of the thickness of an air gap 8 which, during operation of the magnetic bearing, ie. H. when turning the bearing ring 1, between the circumferential or radial surface 6 and the Polfzzen 5 of the associated electromagnet 2 forms.
  • the output signal of the sensor 7 is supplied to a control device 9 shown in a simplified manner and compared in this with a predetermined desired value. From the difference between the two signals, a control signal is derived, which is supplied to a current through the coil 4 controlling current source.
  • the coil current and thus the magnetic force acting on the bearing ring 1 at the location of the sensor 2 are controlled such that the thickness of the gap 8 substantially assumes the desired desired value despite any geometric imbalances in the bearing ring 1.
  • This type of regulation is preferably the same for all electromagnets 2.
  • FIG. 1 By lines Ia a hatching for the bearing ring 1 is indicated in Fig. 1, that the microstructure due to a rolling process is homogeneous only in a certain preferred direction, but in directions transverse thereto. This has an effect both on the size of the inductively determined measuring signal of the sensor 7 and on the magnetic force generated by the coil current, as FIG. 2 shows.
  • FIG. 2 In the upper part of Fig. 2 is schematically the dependence of the gap signal u from the rotational angle ⁇ of the bearing ring 1, in the lower part, however, the dependence of the electromagnet second developed and exerted on the bearing ring 1 magnetic force F from the rotational angle ⁇ of the bearing ring 1 shown.
  • FIG. 2 shows that, in spite of a geometrically ideal gap, on the one hand the sensor signal u fluctuates as a function of the rotational angle ⁇ along a curve 10.
  • the control device 9 acting on the bearing ring 1 at constant current I 0 no constant, but along a curve 11 fluctuating magnetic force F.
  • the control device 9 a fluctuating in the sense of the curve 10 and thus erroneous sensor signal is communicated, even if the gap thickness geometric has the ideal value, and that, moreover, a current i through the coils 4 does not produce a constant but a magnetic force F fluctuating along the curve 11.
  • Both have their cause in the above-mentioned, magnetic and / or thermal anisotropy, which causes in Fig. 1, that the microstructure is at least at locations of some of the electromagnets 2 other than at locations of other electromagnets 2.
  • a solution of the existing control task is severely hampered in this way.
  • a bearing ring 12 (FIG. 3) which, unlike the prior art, has a substantially isotropic design in the circumferential direction with regard to its magnetic and / or thermal properties.
  • This is indicated in FIG. 3 by circular lines 14 which are intended to represent a circular symmetry of the magnetic and thermal properties.
  • the arrangement according to FIG. 3 is identical to that in FIG. 1, for which reason the same reference numerals are used for the same parts.
  • To ensure circumferentially uniform structure structures and thus homogeneous magnetic properties of the bearing ring 14 is preferably made of a seamless ring produced, which is brought by ring rolling in its final form.
  • the process of ring rolling is well known to those skilled in the art.
  • FIG. 4 The results achieved with the bearing ring 12 according to the invention are shown in FIG. 4 in a manner corresponding to FIG. 2. Since, according to the invention, a bearing ring 12 is used, which is preferably substantially isotropic in the circumferential direction, both in magnetic and in thermal terms, the curves 10 and 11 shown in FIG. 2 are almost completely eliminated-ideal geometric circular shape of an outer peripheral surface 15 in turn ,
  • the sensor signal u has rather along the entire circumference of the bearing ring 12 has a substantially constant value U 0 corresponding to a substantially constant gap thickness, while a constant current io generates a substantially constant, independent of the rotational angle ⁇ magnetic force F 0 , the z. B. corresponds exactly to the magnetic force required to maintain the desired gap. In addition, these properties are obtained over a wide temperature range, so that changes in the room temperature od. Like. Have no influence on the scheme.
  • a solid steel block or the like which has the desired thickness (eg 20 mm to 50 mm) and a uniformly round peripheral surface 15.
  • a block may, for. B. by casting, forging or otherwise prepared and already provided during its production with a center hole. Alternatively, you can the center hole are also attached in a later step in the finished block.
  • the peripheral surface 15 is homogenized with respect to the magnetic and thermal properties in the circumferential direction, as indicated in Fig. 3 by the circular lines 14. As far best suited for this purpose seems to be a processing of the peripheral surface 15 by ring rolling.
  • Suitable starting materials for producing the rolled rings are both unalloyed or low-alloyed steels and high-alloyed steels. If necessary, it is possible to subsequently refine the finished bearing rings by treatment with suitable temperatures.
  • the invention is not limited to the described embodiment, which can be modified in many ways.
  • the bearing rings need not have rectangular or square cross-sections.
  • the ring rolling is also suitable for the production of bearing rings with others, eg. B. L-shaped cross-sections and / or different surface profiling.
  • the bearing rings in deviation from the above description, can also be used as outer rings and that, instead of the four electromagnets shown, more or less than four electromagnets can be used both externally and internally as required.
  • inductive sensors other sensors can be used, for. For example, those who work with optical means.

