WO2013178603A2 - Lagereinrichtung zur berührungslosen lagerung eines drehbaren körpers, anordnung und elektrische reluktanzmaschine - Google Patents

Lagereinrichtung zur berührungslosen lagerung eines drehbaren körpers, anordnung und elektrische reluktanzmaschine Download PDF

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WO2013178603A2
WO2013178603A2 PCT/EP2013/060917 EP2013060917W WO2013178603A2 WO 2013178603 A2 WO2013178603 A2 WO 2013178603A2 EP 2013060917 W EP2013060917 W EP 2013060917W WO 2013178603 A2 WO2013178603 A2 WO 2013178603A2
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Christian Bachmann
Dominik Bergmann
Andreas GÖDECKE
Marco CYRIACKS
Guillaume Pais
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F16C32/0491—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of five degrees of freedom, e.g. two radial magnetic bearings combined with an axial bearing with electromagnets acting in axial and radial direction, e.g. with conical magnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • Bearing device for non-contact storage of a rotatable body, arrangement and electrical reluctance machine
  • the invention relates to a bearing device for non-contact mounting of a rotatable body, comprising a first magnetic bearing and a first bearing axially offset second magnetic bearing, wherein the first and the second bearing each have at least two magnets for magnetic and non-contact mounting of the rotatable Have bodies which (the magnets) arranged distributed in the circumferential direction and are formed for generating a magnetic holding force both in the radial direction and in the axial direction on the rotatable body.
  • the invention also relates to an arrangement with such a bearing device and with a rotatable body, as well as an electrical reluctance machine. In the present case, the interest is directed to a contactless mounting of a rotor of a reluctance machine.
  • Active magnetic bearings have been state-of-the-art since around 1930 and serve to contactlessly support the shaft of a rotor or generally of a rotatable body by controlling a sufficient number of electromagnets in connection with the position detection of the rotatable body. that the generated magnetic forces of the electromagnets keep the rotatable body floating in the air.
  • Such a system is usually controlled continuously active in order to ensure a stable position of the rotatable body can.
  • the prior art bearings have at least two magnetic bearings spaced axially of each other which generate a radial holding force on the rotatable body which fixes the rotatable body in the radial direction. It can also be used in addition to axial bearings, which are typically formed separately from the said at least two radial bearings. These axial bearings are then designed, for example, in the form of a pot magnet, wherein usually two such pot magnets are used on the respective axial end faces of the rotatable body. If two radial bearings with three magnets each and two such magnet magnets are used, then there are altogether eight magnets which must be controlled separately from one another.
  • magnets can be used in the radial bearings, which generate a holding force, which has force components in both axia- 1er and in the radial direction.
  • the air gap between the rotor and the magnets is formed obliquely to the axis of rotation, so that a rotor facing surface of a magnet at an angle greater than zero to the axis of rotation of the rotor.
  • the rotor also has a conical or oblique region which extends parallel to the oblique surface of the magnet. The magnetic flux passing through this surface of the magnet thus causes a holding force which has a force component in both the axial and radial directions. Depending on the angle of the air gap used to the axis of rotation, the forces then act more radially or more axially.
  • a storage device is designed for non-contact mounting of a rotatable body and comprises a first magnetic bearing with at least two magnets and a first bearing axially staggered second magnetic bearing with at least two magnets.
  • the magnets of the first bearing on the one hand and the magnets of the second bearing on the other hand are distributed in each case in the circumferential direction and are used for magnetic and contactless mounting of the rotatable body.
  • the magnets are also each formed to generate a magnetic holding force both in the radial direction and in the axial direction on the rotatable body.
  • the magnets each have a first flow passage surface facing in the radial direction, via which the holding force is generated in the radial direction, and a second flow passage surface which is different from the first flow passage surface and points in the axial direction, and thus arranged perpendicular to the first flow passage surface , over which the holding force is generated in the axial direction.
  • a magnetic flux of the respective magnet runs through both the first and the second flow passage area, preferably in such a way that a holding force is generated both in the axial and in the radial direction by means of a single magnetic circuit of the respective magnet.
  • the bearing device also has the additional advantage that by appropriate design of the air gaps - ie the radial air gap between the rotatable body on the one hand and the first flow passage surface of the magnet on the other hand and the axial air gap between the rotatable body on the one hand and the second flux passage surface of the magnet on the other - Or by appropriate design of the ratio between these two air gaps within certain limits, the force ratio can be adjusted.
