WO2010020204A1

WO2010020204A1 - Magnetführungseinrichtung mit elektromagnetischer dämpfung

Info

Publication number: WO2010020204A1
Application number: PCT/DE2009/000991
Authority: WO
Inventors: Franz Janssen; Hermann Stelzer
Original assignee: Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date: 2008-08-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2010-02-25
Also published as: EP2315955A1; DE102008037991A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnetführungseinrichtung mit elektromagnetischer Dämpfung. Diese umfasst mindestens ein radiales Magnetlager, welches rotorseitig mindestens einen Permanentmagneten (21a, 21b, 22a, 22b; 21) aufweist. Erfindungsgemäß weist das Magnetlager mindestens ein Dämpfungssystem auf. Dieses Dämpfungssystem weist rotorseitig ein Wirkelement (23) aus einem magnetisierbaren Material und ein zwischen dem Wirkelement und dem Permanentmagneten angeordnetes Isolationselement (20; 24; 24a, 24b) aus einem nicht magnetisierbaren Material, statorseitig mindestens eine Magnetspule (13), einen Sensor (14) für die Messung des radialen Abstands zwischen Magnetspule und Wirkelement sowie zusätzlich einen Regler auf, der vom Sensor gelieferte Messwerte als Eingabe erhält und einen Strom für die Beaufschlagung der Spule als Ausgabe liefert. Es wurde erkannt, dass mit dieser Anordnung berührungs- und verschleißfrei eine Rückstellkraft gegen radiale Bewegungen des Rotors ausgeübt werden kann, speziell gegen solche, die durch Schwingungen verursacht werden. Dabei ist auf Grund des Isolationselements die magnetische Kraftwechselwirkung im Dämpfungssystem von der Kraftwechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten und den statorseitigen Komponenten des radialen Magnetlagers unabhängig.

Description

B e s c h r e i b u n g Magnetführungseinrichtung mit elektromagnetischer Dämpfung

Die Erfindung betrifft eine Magnetführungseinrichtung mit elektromagnetischer Dämpfung.

Stand der Technik

Schnell drehende Rotoren, wie beispielsweise in Abgasturboladern, können häufig magnetisch gelagert werden. Magnetische Lager sind berührungs-, schmiermittel- und verschleißfrei, was mit steigender Drehzahl einen immer größeren Vorteil gegenüber den herkömmlichen Gleitlagern darstellt.

Die Bewegung eines magnetisch radial passiv gelagert im Raum schwebenden Rotors ist kaum gedämpft. Nachteilig wird der Rotor hierdurch anfällig für Schwingungen. Aus der DE 102 16447 Cl ist ein Abgasturbolader bekannt, bei dem die Bewegungsenergie von Schwingungen auf mit Biegefedern beweglich gelagerte Teile des Stators übertragen wird. Von dort wird sie in einem Ölfilm dissipiert.

Nachteilig unterliegt die Öldämpfung durch die Beaufschlagung mit Scherkräften einem Alterungsprozess, so dass sich die Dämpfungseigenschaften allmählich verändern. Ein Austausch des Ölfilms ist sehr aufwändig, weil das Magnetlager hierzu zerlegt werden muss.

Aufgabe und Lösung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine alternative Schwingungsdämpfung für ein Magnetlager zur Verfügung zu steilen, die keinem Alterungsprozess unterliegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Magnetführungseinrichtung gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. Gegenstand der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde eine Magnetführungseinrichtung entwickelt. Diese umfasst mindestens ein radiales Magnetlager, welches rotorseitig mindestens einen Permanentmagneten aufweist. Dieses Magnetlager kann insbesondere auf einer Welle angeordnet sein.

Erfindungsgemäß weist das Magnetlager mindestens ein Dämpfungssystem auf. Dieses Dämpfungssystem weist rotorseitig ein Wirkelement aus einem magneti- sierbaren, insbesondere ferromagnetischen Material und ein zwischen dem Wirkelement und dem Permanentmagneten angeordnetes Isolationselement aus einem nicht magnetisierbaren, insbesondere nicht ferromagnetischen Material auf; sta- torseitig weist es mindestens eine Magnetspule und einen Sensor für die Messung des radialen Abstands zwischen Magnetspule und Wirkelement auf. Es weist zusätzlich einen Regler auf, der vom Sensor gelieferte Messwerte als Eingabe erhält und einen Strom für die Beaufschlagung der Spule als Ausgabe liefert.

Es wurde erkannt, dass durch Beaufschlagung der Magnetspule mit einem Strom eine radiale Rückstellkraft auf das Wirkelement ausgeübt werden kann. Diese Kraft kann als Bremskraft genutzt werden, um eine Schwingung des Rotors in radialer Richtung zu dämpfen. Eine solche Dämpfung arbeitet im Gegensatz zur Öldämpfung nach dem Stand der Technik berührungs- und verschleißfrei. Sie unterliegt somit nicht dem Alterungsprozess, der den Ölfilm in einer Öldämpfung mit der Zeit verändert.