Abstract

The invention relates to a magnetic bearing having a bearing race (12), a plurality of electromagnets (2) disposed along the circumference thereof, and at least one distance sensor (7) per electromagnet (2). According to the invention, the bearing race (12) is designed substantially isotropically with regard to the magnetic and/or thermal properties thereof, at least in the circumferential direction. This is achieved according to the invention in that a seamlessly produced block having a center hole is processed by ring rolling.

Description

Magnetlager sowie Verfahren zur Herstellung eines dafür geeigneten Lagerrings Magnetic bearing and method for producing a suitable bearing ring
Die Erfindung betrifft ein Magnetlager der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung und ein Verfahren zur Herstellung eines dafür geeigneten Lagerrings.The invention relates to a magnetic bearing specified in the preamble of claim 1 and a method for producing a suitable bearing ring.
Magnetlager dienen zur berührungslosen Lagerung von Rotationskörpern mit Hilfe von an diesen angebrachten, kreisrunden Lagerringen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie verschleißfrei arbeiten und keine Schmiermittel benötigen. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind daher z. B. die Vakuum- und die Medizintechnik. Bekannt sind beispielsweise magnetisch gelagerte Herzpumpen für die Herz-Chirurgie.Magnetic bearings are used for non-contact storage of rotational bodies by means of attached to this circular bearing rings. They are characterized by the fact that they work wear-free and do not require any lubricants. Preferred applications are therefore z. B. the vacuum and medical technology. For example, magnetic cardiac pumps for heart surgery are known.
Die berührungslose Lagerung der Lagerringe erfolgt dadurch, dass deren Abstände von den sie tragenden Elektromagneten laufend mittels Sensoren ermittelt, die erhaltenen Istwerte mit Abstands-Sollwerten verglichen, die sich ergebenden Differenzwerte einem Regelkreis zugeführt und mit diesen die Ströme in den Wicklungen der Elektromagnete so geregelt werden, dass die Abstands-Istwerte im Wesentlichen konstant bleiben.The non-contact bearing of the bearing rings takes place in that their distances from the electromagnets carrying them are continuously determined by means of sensors, the actual values obtained are compared with distance nominal values, the resulting difference values are fed to a control circuit and with these the currents in the windings of the electromagnets are regulated in that the distance actual values remain substantially constant.
Zur Herstellung der Lagerringe von Magnetlagern wird z. B. von gewalzten Elek- troblechen ausgegangen, die durch Stanzen geformt und mit Mittellöchern versehen und dann gestapelt und miteinander verbunden werden. Bekannt ist es auch, von größeren Stahlteilen auszugehen und diese dann durch Drehen und Fräsen in die gewünschte Form zu bringen.For the preparation of the bearing rings of magnetic bearings z. For example, starting from rolled elec- troble sheets, which are formed by punching and provided with center holes and then stacked and interconnected. It is also known, from Starting larger steel parts and then bring them by turning and milling in the desired shape.
Ein gemeinsames Merkmal derartiger Lagerringe besteht darin, dass ihre magnetischen Eigenschaften, in Umfangsrichtung betrachtet, nicht isotrop sind. Es wird vermutet, dass diese magnetische Anisotropie u. a. dadurch entsteht, dass die als Ausgangsmaterialien verwendeten Elektrobleche oder Stahlteile während der vorangehenden, in linearen Arbeitsschritten ablaufenden Walzvorgänge mit Gefügestrukturen versehen werden, die nur in der Walzrichtung einen gleichförmigen Aufbau haben, in allen davon abweichenden Richtungen dagegen anders ausgebildet sind. Möglicherweise aus demselben Grund weisen Lagerringe der beschriebenen Art auch ein lokal unterschiedliches Verhalten bei Temperaturschwankungen auf. Diese können sich während des Betriebs der Magnetlager z. B. aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur oder auch dadurch ergeben, dass die Spaltregelung und/oder die induktiv erfolgen- de Abtastung des Spalts zu Wirbelströmen in den Lagerringen führt.A common feature of such bearing rings is that their magnetic properties, viewed in the circumferential direction, are not isotropic. It is believed that this magnetic anisotropy u. a. The result is that the electrical steel or steel parts used as starting materials are provided during the previous, running in linear steps rolling processes with microstructures, which have a uniform structure only in the rolling direction, however, are designed differently in all deviating directions. Possibly for the same reason bearing rings of the type described also have a locally different behavior with temperature fluctuations. These may be during operation of the magnetic bearing z. B. due to changes in ambient temperature or also result from the fact that the gap control and / or the inductive abgesch- scans the gap leads to eddy currents in the bearing rings.