  • the magnets each have a magnetic core formed in particular of soft magnetic material, which has two core limbs connected to one another and enclosing a right angle with one another.
  • An end face of a free end of the first core leg may constitute the above-mentioned first flow passage surface which faces in the radial direction and over which the holding force in the radial direction is generated.
  • an end face of a free end of the second core leg may be the above-mentioned one form a second flow passage area through which the magnetic flux extends in the axial direction and through which thus the holding force is generated in the axial direction.
  • the magnetic flux can therefore pass through the two end faces of the two core legs arranged perpendicular to one another.
  • Said magnetic core is preferably made of a weichmagneti- see material provided by means of which magnetic flux can be passed.
  • the respective first flow passage surface of the magnets which thus points in the radial direction, may be convex and thus provided with a radial indentation, while the respective second flow passage surface facing in the axial direction may be flat.
  • the radial flow passage surfaces are thus adapted to the shape of a shaft of the rotatable body, and the axial Fluß matss- surfaces are adapted to the planar shape of a radial disc which is rotatably connected to the shaft.
  • the respective first Flus s trimgangs preparation is provided with a rad alen indentation in the storage device according to the invention forth and the respective second flow passage area formed flat.
  • the magnets are electromagnets which can be controlled separately from one another.
  • the holding force can be controlled by means of a corresponding control device, and in particular also regulated, so that the position of the rotatable body can be controlled or regulated accordingly. To control the current actual position of the rotatable body can be detected.
  • the electromagnets can each have an electrical winding which is wound onto the second core limb of the respective magnetic core, that is to say on those core limbs. which extends in the axial direction and thus parallel to a rotational axis of the rotatable body.
  • the other core leg in this embodiment is free of such windings, so that only the axial core leg carries the electrical winding.
  • the first and the second bearing preferably each have at least three magnets, which are arranged distributed in the circumferential direction.
  • the magnets are preferably distributed equidistantly in the circumferential direction.
  • these magnets are preferably arranged at 120 ° intervals relative to one another. If four such magnets are used, the angular distance between two adjacent magnets is preferably 90 °.
  • the invention also relates to an arrangement with a rotatable body and with a bearing device according to the invention, wherein the rotatable body has an axial shaft which magnetically interacts with the respective first flow passage surface of the magnet, and a radially extending, rotatably connected to the shaft disc - Has, which cooperates magnetically with the respective second flow passage area of the magnet or can be magnetically coupled.
  • An electrical reluctance machine has a stator, a rotor and an arrangement according to the invention, wherein the rotor is formed by the rotatable body.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sectional view through an arrangement according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic and perspective view of the arrangement according to FIG. 1
  • the arrangement 1 shows a schematic representation of a sectional view or a side view of an arrangement 1 according to an embodiment of the invention.
  • the arrangement 1 comprises a rotatable body 2, which in the exemplary embodiment may be a rotor of an electrical reluctance machine.
  • the rotatable body 2 has an axial shaft 3, which is mounted without contact by means of a bearing device 5 about a rotation axis 4.
  • a stator of the reluctance machine is not shown in the figures.
  • the rotatable body 2 also has a radially oriented or radially extending disk 6, which projects radially outwards from the shaft 3.
  • This disc 6 is thus formed circumferentially, wherein the shaft 3 extends approximately through the center of the disc 6 and perpendicular to the disc 6. While the axial direction is designated by 7 in FIG. 1, the radial direction is denoted by 8.
  • the bearing device 5 For storage of the body 2, the bearing device 5 has two magnetic bearings 9, 10, which are arranged offset in the axial direction 7 to each other.
  • the first bearing 9 is arranged on the one axial side of the disc 6, while the second bearing 10 is located on the other axial side of the disc 6.
  • the two bearings 9, 10 are magnetic axial and radial bearings, via which the body 2 is floating and non-contact about the rotation axis 4 rotatably mounted. This means that the body 2 touches no other components and is mounted without contact via the two bearings 9, 10.
  • more discs 6 could be used with other camps.
  • Each bearing 9, 10 has in the embodiment at least three in the circumferential direction (around the shaft 3 around) distributed arranged electromagnets 11, 12 and 13, 14, and in one embodiment exactly three such electromagnets 11, 12 and 13, 14, of in each case only two electromagnets 11, 12 and 13, 14 are shown in FIG.
  • the two bearings 9, 10 belong to a stator, not shown, of the electrical reluctance machine.