Anders als die Öldämpfung ist das erfindungsgemäß vorgesehene Dämpfungssystem nicht immer wirksam, sondern nur dann, wenn der Regler den Bedarf für eine radiale Rückstellkraft sieht und die Magnetspule mit einem Strom beaufschlagt. In diesem Dämpfungssystem wird daher nur im Bedarfsfall und nicht ständig Energie dissipiert. Somit können beispielsweise bestimmte radiale Bewegungen des Rotors zugelassen werden und nur Schwingungen gedämpft werden, die sich bis zu einer Kollision zwischen Rotor und Stator aufschaukeln können. Es wurde erkannt, dass der Rotor beim Hochfahren das gesamte Spektrum der Drehzahlen zwischen Null und seiner Nenndrehzahl durchlaufen muss. Liegt in diesem breiten Spektrum eine Eigenfrequenz des Rotors, wird der Rotor beim Durchlaufen dieser Eigenfrequenz zu einer erzwungenen Schwingung angeregt. Diese Schwingung schaukelt sich sehr schnell bis zu einer Amplitude auf, die eine Kollision zwischen Rotor und Stator herbeiführen kann. Es ist in der Regel nicht möglich, rechtzeitig vor der Kollision die Drehzahl so zu ändern, dass die Energiequelle der Schwingung wegfällt und die Kollision noch verhindert werden kann. Dies ist bei nicht ausreichender Dämpfung der begrenzende Faktor für die Drehzahlen, bei denen der Rotor eingesetzt werden kann.

Der Begriff der Magnetspule ist nicht auf eine einzelne Magnetspule beschränkt, sondern umfasst auch zusammen wirkende Kombinationen mehrerer Magnetspulen. In einer solchen Kombination können die Magnetspulen insbesondere so angeordnet sein, dass magnetische Feldlinien einer Magnetspule auch durch die anderen Magnetspulen hindurchtreten. Sind auf dem Weg des magnetischen Flusses einer Magnetspule weitere Magnetspulen angeordnet, kann der Fluss hierdurch verstärkt werden.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Isolationselement sorgt dafür, dass die magnetische Kraftwechselwirkung im Dämpfungssystem von der Kraftwechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten und den statorseitigen Komponenten des radialen Magnetlagers unabhängig ist. Es kann im Dämpfungssystem also zwecks Bekämpfung einer radialen Schwingungsmode ein Regeleingriff stattfinden, ohne dass dadurch das radiale Magnetlager in seiner Funktion beeinträchtigt wird und der Rotor am Stator anstößt. Beispielsweise kann bei einem nicht magnetisierba- ren Rotor, der permanentmagnetische Bereiche enthält, der nicht magnetisierbare Anteil als Isolationselement fungieren.

Der Vorteil des erfindungsgemäß vorgesehenen Isolationselements zeigt sich besonders deutlich in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, in der der Permanentmagnet axial magnetisiert ist. Gerade in diesem Fall verhindert nur das erfindungsgemäß vorgesehene Isolationselement, dass der magneti- sehe Fluss des Permanentmagneten durch das Wirkelement kurzgeschlossen wird. Umgekehrt schließt das Wirkelement den magnetischen Fluss der Magnetspule kurz und verhindert so, dass dieser Fluss das für die Radiallagerung benötigte Magnetfeld des Permanentmagneten stört.

Das erfmdungsgemäß vorgesehene Dämpfungssystem erfordert im Gegensatz zu der Öldämpfung gemäß Stand der Technik keine beweglichen Teile am Stator. Beweglich ist nur der Rotor. Die erfindungsgemäße Magnetführungseinrichtung ist somit inhärent weniger fehleranfällig als ein Magnetlager mit Öldämpfung. Zudem ist eine bestehende Magnetführungseinrichtung bei Kenntnis der vorliegenden erfinderischen Lehre mit geringem Aufwand in eine erfindungsgemäße Magnetführungseinrichtung umzurüsten, da der Stator nicht in einen beweglich gelagerten und einen festen Teil aufgetrennt werden muss.

Als magnetisierbares Material für das Wirkelement ist insbesondere Eisen geeignet. Das magnetisierbare Material kann vorteilhaft magnetisiert sein und beispielsweise ein Permanentmagnet sein, wobei die Magnetisierung insbesondere eine radiale Komponente aufweisen kann. Das Wirkelement und der Regler sollten in diesem Fall so aufeinander abgestimmt sein, dass das Koerzitivfeld des Wirkelements in radialer Richtung stärker ist als das größte im Betrieb durch den Regler am Ort des Wirkelements vorgelegte Magnetfeld. Innerhalb dieser Grenzen kann die Magnetspule dann nicht nur eine radial anziehende, sondern auch eine radial abstoßende Kraft auf das Wirkelement ausüben. Ist dagegen das von den Magnetspulen auf Grund des Ausgangssignals des Reglers am Ort des Wirkelements vorgelegte Magnetfeld stärker als dessen Koerzitivfeld, kann dieses Magnetfeld die Magnetisierung des Wirkelements umpolen, statt die erwünschte Kraftwirkung auf das Wirkelement auszuüben.