Sofern Lagerringe dieser Art vergleichsweise kleine Außendurchmesser von z. B. ca. 100 mm aufweisen, wie dies z. B. für die bisher bekannten Magnetlager durchweg zutrifft, spielt die magnetische und thermische Anisotropie keine bedeutsame Rolle. Da kleine Lagerringe mit Rundlaufabweichungen von weniger als z. B. 10 μ. herstellbar sind, ergeben sich angesichts optimaler Spaltdicken bis zu 0,5 mm trotz unvermeidbarer magnetischer und thermischer Anisotropien keine regeltechnischen Probleme. Eine ganz andere Situation liegt jedoch vor, wenn Lagerringe mit großen Außendurchmessern von z. B. 500 mm und mehr, insbesondere z. B. von bis 1000 mm benötigt werden, wie dies z. B. für die Anwendung von Magnetlagern in medizinischen Scannern erwünscht wäre. Derart große Lagerringe könnten zwar mit Rundlaufabweichungen von z. B. 50 μ bis 100 μ hergestellt werden, was für die Regelung ohne Vergrößerung der Spaltdicke noch ausreichen würde. Infolge der unvermeidlichen magnetischen und thermischen Ametropien treten hier aber sowohl bei der Messung des Spalts, falls sie induktiv erfolgt, als auch bei der Regelung der Magnetkraft so große zusätzliche Schwankungen der magnetischen und thermischen Eigenschaften auf, dass zu deren Kompensation sicherheitshalber vergrößerte Spalte zwischen den Lagerringen und den Elektromagneten bzw. zwischen dem Rotor und dem Stator vorgesehen werden müssen, um eine die erhöhte Spaltdynamik berücksichtigende Reserve zu schaffen und unerwünschte Berührungen zu vermeiden. Diese Vergröße- rung der Spaltdicke auf einen Wert, der größer ist, als der aus geometrischen Gründen kleinstmöglichen Spaltdicke entspricht, hat zur Folge, dass der konstruktive und finanzielle Aufwand für die Elektromagnete, Sensoren und Regler in unerwünschter Weise vergrößert wird.If bearing rings of this type comparatively small outer diameter of z. B. about 100 mm, as z. B. applies consistently to the previously known magnetic bearings, the magnetic and thermal anisotropy plays no significant role. Since small bearing rings with concentricity deviations of less than z. B. 10 μ. can be produced, given optimum thicknesses up to 0.5 mm despite unavoidable magnetic and thermal anisotropies no regulatory technical problems. However, a very different situation exists when bearing rings with large outer diameters of z. B. 500 mm and more, in particular z. B. of up to 1000 mm are needed, as z. B. would be desirable for the use of magnetic bearings in medical scanners. Such large bearing rings could indeed with concentricity deviations of z. B. 50 μ to 100 μ, which would be sufficient for the scheme without increasing the gap thickness. As a result of the unavoidable magnetic and thermal ametropias, however, such large additional fluctuations of the magnetic and thermal properties occur here both in the measurement of the gap, if it is inductive, and in the control of the magnetic force, that in order to compensate for this, increased gaps must be provided between the bearing rings and the electromagnets or between the rotor and the stator in order to create a reserve which takes into account the increased gap dynamics and to avoid undesired contact. This enlargement of the gap thickness to a value which is greater than that corresponding to the smallest possible gap thickness for geometrical reasons has the consequence that the constructional and financial outlay for the electromagnets, sensors and regulators is undesirably increased.
Ausgehend davon liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, das Magnetlager der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, dass es auch dann die Anwendung vergleichsweise kleiner Spaltdicken gestattet, wenn Lagerringe mit großen Durchmessern von z. B. 500 mm und mehr vorgesehen werden, so daß auch Magnetlager mit großen Durchmessern wirtschaftlich betrieben werden können. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung von für diesen Zweck geeigneten Lagerringen vorgeschlagen werden.Based on this, the technical problem underlying the invention, the magnetic bearing of the type described initially in such a way that it allows the use of comparatively small gap thicknesses even if bearing rings with large diameters of z. B. 500 mm and more are provided so that magnetic bearings with large diameters can be operated economically. In addition, a method for producing suitable for this purpose bearing rings to be proposed.