  • the electromagnets 11, 12 of the first bearing 9 are arranged in the circumferential direction in the same angular positions as the electromagnets 13, 14 of the second bearing 10.
  • the electromagnets 11 to 14 each have a magnetic core 15 to 18 which has a first (radial) core limb 19 to 22 extending in the radial direction as well as an axially extending and thus lowering has right to the radial core legs 19 to 22 and connected to this radial core legs 19 to 22 second (axial) core legs 23 to 26.
  • the two core legs 19 to 22 and 23 to 26 thus form a right angle with each other, so that the magnetic cores 15 to 18 represent 90 ° angle profiles.
  • the two core legs 19 to 22 and 23 to 26 are connected to each other at their respective ends.
  • the radial core legs 19 to 22 have a free end 27 to 30, whose end face 31 to 34 in the radial direction, ie in
  • Each electromagnet 11 to 14 also has a winding 44 to 47, which is wound on the respective second core legs 23 to 26.
  • the electromagnets 11 to 14 can be controlled separately from each other, for which purpose, for example, a control device not shown in the figures can be provided.
  • the current direction shown schematically in FIG. 1 is preferably chosen such that a homopolar pole arrangement results.
  • both an axial air gap 48 and a radial air gap 49 are formed.
  • the respective axial air gaps 48 are formed separately and independently of the radial air gaps 49, so that the magnetic flux 35 extends at different borrowed points both vertically through the respective axial air gap 48 and through the respective radial air gap 49.
  • the magnetic circuit of a single pole thus has both an axial and a radial air gap, in which both act by the reluctance principle attractive forces.
  • such a bearing device 5 can be made significantly more compact than the known arrangements and, moreover, can also be realized in a simpler manner mechanically.
  • the moment of inertia of the body 2 is also lower.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the arrangement 1 according to FIG. 1.
  • three electromagnets 11 to 14 can be used per bearing 9, 10, which are arranged at 120 ° to each other in the circumferential direction of the shaft 3 .
  • the first end faces 31 to 34 are convex and thus adapted to the round shape of the shaft 3.
  • the second end faces 40 to 43 are flat and flat, as well as the axial end faces of the disc. 6

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung (5) zur berührungslosen Lagerung eines drehbaren Körpers (2), mit einem ersten magnetischen Lager (9, 10) und mit einem zum ersten Lager (9, 10) in axialer Richtung (7) versetzt angeordneten zweiten magnetischen Lager (9, 10), wobei das erste und das zweite Lager (9, 10) jeweils zumindest zwei Magnete (11 bis 4) zur magnetischen Lagerung des drehbaren Körpers (2) aufweisen, welche in Umfangsrichtung verteilt angeordnet und zum Erzeugen einer magnetischen Haltekraft sowohl in radialer Richtung (8) als auch in axialer Richtung (7) auf den drehbaren Körper (2) ausgebildet sind, wobei die Magneten (11 bis 4) jeweils eine in radialer Richtung (8) weisende erste Flussdurchgangsfläche (31 bis 34), über welche die Haltekraft in radialer Richtung (8) erzeugbar ist, und eine von der ersten Flussdurchgangsfläche (31 bis 34) verschiedene, in axialer Richtung (7) weisende zweite Flussdurchgangsfläche (40 bis 43) aufweisen, über welche die Haltekraft in axialer Richtung (7) erzeugbar ist, wobei ein magnetischer Fluss (35) des jeweiligen Magneten (11 bis 14) sowohl durch die erste als auch durch die zweite Flussdurchgangsfläche (31 bis 34, 40 bis 43) verläuft.

Description

Beschreibung
Lagereinrichtung zur berührungslosen Lagerung eines drehbaren Körpers, Anordnung und elektrische Reluktanzmaschine
Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung zur berührungslosen Lagerung eines drehbaren Körpers, mit einem ersten magnetischen Lager und mit einem zum ersten Lager in axialer Richtung versetzt angeordneten zweiten magnetischen Lager, wobei das erste und das zweite Lager jeweils zumindest zwei Magneten zur magnetischen und berührungslosen Lagerung des drehbaren Körpers aufweisen, welche (die Magnete) in Umfangs- richtung verteilt angeordnet und zum Erzeugen einer magnetischen Haltekraft sowohl in radialer Richtung als auch in axi- aler Richtung auf den drehbaren Körper ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung mit einer solchen Lagereinrichtung und mit einem drehbaren Körper, wie auch eine elektrische Reluktanzmaschine. Vorliegend richtet sich das Interesse auf eine berührungslose Lagerung eines Rotors einer Reluktanzmaschine. Berührungslose Lagereinrichtungen sind bereits aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. So sind aktive Magnetlager bereits seit ca. 1930 Stand der Technik und dienen dazu, die Welle eines Rotors bzw. allgemein eines drehbaren Körpers berührungslos zu lagern, indem eine ausreichende Anzahl von Elektromagneten - in Verbindung mit der Lageerfassung des drehbaren Körpers - so angesteuert werden, dass die erzeugten magnetischen Kräfte der Elektromagnete den drehbaren Körper schwebend in der Luft halten. Ein solches System wird in der Regel fortlaufend aktiv geregelt, um eine stabile Position des drehbaren Körpers gewährleisten zu können.