Als nicht magnetisierbares Material sind insbesondere Keramiken und Kunststoffe geeignet. Magnetlager sind häufig mit einer elastischen Bandage, beispielsweise aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, vorgespannt, die eine radial nach innen gerichtete Kraft ausübt. Diese Kraft ist der im Betrieb auftretenden radial nach außen gerichteten Zentrifugalkraft entgegen gesetzt. So wird verhindert, dass die Komponenten des Magnetlagers durch die Zentrifugalkraft radial davonfliegen. Bei der Nenndrehzahl ist die aus dem Zusammenwirken von Vorspannung und Zentrifugalkraft resultierende radiale Kraft minimal. Im Ruhezustand wirkt dagegen ausschließlich die Vorspannung als radiale Kraft nach innen und beansprucht das nicht magnetisierbare Material radial mit einer Druckspannung. Daher ist das nicht magnetisierbare Material vorteilhaft druckfest. Keramiken und Kunststoffe sind Beispiele für druckfeste Materialien.

Alternativ kann auch die Bandage selbst zusätzlich als Isolationselement fungieren. Dann ist das Isolationselement in einer Weise vorgespannt, dass es eine radial nach innen gerichtete Druckkraft auf mindestens einen Permanentmagneten des Magnetlagers ausübt. Eine solche Mehrfachnutzung der Bandage spart Kosten und Einbauraum. Zudem ist jedes eingesparte Teil ein Teil weniger, das versagen kann, so dass die Zuverlässigkeit erhöht wird.

Der Sensor kann ein dediziertes Element sein, das ausschließlich für die Abstandsmessung zuständig ist, wie beispielsweise ein Wegmesssystem oder ein Näherungssensor. Es kann aber auch beispielsweise die Magnetspule selbst als Sensor fungieren, indem in ihr durch den Permanentmagneten oder das Wirkelement ein abstandsabhängiges Signal, wie etwa ein Wirbelstrom, induziert wird. Umgekehrt kann auch das Wirkelement oder ein anderer magnetischer Bereich des Rotors eine Spannung in der Magnetspule oder in einer speziell für den Zweck der Abstandsmessung vorgesehenen zusätzlichen Spule induzieren. Analog können andere Komponenten in der Magnetführungseinrichtung, wie beispielsweise für andere Zwecke bereits vorhandene Spulen oder Sensoren, für die Abstandsmessung herangezogen werden. Eine derartige Mehrfachnutzung von Komponenten spart Einbauraum, was besonders beim Einsatz der Magnetführungseinrichtung in Fahrzeugen, wie etwa bei einem Abgasturbolader, von Vorteil ist.

Der Regler kann beispielsweise einen analogen Differenzierer beinhalten. Er kann aber auch digital ausgeführt sein, beispielsweise als digitaler Signalprozessor (DSP) oder programmierbares Array (Field Programmable Gate Array, FPGA), in dem die gewünschte Kennlinie der Regelung als Programm hinterlegt ist. Es wurde erkannt, dass im Gegensatz zur Öldämpfung nach dem Stand der Technik die Kennlinie der Regelung auch im laufenden Betrieb variiert werden kann. Damit kann beispielsweise auf Störungen wie Stöße oder Schläge reagiert werden. Derartige Störungen sind aperiodisch und enthalten daher ein breites Spektrum an Frequenzen; daher enthalten sie auch eine Mischung aus Eigenfrequenzen des Rotors, die diesen zum Schwingen anregen können.

Das Wirkelement kann ringförmig ausgebildet sein, wobei es vorteilhaft den Rotorumfang komplett umlaufen kann, um eine Unwucht zu vermeiden. Es kann aber auch, beispielsweise zwecks Gewichtsersparnis, nur um einen Teil des Ro- torumfangs umlaufen. In diesem Fall kann die Magnetspule nur dann eine Kraft auf das Wirkelement ausüben, wenn ein Teil des Wirkelements gerade an der Magnetspule vorbei läuft. Vorteilhaft ist die Masse des Wirkelements symmetrisch um eine Achse verteilt, die beispielsweise die Dreh- oder (bei bleibender Unwucht des Rotors) die Drallachse des Rotors im radialen Magnetlager sein kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Feld der Magnetspule in dem Punkt der Rotation, in dem das Wirkelement in kürzestem Abstand an der Magnetspule vorbeiläuft, auf das Wirkelement gerichtet. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn ein ringförmiges Wirkelement den Rotorumfang komplett umläuft und das Feld der Magnetspule auf das Wirkelement gerichtet ist. Ist das Feld der Magnetspule auf das Wirkelement gerichtet, hat die auf das Wirkelement ausgeübte Kraft einen hohen radialen Anteil.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Magnetführungseinrichtung ein magnetisierbares Joch auf, welches das Magnetfeld der Spule in dem Punkt der Rotation, in dem das Wirkelement in kürzestem Abstand an der Magnetspule vorbeiläuft, auf das Wirkelement richtet. Dieses Joch kann insbesondere durch die Magnetspule hindurchtreten. Dann kann die Magnetspule räumlich beabstandet vom Wirkelement untergebracht werden, so dass sie größer gebaut und daher so ausgestaltet werden kann, dass sie einen größeren magnetischen Fluss erzeugt. Der erzielbare magnetische Fluss enthält das Produkt aus dem maximalen Strom und der Anzahl der Windungen. Da ein höherer Strom den erforderlichen Leitungsquerschnitt und die Anzahl der Windungen die Leitungslänge beeinflusst, geht eine Erhöhung jeder der beiden Größen mit einem erhöhten Bedarf an Bauvolumen einher.