Zur Lösung dieses Problems dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 4. Außerdem sieht die Erfindung die Anwendung nach Anspruch 9 vor.To solve this problem serve the characterizing features of claims 1 and 4. In addition, the invention provides the application according to claim 9 before.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die beschriebenen Nachteile, die sich insbesondere bei der Anwendung von Magnetlagern mit großen Durchmessern bemerkbar machen, dadurch zu umgehen, dass im Gegensatz zum Stand der Technik Lagerringe verwendet werden, die eine im Wesentlichen kreissymmetrische Werkstoff- struktur und damit auch magnetische und/oder thermische Eigenschaften aufweisen, die längs ihres Umfangs im Wesentlichen überall gleich sind. Dadurch werden die bisher unvermeidbaren, durch Anisotropien entstehenden Schwankungen weitgehend ausgeschaltet. Außerdem wird ein von den bisherigen Herstellungsverfahren grundlegend abweichendes Verfahren zur Herstellung der Lagerringe vorgeschlagen, das in dem hier benötigen Umfang eine gleichmäßige Ausbildung der magnetischen Eigenschaften sicherstellt. Insoweit besteht die Erfindung auch in der Anwendung von Verfahren, die bisher für andere Zwecke verwendet wurden, zur Herstellung von Lagerringen für Magnetlager.The invention is based on the idea that the described disadvantages, which are particularly noticeable in the use of magnetic bearings with large diameters, can be circumvented by using, in contrast to the prior art, bearing rings which have a substantially circular-symmetrical material structure and thus also have magnetic and / or thermal properties that are essentially the same everywhere along its circumference. As a result, the previously unavoidable, caused by anisotropies fluctuations are largely eliminated. In addition, a fundamentally different from the previous manufacturing process method for the preparation of the bearing rings is proposed, which ensures in the extent required here a uniform formation of the magnetic properties. In that regard, the invention also in the application of Methods hitherto used for other purposes for producing bearing rings for magnetic bearings.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous features of the invention will become apparent from the dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below in connection with the accompanying drawings of an embodiment. Show it:
Fig. 1 schematisch ein Magnetlager mit einem herkömmlich hergestellten Lagerring;Fig. 1 shows schematically a magnetic bearing with a conventionally made bearing ring;
Fig. 2 zwei Schaubilder zur Darstellung der Abhängigkeiten von Spaltsignalen und Magnetkräften vom Drehwinkel des Lagerringes bei Anwendung eines als ideal kreisrund angenommenen, jedoch magnetisch und thermisch anisotropen Lagerrings;FIG. 2 shows two diagrams illustrating the dependencies of gap signals and magnetic forces on the angle of rotation of the bearing ring when using a bearing ring which is assumed to be perfectly circular but magnetically and thermally anisotropic; FIG.
Fig. 3 schematisch ein Magnetlager mit einem erfindungsgemäß hergestellten Lagerring; und3 shows schematically a magnetic bearing with a bearing ring produced according to the invention; and
Fig. 4 der Fig. 2 entsprechende Schaubilder für einen ebenfalls als ideal kreisrund angenommenen, jedoch erfindungsgemäß ausgebildeten Lagerring.Fig. 4 of FIG. 2 corresponding diagrams for a likewise assumed to be perfectly circular, but inventively designed bearing ring.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Magnetlager mit einem als Innenring und Rotor gestalteten Lagerring 1 und einem als Außenring und Stator dargestellten Außenring, von dem nur vier Elektromagnete 2 angedeutet sind. Jeder Elektromagnet 2 weist einen üblichen Kern 3 und einen auf diesen gewickelte Spule 4 auf. Magnetpolflächen 5 der Kerne 3 sind einer Umfangs- bzw. Radialfläche 6 des Lagerrings 1 zugeordnet und können wie üblich an deren Kontur angepasste, konkave Konturen aufweisen. Der Aufbau aller Elektromagnete 2 ist zweckmäßig gleich, so dass nur ein Elektromagnet 2 beschrieben werden braucht.Fig. 1 shows schematically a magnetic bearing with a designed as an inner ring and rotor bearing ring 1 and an outer ring and outer ring shown as outer ring, of which only four electromagnets 2 are indicated. Each electromagnet 2 has a conventional core 3 and a coil 4 wound thereon. Magnetic pole faces 5 of the cores 3 are associated with a peripheral or radial surface 6 of the bearing ring 1 and, as usual, can have concave contours adapted to their contour. The structure of all electromagnets 2 is suitably the same, so that only one electromagnet 2 needs to be described.
Der Lagerring 1 besteht aus einem ferromagnetischen Material und wird durch die Elektromagnete 2 in an sich bekannter Weise radial zentriert und geführt. Außerdem kann der Lagerring 1 z. B. am Umfang einer Scheibe aus einem nicht ferromagneti- schen Material befestigt, insbesondere auf diese aufgeschrumpft und/oder an einem zu lagernden Rotationskörper befestigt sein. Normalerweise ist an den beiden Enden eines Rotors je ein derartiger, ein Radiallager bildender Lagerring 1 angebracht, während in einem mittleren Teil des Rotors ein weiterer, nicht gezeigter Lagerring angeordnet ist, der als Axiallager dient und mit umlaufenden Randabschnitten seiner Stirn- bzw. Axialflächen weiteren Elektromagneten gegenüber steht. Ebenfalls nicht dargestellt ist der Antrieb, mittels dessen der Rotor und damit auch die Lagerringe 1 in Rotation versetzt werden. Hierzu können übliche, dem Fachmann bekannte Mittel verwendet werden.The bearing ring 1 consists of a ferromagnetic material and is radially centered and guided by the electromagnets 2 in a conventional manner. Furthermore can the bearing ring 1 z. B. attached to the circumference of a disc made of a non-ferromagnetic material, in particular shrunk onto these and / or attached to a rotary body to be stored. Normally, at the two ends of a rotor such a, a radial bearing forming bearing ring 1 is mounted, while in a central part of the rotor another, not shown bearing ring is arranged, which serves as thrust bearing and with peripheral edge portions of its end or axial surfaces further Electromagnet opposite. Also not shown is the drive, by means of which the rotor and thus the bearing rings 1 are set in rotation. For this purpose, customary agents known to those skilled in the art can be used.
Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist jedem Elektromagnet 2 ein vorzugsweiser induktiver Sensor 7 zugeordnet, der die Istwerte der Dicke eines Luftspalts 8 misst, der sich beim Betrieb des Magnetlagers, d. h. beim Drehen des Lagerrings 1, zwischen dessen Umfangs- bzw. Radialfläche 6 und den Polfächen 5 des zugeordneten Elektromagneten 2 bildet. Das Ausgangssignal des Sensors 7 wird einer vereinfacht dargestellten Regeleinrichtung 9 zugeführt und in dieser mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Aus der Differenz beider Signale wird ein Stellsignal abgeleitet, das einer den Strom durch die betreffende Spule 4 steuernden Stromquelle zugeführt wird. Dadurch wird der Spulenstrom und damit die am Ort des Sensors 2 auf den Lagerring 1 wirkende Magnetkraft so gesteuert, dass die Dicke des Spalts 8 trotz etwaiger geometrischer Unwuchten im Lagerring 1 im Wesentlichen den gewünschten Sollwert annimmt. Diese Art der Regelung ist für alle Elektromagnete 2 vorzugsweise dieselbe.As FIG. 1 further shows, each electromagnet 2 is assigned a preferably inductive sensor 7, which measures the actual values of the thickness of an air gap 8 which, during operation of the magnetic bearing, ie. H. when turning the bearing ring 1, between the circumferential or radial surface 6 and the Polfächen 5 of the associated electromagnet 2 forms. The output signal of the sensor 7 is supplied to a control device 9 shown in a simplified manner and compared in this with a predetermined desired value. From the difference between the two signals, a control signal is derived, which is supplied to a current through the coil 4 controlling current source. As a result, the coil current and thus the magnetic force acting on the bearing ring 1 at the location of the sensor 2 are controlled such that the thickness of the gap 8 substantially assumes the desired desired value despite any geometric imbalances in the bearing ring 1. This type of regulation is preferably the same for all electromagnets 2.
Durch Linien Ia einer Schraffur für den Lagerring 1 ist in Fig. 1 angedeutet, dass die Gefügestruktur aufgrund eines Walzprozesses nur in einer bestimmten Vorzugsrichtung homogen, als in Richtungen quer dazu jedoch anders ist. Das hat sowohl Auswirkungen auf die Größe des induktiv ermittelten Messsignals des Sensors 7 als auch auf die vom Spulenstrom erzeugte Magnetkraft, wie Fig. 2 zeigt. Im oberen Teil der Fig. 2 ist schematisch die Abhängigkeit des Spaltsignals u vom Drehwinkel θ des Lagerrings 1, im unteren Teil dagegen die Abhängigkeit der vom Elektromagneten 2 entwickelten und auf den Lagerring 1 ausgeübten Magnetkraft F vom Drehwinkel θ des Lagerrings 1 dargestellt. Für beide Fälle ist angenommen, dass der Lagerring 1 und insbesondere dessen Radialfläche 6 ideal kreisförmig ausgebildet ist. Daraus folgt, dass eigentlich für alle Winkel θ ein Spaltsignal u = U0 erhalten werden müsste, das dem gewünschten Sollwert der Spaltdicke entspricht, und dass daher mittels eines längs des gesamten Umfangs des Lagerrings 1 konstant gehaltenen Stroms io eine im Wesentlichen konstante Magnetkraft F0 erhalten werden müsste, die zur Erhaltung der Soll-Spaltdicke erforderlich ist.By lines Ia a hatching for the bearing ring 1 is indicated in Fig. 1, that the microstructure due to a rolling process is homogeneous only in a certain preferred direction, but in directions transverse thereto. This has an effect both on the size of the inductively determined measuring signal of the sensor 7 and on the magnetic force generated by the coil current, as FIG. 2 shows. In the upper part of Fig. 2 is schematically the dependence of the gap signal u from the rotational angle θ of the bearing ring 1, in the lower part, however, the dependence of the electromagnet second developed and exerted on the bearing ring 1 magnetic force F from the rotational angle θ of the bearing ring 1 shown. For both cases, it is assumed that the bearing ring 1 and in particular its radial surface 6 is ideally circular. It follows that actually for all angles θ a gap signal u = U 0 would have to be obtained, which corresponds to the desired target value of the gap thickness, and therefore by means of a along the entire circumference of the bearing ring 1 held constant current io a substantially constant magnetic force F 0 would have to be obtained, which is required to maintain the desired gap thickness.