Das Joch kann geblecht sein. Es besteht dann nicht aus einem durchgehenden Stück magnetisierbaren Materials, sondern aus mehreren Stücken magnetisierba- ren Materials, die voneinander elektrisch isoliert sind. Die elektrische Isolation kann beispielsweise durch eine zwischen den Stücken angeordnete Folie oder ein dort angeordnetes Harz bewirkt werden. Wirbelströme, die durch Änderungen des magnetischen Flusses in dem Joch induziert werden, sowie der mit solchen Strömen verbundene Energieverlust in Form unerwünschter Erwärmung des Jochs werden durch die Blechung vorteilhaft reduziert. Die Stücke können plattenförmig sein. Sie können aber auch keilförmig und insbesondere so angeordnet sein, dass der magnetische Fluss senkrecht durch die Grenzen zwischen den Stücken hindurchtritt. So wird die Strecke, auf der eine betragsmäßige Änderung dieses Flusses im magnetisierbaren Material des Jochs einen Wirbelstrom induzieren kann, vorteilhaft vermindert.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Magnetführungseinrichtung einen Permanentmagneten auf, der im Pfad des von der Magnetspule erzeugten Flusses durch das magnetisierbare Joch angeordnet ist und dessen Magnetisierungsrichtung eine Komponente in Richtung dieses Flusses aufweist. Dieser Permanentmagnet bewirkt, dass das Joch auch ohne Stromfluss durch die Spule ständig einen magnetischen Fluss auf das Wirkelement richtet. Läuft der Rotor unrund (eiert), so ändert sich periodisch der Luftspalt zwischen dem Wirkelement und dem Joch. Dadurch wird der vom Permanentmagneten vorgegebene magnetische Fluss durch das Joch geändert. Diese Änderung induziert einen Strom durch die Magnetspule. Durch Dissipation dieses Stroms, beispielsweise in einem Widerstand, kann somit die in der Unrundheit des Laufs steckende Bewegungsenergie vorteilhaft nach und nach aus dem Rotor abgezogen werden. Der Permanentmagnet wirkt mit der Magnetspule zusammen. Die Magnetspule kann den durch den Permanentmagneten vorgegebenen Fluss durch das Joch je nach Polarität des durch sie fließenden Stroms verstärken oder auch abschwächen.

Vorteilhaft ist ein solcher Regler vorgesehen, der eine Änderung des Stroms gegenüber einer Änderung des Abstands um einen Winkel zwischen 70° und 110 °, bevorzugt von 90°, in der Phase zu verschieben vermag. Die durch die Magnetspule auf das Wirkelement ausgeübte Rückstellkraft ist dann um so größer, je schneller sich der Rotor in radialer Richtung bewegt. Dieses Regelungsverhalten lässt sich beispielsweise mit einem analogen Differenzierer realisieren.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Regler vorgesehen, der einen mit der Rotation des Rotors synchronen Anteil im Zeitverlauf des Abstands zu unterdrücken vermag. Dann reagiert der Regler nur auf von Schwingungen herrührende radiale Bewegungen des Rotors, nicht hingegen auf radiale Bewegungen, die von einer Unwucht des Rotors oder anderer Komponenten, mit denen er über die Welle verbunden ist, herrühren. Um radiale Bewegungen auf Grund einer Unwucht zu kompensieren, sind um Größenordnungen höhere radiale Stellkräfte erforderlich als zur Dämpfung radialer Bewegungen, die von Schwingungen herrühren. Daher kann es vorteilhaft sein, den Rotor ungestört um seine durch die vorliegende Unwucht bestimmte, von seiner Symmetrieachse abweichende Drallachse rotieren zu lassen und ausschließlich die durch Schwingungen verursachten radialen Bewegungen zu dämpfen. Bei einer Unwucht stimmt die geometrische Symmetrieachse des Rotors nicht mit seiner Hauptträgheitsachse überein. Der Sensor registriert eine periodische radiale Bewegung, weil während jeder Umdrehung des Rotors verschiedene Bereiche des Rotors in verschiedenen Abständen vor dem Sensor vorgelegt werden.