Tatsächlich zeigt Fig. 2 jedoch, dass trotz eines geometrisch idealen Spalts einerseits das Sensorsignal u in Abhängigkeit vom Drehwinkel θ längs einer Kurve 10 schwankt. Andererseits wirkt auf den Lagerring 1 bei konstant gehaltenem Strom I0 keine konstante, sondern längs einer Kurve 11 schwankende Magnetkraft F. Das bedeutet, dass der Regeleinrichtung 9 ein im Sinne der Kurve 10 schwankendes und damit fehlerhaftes Sensorsignal mitgeteilt wird, selbst wenn die Spaltdicke geometrisch den Idealwert besitzt, und dass außerdem ein Strom i durch die Spulen 4 keine konstante, sondern eine längs der Kurve 11 schwankende Magnetkraft F erzeugt. Beides hat seine Ursache in der oben angegebenen, magnetischen und/oder thermischen Anisotropie, die in Fig. 1 bewirkt, dass die Gefügestruktur zumindest an Orten einiger der Elektromagnete 2 eine andere als an Orten anderer Elektromagnete 2 ist. Eine Lösung der bestehenden Regelaufgabe wird auf diese Weise empfindlich behindert.In fact, however, FIG. 2 shows that, in spite of a geometrically ideal gap, on the one hand the sensor signal u fluctuates as a function of the rotational angle θ along a curve 10. On the other hand, acting on the bearing ring 1 at constant current I 0 no constant, but along a curve 11 fluctuating magnetic force F. This means that the control device 9 a fluctuating in the sense of the curve 10 and thus erroneous sensor signal is communicated, even if the gap thickness geometric has the ideal value, and that, moreover, a current i through the coils 4 does not produce a constant but a magnetic force F fluctuating along the curve 11. Both have their cause in the above-mentioned, magnetic and / or thermal anisotropy, which causes in Fig. 1, that the microstructure is at least at locations of some of the electromagnets 2 other than at locations of other electromagnets 2. A solution of the existing control task is severely hampered in this way.
Erfϊndungsgemäß wird daher vorgeschlagen, einen Lagerring 12 (Fig. 3) zu ver- wenden, der abweichend vom Stand der Technik bezüglich seiner magnetischen und/oder thermischen Eigenschaften in Umfangsrichtung im Wesentlichen isotrop ausgebildet ist. Das ist in Fig. 3 durch Kreislinien 14 angedeutet, die eine Kreissymmetrie der magnetischen und thermischen Eigenschaften darstellen sollen. Im Übrigen ist die Anordnung gemäß Fig. 3 identisch mit der in Fig. 1, weshalb für gleiche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet sind. Zur Sicherstellung von in Umfangsrichtung gleichförmigen Gefugestrukturen und damit homogenen magnetischen Eigenschaften wird der Lagerring 14 vorzugsweise aus einem nahtlos hergestellten Ring gefertigt, der durch Ringwalzen in seine endgültige Form gebracht wird. Der Prozess des Ringwalzens ist dem Fachmann natürlich allgemein bekannt. Neu ist hier jedoch das durch das Ringwalzen angestrebte Ergebnis. Bisher wird das Ringwalzen ausschließlich zur Herstellung bestimmter geometrischer Abmessungen mit kleinen Rundlaufabweichungen verwendet. Wesentlich für die Erfindung ist dagegen, dass durch das Ringwalzen offenbar auch Gefügestrukturen erhalten werden, die zu den gewünschten, an jedem Ort des Umfangs des Lagerrings 1 im Wesentlichen gleichen magnetischen oder thermischen oder sogar sowohl magnetischen als auch thermischen Eigenschaften führen.According to the invention, therefore, it is proposed to use a bearing ring 12 (FIG. 3) which, unlike the prior art, has a substantially isotropic design in the circumferential direction with regard to its magnetic and / or thermal properties. This is indicated in FIG. 3 by circular lines 14 which are intended to represent a circular symmetry of the magnetic and thermal properties. Incidentally, the arrangement according to FIG. 3 is identical to that in FIG. 1, for which reason the same reference numerals are used for the same parts. To ensure circumferentially uniform structure structures and thus homogeneous magnetic properties of the bearing ring 14 is preferably made of a seamless ring produced, which is brought by ring rolling in its final form. Of course, the process of ring rolling is well known to those skilled in the art. What is new here, however, is the result sought by ring rolling. So far, the ring rolling is used exclusively for the production of certain geometric dimensions with small concentricity deviations. Essential for the invention, however, is that the ring rolling apparently also microstructures are obtained which lead to the desired, at each location of the circumference of the bearing ring 1 substantially the same magnetic or thermal or even both magnetic and thermal properties.
Die mit dem erfindungsgemäßen Lagerring 12 erzielten Ergebnisse sind in Fig. 4 in einer der Fig. 2 entsprechenden Weise dargestellt. Da erfindungsgemäß ein Lagerring 12 verwendet wird, der in Umfangsrichtung vorzugsweise sowohl in magnetischer als auch in thermischer Hinsicht weitgehend isotrop ausgebildet ist, entfallen - ideale geometrische Kreisform einer außen liegenden Umfangsfläche 15 wiederum vorausgesetzt - die in Fig. 2 dargestellten Kurven 10 und 11 nahezu vollständig. Das Sensorsignal u hat vielmehr längs des gesamten Umfangs des Lagerrings 12 einen im Wesentlichen konstanten Wert U0 entsprechend einer im Wesentlichen gleichbleibenden Spaltdicke, während ein konstant gehaltener Strom io eine im Wesentlichen konstante, vom Drehwinkel θ unabhängige Magnetkraft F0 erzeugt, die z. B. genau der zur Erhaltung des Sollspalts benötigten Magnetkraft entspricht. Außerdem werden diese Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich erhalten, so dass Änderungen der Raumtemperatur od. dgl. keinen Einfluss auf die Regelung haben.The results achieved with the bearing ring 12 according to the invention are shown in FIG. 4 in a manner corresponding to FIG. 2. Since, according to the invention, a bearing ring 12 is used, which is preferably substantially isotropic in the circumferential direction, both in magnetic and in thermal terms, the curves 10 and 11 shown in FIG. 2 are almost completely eliminated-ideal geometric circular shape of an outer peripheral surface 15 in turn , The sensor signal u has rather along the entire circumference of the bearing ring 12 has a substantially constant value U 0 corresponding to a substantially constant gap thickness, while a constant current io generates a substantially constant, independent of the rotational angle θ magnetic force F 0 , the z. B. corresponds exactly to the magnetic force required to maintain the desired gap. In addition, these properties are obtained over a wide temperature range, so that changes in the room temperature od. Like. Have no influence on the scheme.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lagerringe 12 wird vorzugsweise von einem massiven Stahlblock od. dgl. ausgegangen, der die gewünschte Dicke (z. B. 20 mm bis 50 mm) und eine gleichförmig runde Umfangsfläche 15 besitzt. Ein derartiger Block kann z. B. durch Gießen, Schmieden oder sonstwie hergestellt und bereits während seiner Herstellung mit einem Mittelloch versehen werden. Alternativ kann das Mittelloch auch in einem späteren Verfahrensschritt im fertigen Block angebracht werden. Anschließend wird die Umfangsfläche 15 hinsichtlich der magnetischen und thermischen Eigenschaften in Umfangsrichtung homogenisiert, wie in Fig. 3 durch die Kreislinien 14 angedeutet ist. Als bisher am besten geeignet scheint für diese Zwecke eine Bearbeitung der Umfangsfläche 15 durch Ringwalzen zu sein. Eine derartige Bearbeitung von nahtlos hergestellten, ringförmigen Bauteilen ist bei der Herstellung von Wälzlagerringen mit großen Durchmessern bekannt und wird dort zur Herstellung von Umfangsflächen mit sehr hoher geometrischer Rundlaufgenauigkeit verwendet. Es ist aber überraschend, dass sich ein derartiges Verfahren auch dazu eignet, die Umfangsfläche 15 im Sinne der Erfindung mit einer rotationssymmetrischen Homogenität in magnetischer und/oder thermischer Hinsicht zu versehen. Dadurch ist es möglich, auch Magnetlager, deren Lagerringe 12 große Durchmesser von z. B. 500 mm und mehr aufweisen, mit einem vergleichsweise kleinen Luftspalt zu betreiben, da die oben erwähnte, aufgrund der bisherigen Anisotropie erforderliche Reserve entfallen kann. Als Folge davon lassen sich auch Magnetlager mit großen Durchmessern wirtschaftlich betreiben. Da der Leistungsbedarf der Elektromagnete 2 proportional mit dem Quadrat der Dicke des Luftspalts abnimmt, werden weniger leistungsstarke Elektromagnete und weniger aufwändige Regeleinrichtungen benötigt.To produce the bearing rings 12 according to the invention, it is preferable to use a solid steel block or the like which has the desired thickness (eg 20 mm to 50 mm) and a uniformly round peripheral surface 15. Such a block may, for. B. by casting, forging or otherwise prepared and already provided during its production with a center hole. Alternatively, you can the center hole are also attached in a later step in the finished block. Subsequently, the peripheral surface 15 is homogenized with respect to the magnetic and thermal properties in the circumferential direction, as indicated in Fig. 3 by the circular lines 14. As far best suited for this purpose seems to be a processing of the peripheral surface 15 by ring rolling. Such machining of seamlessly made annular components is known in the manufacture of large diameter roller bearing rings and is used there to produce circumferential surfaces with very high concentricity accuracy. However, it is surprising that such a method is also suitable for providing the peripheral surface 15 in the sense of the invention with a rotationally symmetrical homogeneity in magnetic and / or thermal terms. This makes it possible, even magnetic bearing whose bearing rings 12 large diameter of z. B. 500 mm and more, operate with a comparatively small air gap, since the above-mentioned, due to the previous anisotropy required reserve can be omitted. As a result, even magnetic bearings with large diameters can be operated economically. Since the power requirement of the electromagnets 2 decreases proportionally with the square of the thickness of the air gap, less powerful electromagnets and less expensive control devices are required.