Das Dämpfungssystem ist dann auch nicht ständig aktiv, sondern nur, wenn der Rotor zu Schwingungen angeregt wird, beispielsweise dann, wenn beim Hochfahren der Drehzahl eine Eigenfrequenz des Rotors durchlaufen wird. Diese Flexibilität bietet die Öldämpfung gemäß Stand der Technik nicht. Für die Öldämpfung sind alle radialen Bewegungen des Rotors gleich. Die Öldämpfung wirkt sich daher besonders nachteilig aus, wenn der Rotor auf Grund einer Unwucht ständig radiale Bewegungen ausführt, diese jedoch so geringfügig sind, dass kein Anstoßen an den Stator zu befürchten ist. Der Ölfilm dissipiert dann ständig Energie, obwohl dies für die Funktion des Magnetlagers gar nicht erforderlich ist, und verschleißt auf Grund der ständigen Beanspruchung mit Scherkräften sehr schnell. Das erfindungsgemäß vorgesehene Dämpfungssystem dagegen lässt das Magnetlager so lange ungestört laufen, bis der Regler auf Grund einer drohenden Kollision zwischen Rotor und Stator den Bedarf für ein Eingreifen sieht.

Es können mehrere Wirkelemente entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sein. Dann kann ein und dieselbe am Stator ortsfeste Magnetspule an verschiedenen Punkten der Rotordrehung einer radialen Bewegung des Rotors entgegen wirken. Es können mehrere Magnetspulen entlang des Umfangs des Stators angeordnet sein. Dann kann auf ein und dasselbe am Rotor feste Wirkelement an mehreren Punkten der Rotordrehung eine radiale Rückstellkraft ausgeübt werden. Zu diesem Zweck können entlang des Umfangs des Stators auch mehrere Sensoren angeordnet sein. Auch kann ein um den Rotorumfang umlaufendes Wirkelement an mehreren Stellen seines Umfangs mit einer Kraft beaufschlagt werden. Solche Anordnungen erweitern den Bereich, in dem sich die Richtung der durch die Magnetspulen auf das Wirkelement oder die Wirkelemente, und damit auf den Rotor, ausgeübten resultierenden Kraft wählen lässt, insbesondere dann, wenn eine Magnetspule immer nur eine attraktive Kraft auf ein Wirkelement auszuüben vermag.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen sich mindestens zwei Magnetspulen und/oder Sensoren entlang des Umfangs des Stators gegenüber. Hat das Wirkelement keine oder nur eine geringe remanente Magnetisierung, so kann es durch eine Magnetspule nur mit einer attraktiven, also radial nach außen gerichteten Kraft beaufschlagt werden. Ist zur Dämpfung einer gegebenen radialen Rotorbewegung dagegen eine von einer Magnetspule aus gesehen radial nach innen gerichtete Rückstellkraft nötig, so kann diese Kraft nicht durch Umpolen des Stroms durch die Magnetspule bewirkt werden. Hingegen kann diese resultierende Kraft auf den Rotor erzielt werden, indem die gegenüber liegende Magnetspule mit Strom beaufschlagt wird und ein Wirkelement anzieht. Zwei entlang des Umfangs des Stators gegenüber liegende Magnetspulen ermöglichen es somit, radiale Rotorbewegungen entlang einer Achse, die durch die Verbindungslinie zwischen diesen beiden Spulen bestimmt ist, vollständig auszu- regeln.

Sofern sich entlang des Umfangs des Stators zwei magnetisierbare Joche gegenüber liegen, die jeweils durch einen Permanentmagneten ständig mit einem magnetischen Fluss beaufschlagt werden, kann es zur Erzielung einer maximalen Rückstellkraft vorteilhaft sein, durch entsprechende Koordination der Ströme durch die Magnetspulen in dem einen Joch den durch den Permanentmagneten vorgegebenen Fluss zu verstärken und gleichzeitig in dem anderen Joch den durch den Permanentmagneten vorgegebenen Fluss zu schwächen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Paare von Magnetspulen und/oder Sensoren vorgesehen, die sich jeweils entlang des Umfangs des Stators gegenüber liegen. Sofern die beiden Verbindungslinien zwischen den Magnetspulen je eines Paars zueinander nicht kollinear sind, ermöglicht diese Anordnung von Magnetspulen das Ausregeln radialer Rotorbewegungen entlang zweier linear unabhängiger Achsen. Vorteilhaft schließen diese Verbindungslinien einen Winkel zwischen 70° und 110°, bevorzugt von 90°, ein. Bei einem Winkel von 90° hat ein Regeleingriff entlang der einen Verbindungslinie keine Komponente entlang der anderen Verbindungslinie, so dass sich die Regelungen entlang der durch diese Verbindungslinien bestimmten Achsen nicht gegenseitig beeinflussen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind entlang der Achse der Welle mehrere Dämpfungssysteme angeordnet. Mit einer solchen Anordnung kann der benötigte Einbauraum auf mehrere Orte entlang der Achse der Welle verteilt werden, so dass jedes einzelne Dämpfungssystem mehr Bauraum beanspruchen darf und somit stärker ausgestaltet sein kann. Auch ist eine solche Anordnung besonders geeignet, um Präzessions- und Nutationsbewegun- gen sowie insbesondere Schwingungen der Welle in Form von Biegemoden, die zu einer Zerstörung der Welle fuhren können, entgegen zu wirken. In dieser Ausgestaltung mit mehreren Dämpfungssystemen können Teile des einen Dämpfungssystems zugleich auch Teile des anderen Dämpfungssystems sein. So kann etwa ein und derselbe Regler beide Dämpfungssysteme zugleich ansteuern.

Vorteilhaft ist die Welle axial elektromagnetisch gelagert. Dann lässt sie sich in der Magnetfuhrungseinrichtung komplett berührungslos lagern, so dass die durch die Dämpfungseinrichtung ausgeübte radiale Rückstellkraft nicht mit einer Reibungskraft in Wechselwirkung tritt. Eine Reibungskraft verkompliziert den Zusammenhang zwischen der vom Sensor festgestellten radialen Rotorbewegung und der vom Dämpfungssystem auszuübenden radialen Rückstellkraft.

Zudem kann das axial elektromagnetische Lager zur Dämpfung von Schwingungen in axialer Richtung verwendet werden, ohne dass es hierfür weiterer Einbauten bedarf.

Diese Vorteile kommen insbesondere zum Tragen, wenn die Magnetfuhrungseinrichtung ein Abgasturbolader, eine Turbomolekularpumpe oder ein Chopper ist. In diesen Geräten werden Umdrehungszahlen von 200.000 min^"1 und mehr erreicht. Ein Abgasturbolader ist durch die Nähe zum Motor und durch die Bewegung des Fahrzeugs besonders vielen Stoßbelastungen ausgesetzt, die aperiodisch sind und daher eine Mischung aus Eigenfrequenzen des Rotors enthalten, die den Rotor zur Schwingung anregen kann. Ein Chopper ist in der Regel ein dünnes Blatt, das im Interesse einer hohen Umfangsgeschwindigkeit einen großen Durchmesser bis über 1 m aufweist. Ein solcher mechanischer Aufbau lässt sich besonders leicht zum Schwingen anregen.

Spezieller Beschreibungsteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen jeweils funktionsgleiche Baugruppen. Es ist gezeigt: Figur 1 : Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnetfüihrungseinrich- tung mit dem Rotor selbst als Isolationselement.

Figur 2: Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnetfuhrungseinrich- tung mit gesondertem Isolationselement.

Figur 3: Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnetfuhrungseinrich- tung mit gegenüber liegenden Paaren von Magnetspulen und Sensoren.

Figur 4: Zum Einsatz in einem Abgasturbolader vorgesehenes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnetführungseinrichtung in verschiedenen Schnittansichten (Teilbilder a und b).

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnetführungseinrichtung in Schnittzeichnung. Der Rotor 20 dreht sich um eine in der Zeichenebene von links nach rechts verlaufende Achse. Er dreht sich teilweise innerhalb des Stators 10. Der Stator 10 ist geblecht, um Wirbelstromverluste zu vermeiden. Seine einzelnen Bleche (Stücke) bestehen aus hochpermeablem Dynamoblech. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden nur die auf dem Stator angeordneten permanentmagnetischen Bereiche IIa, IIb, 12a und 12b sowie die auf dem Rotor angeordneten permanentmagnetischen Bereiche 21a, 21b, 22a und 22b mit Bezugszeichen versehen. Die Gesamtheit aller permanentmagnetischen Bereiche auf Rotor und Stator bildet das radiale Magnetlager für den Rotor im Stator.

Alle permanentmagnetischen Bereiche sind umlaufende permanentmagnetische Ringe aus Bor-Eisen-Neodym, die axiale magnetische Flüsse erzeugen (in Figur 1 durch waagerechte Pfeile skizziert). Auf dem Rotor und auf dem Stator sind benachbarte permanentmagnetische Bereiche jeweils entgegengesetzt magnetisiert. In der radialen Ruhelage des Magnetlagers weisen die Magnetisierungen je eines permanentmagnetischen Bereichs auf dem Stator und des ihm auf dem Rotor gegenüber liegenden Bereichs in die gleiche Richtung.

Das Dämpfungssystem umfasst eine statorseitige Spule 13 und ein Wirkelement 23 in Form eines um den kompletten Umfang des Rotors umlaufenden Rings aus einem magnetisierbaren Material, wie beispielsweise Eisen. Der Rotor 20, der selbst aus austenitischem, nicht magnetischem Stahl besteht, fungiert als Isolati- onselement zwischen den permanentmagnetischen Bereichen 21a, 21b, 22a und 22b einerseits und dem Wirkelement 23 andererseits.