In entsprechender Weise kann vorgegangen werden, wenn es um die Herstellung von Axiallagern statt der beschriebenen Radiallager geht, da insbesondere ein Ringwalz- prozess sowohl mit Radial- als auch mit Axialwalzen durchgeführt werden kann. Ein Axialwalzprozess führt in den für die Abstandsmessung und Lagerung relevanten Teilen der Stirnseiten der Lagerringe zu denselben isotropen Verhältnissen, wie dies oben für die Bearbeitung der Umfangsfläche 15 mit Radial walzen beschrieben wurde.In a corresponding manner, it can be proceeded when it comes to the production of thrust bearings instead of the radial bearings described, since in particular a ring rolling process can be carried out both with radial and with axial rolls. An Axialwalzprozess leads in the relevant for the distance measurement and storage parts of the end faces of the bearing rings to the same isotropic conditions, as described above for the processing of the peripheral surface 15 with radial rollers.
Als Ausgangsmaterialien zur Herstellung der gewalzten Ringe eignen sich sowohl unlegierte oder niedrig legierte Stähle als auch hochlegierte Stähle. Bei Bedarf ist es möglich, die fertigen Lagerringe durch Behandlung mit geeigneten Temperaturen nachträglich zu veredeln. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf vielfache Weise abgewandelt werden kann. Beispielsweise brauchen die Lagerringe keine rechteckigen oder quadratischen Querschnitte aufweisen. Insbesondere das Ringwalzen eignet sich auch zur Herstellung von Lagerringen mit anderen, z. B. L-förmigen Querschnitten und/oder verschiedenen Oberflächenprofilierungen. Weiter ist klar, dass die Lagerringe abweichend von der obigen Beschreibung auch als Außenringe verwendet werden können und dass anstelle der gezeigten vier Elektro- magnete sowohl außen als auch innen je nach Bedarf mehr oder weniger als vier Elektromagnete verwendet werden können. Anstelle induktiver Sensoren können andere Sensoren verwendet werden, z. B. solche, die mit optischen Mitteln arbeiten. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können. Suitable starting materials for producing the rolled rings are both unalloyed or low-alloyed steels and high-alloyed steels. If necessary, it is possible to subsequently refine the finished bearing rings by treatment with suitable temperatures. The invention is not limited to the described embodiment, which can be modified in many ways. For example, the bearing rings need not have rectangular or square cross-sections. In particular, the ring rolling is also suitable for the production of bearing rings with others, eg. B. L-shaped cross-sections and / or different surface profiling. Furthermore, it is clear that the bearing rings, in deviation from the above description, can also be used as outer rings and that, instead of the four electromagnets shown, more or less than four electromagnets can be used both externally and internally as required. Instead of inductive sensors other sensors can be used, for. For example, those who work with optical means. Finally, it is understood that the various features may be applied in combinations other than those described and illustrated.

Claims

Ansprüche claims
1. Magnetlager mit einem ferromagnetischen, drehbar gelagerten Lagerring (12), einer Mehrzahl von längs dessen Umfang angeordneten Elektromagneten (2) und wenigstens einem Abstandssensor (7) pro Elektromagnet (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (12) ein bezüglich seiner magnetischen und/oder thermischen Eigenschaften zumindestens in Umfangsrichtung im Wesentlichen isotrop ausgebildeter Ring ist.1. magnetic bearing with a ferromagnetic rotatably mounted bearing ring (12), a plurality of along its circumference arranged electromagnet (2) and at least one distance sensor (7) per solenoid (2), characterized in that the bearing ring (12) with respect to its magnetic and / or thermal properties at least in the circumferential direction is substantially isotropically formed ring.
2. Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (12) aus einem nahtlos hergestellten Ring besteht.2. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the bearing ring (12) consists of a seamlessly made ring.
3. Magnetlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (12) durch Ringwalzen hergestellt ist.3. Magnetic bearing according to claim 1 or 2, characterized in that the bearing ring (12) is produced by ring rolling.
4. Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings (12) für Magnetlager, wobei zunächst ein massiver, nahtlos runder, mit einem Mittelloch versehener Block hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Block im Hinblick auf seine magnetischen und/oder thermischen Eigenschaften durch Ringwalzen in seiner Umfangsrichtung homogenisiert wird.4. A method for producing a bearing ring (12) for magnetic bearing, wherein first a solid, seamless round, provided with a center hole block is produced, characterized in that the block in terms of its magnetic and / or thermal properties by ring rolling in its circumferential direction is homogenized.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Herstellung von Lagerringen (12) mit Außendurchmessern von wenigstens 500 mm angewendet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that it is used for the production of bearing rings (12) with outer diameters of at least 500 mm.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (12) durch Behandlung mit vorgewählten Temperaturen veredelt wird.6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the bearing ring (12) is refined by treatment with preselected temperatures.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Block durch Gießen hergestellt wird. 7. The method according to any one of claims 4 to 6, characterized in that the block is produced by casting.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Block durch Schmieden und anschließendes Lochen hergestellt wird.8. The method according to any one of claims 4 to 9, characterized in that the block is produced by forging and subsequent punching.
9. Anwendung des Ringwalzens zur Herstellung von Lagerringen (12) für Magnetlager mit in Umfangsrichtung isotropen magnetischen und thermischen Eigenschaften sowie mit großen Durchmessern. 9. Application of ring rolling for the production of bearing rings (12) for magnetic bearings with circumferentially isotropic magnetic and thermal properties and with large diameters.
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