Der Sensor und der Regler sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 1 nicht eingezeichnet.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnet- fuhrungseinrichtung in Schnittzeichnung. Der Rotor 20 dreht sich um die am unteren Rand von Figur 2 in der Zeichenebene verlaufende, gestrichelt eingezeichnete Achse. Er dreht sich teilweise innerhalb des Stators 10. Der Stator enthält zwei umlaufende permanentmagnetische Ringe 1 Ia und I Ib, der Rotor enthält einen umlaufenden permanentmagnetischen Ring 21. Die Ringe I Ia, I Ib und 21 sind jeweils axial in gleicher Richtung magnetisiert. In der Ruhelage der radialen magnetischen Lagerung des Rotors 20 gegen den Stator 10 liegt der Ring 21 zwischen den Ringen I Ia und I Ib. Die gemeinsame Magnetisierungsrichtung ist durch den fettgedruckten waagerechten Pfeil in Figur 2 skizziert.

Das Dämpfungssystem umfasst eine statorseitige Spule 13 und ein Wirkelement 23 in Form eines um den kompletten Umfang des Rotors umlaufenden Rings aus einem magnetisierbaren Material, wie beispielsweise Eisen. Das Wirkelement 23 ist vom permanentmagnetischen Ring 21 durch einen ebenfalls umlaufenden Isolationsring 24 aus einem nicht magnetisierbaren Material, wie Keramik oder Kunststoff, beabstandet.

Der Sensor und der Regler sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 2 nicht eingezeichnet.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetfüh- rungseinrichtung in Schnittzeichnung. Anders als in den Figuren 1 und 2 verläuft der Schnitt hier senkrecht zur Drehachse des Rotors 20. Diese Drehachse steht senkrecht auf der Zeichenebene. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist vom Rotor 20 nur das Wirkelement 23 eingezeichnet. Entlang des Umfangs des Stators 10 sind mehrere Magnetspulen 13 angeordnet sowie mehrere Sensoren 14, die je- weils den kürzesten Abstand zum Wirkelement 23 erfassen. Weitere Komponenten des Stators 10 sowie der Regler sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.

Es sind je zwei Paare gegenüber liegender Magnetspulen 13 und zwei Paare gegenüber liegender Sensoren 14 vorgesehen. Die Verbindungslinien zwischen den Magnetspulen 13 jeweils eines Paars stehen senkrecht aufeinander. Ebenso stehen die Verbindungslinien zwischen den Sensoren 14 jeweils eines Paars senkrecht aufeinander. Aus Platzgründen sind die Sensoren 14 jeweils entlang des Umfangs des Stators um 45° versetzt gegenüber den Magnetspulen 13 angeordnet. Die gemessenen Abstände des Wirkelements 23 von den Sensoren 14 müssen daher über eine Koordinatentransformation in die entsprechenden Abstände des Wirkelements 23 von den Magnetspulen 13 umgerechnet werden.

Figur 4a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnetführungseinrichtung in Schnittzeichnung. Dieses Ausführungsbeispiel ist zum Einsatz in einem Abgasturbolader vorgesehen. Ein auf einer Welle 3 befestigter Rotor 20 dreht sich mit der Welle gegen den Stator 10. Die gewählte Ansicht ist spiegelsymmetrisch um die Mittelachse der Welle 3. Zu beiden Seiten der Welle 3 sind jeweils identische radiale Magnetlager und Dämpfungssysteme vorhanden. Wegen der Vielzahl der Bezugszeichen wurden daher einige Bezugszeichen nur links der Welle 3 und einige Bezugszeichen nur rechts der Welle 3 eingezeichnet, obwohl die zu diesen Bezugszeichen gehörigen Komponenten zu beiden Seiten der Welle 3 vorhanden sind.

Das radiale Magnetlager umfasst rotorseitig die Permanentmagnete 21a, 21b, 22a und 22b sowie statorseitig die Permanentmagnete I Ia, 11 b, 11c und 12a, 12b, 12c. Das erfmdungsgemäße Dämpfungssystem umfasst rotorseitig Wirkelemente 23a, 23b sowie statorseitig das magnetisierbare Joch 15 und die Magnetspule 13. Zwischen dem Wirkelement 23a und dem Permanentmagneten 21a ist das Isolationselement 24a angeordnet. Zwischen dem Wirkelement 23b und dem Permanentmagneten 21b ist das Isolationselement 24b angeordnet. Die Permanentmagnete 21a, 21b, 22a, 22b, die Wirkelemente 23a, 23b sowie die Isolationselemente 24a und 24b sind jeweils als umlaufende Ringe ausgebildet. Die Isolationselemente 24a und 24b sind zugleich vorgespannte Bandagen, die radial nach innen gerichtete Druckkräfte auf die Permanentmagnete 21a, 22a bzw. 21b, 22b ausüben. Dadurch wird verhindert, dass die Permanentmagnete im Betrieb auf Grund der Zentrifugalkraft zerbersten und davonfliegen. Die aufeinander abgestimmten Magnetisierungsrichtungen der rotorseitigen und statorseitigen Permanentmagnete sind durch Pfeile kenntlich gemacht.

Zusätzlich ist statorseitig ein magnetisierbares Überbrückungsstück 16 vorgesehen, welches in der radialen Ruhelage des Magnetlagers den magnetischen Fluss vom Wirkelement 23a in das Wirkelement 23b leitet. Dieses Überbrückungsstück 16 ist durch ein weiteres statorseitiges Isolationselement 17 aus einem nicht mag- netisierbaren Material magnetisch gegen den statorseitigen Permanentmagneten IIb isoliert.

Figur 4b ist eine Schnittzeichnung durch das in Figur 4a dargestellte Ausfuhrungsbeispiel in einer anderen Schnittansicht. Der Schnitt ist entlang der Linie A- A in Figur 4a durchgeführt. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass das Wirkelement 23 a, das Isolationselement 24a sowie die Permanentmagnete 21a und 22a als umlaufende Ringe ausgebildet sind. Statorseitig sind dagegen zwei Paare aus jeweils gegenüber liegenden Magnetjochen 15 mit Magnetspulen 13 angeordnet. Entlang des Umfangs des Stators ist zwischen zwei Magnetjochen 15 jeweils ein Sensor 14 angeordnet. Die Verbindungslinien zwischen den Magnetspulen 13 jeweils eines Paars stehen senkrecht aufeinander. Ebenso stehen die Verbindungslinien zwischen den Sensoren 14 jeweils eines Paars senkrecht aufeinander.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Magnetfuhrungseinrichtung, umfassend mindestens ein radiales Magnetlager, welches rotorseitig mindestens einen Permanentmagneten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager mindestens ein Dämpfungssystem aufweist, welches rotorseitig ein Wirkelement aus einem magnetisierbaren Material und ein zwischen dem Wirkelement und dem Permanentmagneten angeordnetes Isolationselement aus einem nicht magnetisierbaren Material, statorseitig mindestens eine Magnetspule und einen Sensor für die Messung des radialen Abstands zwischen Magnetspule und Wirkelement sowie zusätzlich einen Regler aufweist, der vom Sensor gelieferte Messwerte als Eingabe erhält und einen Strom für die Beaufschlagung der Spule als Ausgabe liefert.

2. Magnetführungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager auf einer Welle angeordnet ist.

3. Magnetführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet axial magnetisiert ist.

4. Magnetführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkelement magnetisiert ist und seine Magnetisierung eine radiale Komponente aufweist.

5. Magnetführungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Koerzitivfeld des Wirkelements stärker ist als das größte im Betrieb durch den Regler am Ort des Wirkelements vorgelegte Magnetfeld.

6. Magnetführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkelement ringförmig ausgebildet ist.

7. Magnetführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld der Magnetspule in dem Punkt der Rotation, in dem das Wirkelement in kürzestem Abstand an der Magnetspule vorbeiläuft, auf das Wirkelement gerichtet ist.

8. Magnetfiiüixungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement in einer Weise vorgespannt ist, dass es eine radial nach innen gerichtete Druckkraft auf mindestens einen Permanentmagneten des Magnetlagers ausübt.

9. Magnetführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein magnetisierbares Joch, welches das Magnetfeld der Spule in dem Punkt der Rotation, in dem das Wirkelement in kürzestem Abstand an der Magnetspule vorbeiläuft, auf das Wirkelement richtet.

10. Magnetführungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Joch geblecht ist.

11. Magnetfuhrungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, gekennzeichnet durch einen Permanentmagneten, der im Pfad des von der Magnetspule erzeugten Flusses durch das magnetisierbare Joch angeordnet ist und dessen Magnetisierungsrichtung eine Komponente in Richtung dieses Flusses aufweist.

12. Magnetführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen Regler, der eine Änderung des Stroms gegenüber einer Änderung des Abstands um einen Winkel zwischen 70° und 110 ° in der Phase zu verschieben vermag.

13. Magnetfuhrungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Regler, der einen mit der Rotation der Welle synchronen Anteil im Zeitverlauf des Abstands zu unterdrücken vermag.

14. Magnetführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch mehrere entlang des Umfangs des Rotors angeordnete Wirkelemente.

15. Magnetführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch mehrere entlang des Umfangs des Stators angeordnete Mag- netspulen und/oder Sensoren.

16. Magnetfuhrungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens zwei Magnetspulen und/oder Sensoren entlang des Umfangs des Stators gegenüber liegen.

17. Magnetfuhrungseinrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch mindestens zwei Paare von Magnetspulen und/oder Sensoren, die sich jeweils entlang des Umfangs des Stators gegenüber liegen.

18. Magnetfuhrungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 17, gekennzeichnet durch mehrere entlang der Achse der Welle angeordnete Dämpfungssysteme.

19. Magnetfuhrungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle axial elektromagnetisch gelagert ist.

20. Abgasturbolader, Turbomolekularpumpe oder Chopper als Magnetfuhrungseinrichtung nach Anspruch 19.