Im Stand der Technik gibt es verschiedenste Möglichkeiten, die Magnete bzw. die Magnetpole relativ zum drehbaren Körper anzuordnen. Eine bekannte Lösung geht dahin, eine heteropolare Polanordnung einzusetzen, um radiale Kräfte auf den drehbaren Körper zu erzeugen. Dies bedeutet, dass in Umfangsrich- tung des drehbaren Körpers die Magnete mit abwechselnder Polung verteilt angeordnet sind. Ein solcher Aufbau ist relativ einfach möglich, und auch die so genannte „Blechung" kann sowohl beim Rotor als auch beim Stator realisiert werden. Wer- den jedoch höhere Drehzahlen angestrebt, wird üblicherweise eine homopolare Polanordnung verwendet, weil dann keine Umkehrung der Magnetfeldrichtung in dem Material des drehbaren Körpers innerhalb einer Umdrehung stattfindet und dadurch insgesamt deutlich weniger Wirbelströme in dem drehbaren Kör- per induziert werden. Einerseits sind somit die magnetischen Verluste auf ein Minimum reduziert; andererseits ist jedoch der Aufbau einer solchen Lagereinrichtung komplexer, die axiale Baulänge bei gleicher Kraft typischerweise größer und die Richtung der Blechung im drehbaren Körper (Rotor) nicht ideal fertigbar.
Unabhängig von der verwendeten Polanordnung weisen die Lagereinrichtungen im Stand der Technik mindestens zwei axial zueinander beabstandet angeordnete magnetische Lager auf, welche auf den drehbaren Körper eine radiale Haltekraft erzeugen, welche den drehbaren Körper in radialer Richtung fixiert. Es können dabei zusätzlich auch axiale Lager eingesetzt werden, welche typischerweise separat zu den genannten mindestens zwei radialen Lagern ausgebildet sind. Diese axia- len Lager sind dann beispielsweise in Form eines Topfmagneten ausgeführt, wobei üblicherweise zwei solche Topfmagnete an den jeweiligen axialen Stirnseiten des drehbaren Körpers verwendet werden. Verwendet man zwei Radiallager mit jeweils drei Magneten sowie zwei solche Topfmagneten, so sind insge- samt acht Magnete vorhanden, welche separat voneinander angesteuert werden müssen. Werden statt drei Magneten vier solche Magnete bei den Radiallagern verwendet, um die Regelung zu vereinfachen, so sind sogar zehn einzeln anzusteuernde Elekt- romagnete erforderlich. Dementsprechend ist die gesamte La- gereinrichtung relativ komplex und groß aufgebaut und beansprucht somit insgesamt relativ viel Bauraum. Um die Anzahl der Magnete zu reduzieren und insbesondere auf die genannten axialen Topfmagnete verzichten zu können, können bei den Radiallagern Magnete eingesetzt werden, die eine Haltekraft erzeugen, welche Kraftkomponenten sowohl in axia- 1er als auch in radialer Richtung aufweist. Hier wird der Luftspalt zwischen dem Rotor und den Magneten schräg zur Drehachse ausgebildet, sodass eine dem Rotor zugewandte Fläche eines Magneten unter einem Winkel größer Null zur Drehachse des Rotors verläuft. Auch der Rotor weist hier einen konischen bzw. schräg verlaufenden Bereich auf, der sich parallel zu der schrägen Fläche des Magneten erstreckt. Der durch diese Fläche des Magneten verlaufende magnetische Fluss bewirkt somit eine Haltekraft, welche eine Kraftkomponente sowohl in axialer als auch in radialer Richtung aufweist. Je nach dem verwendeten Winkel des Luftspalts zur Drehachse wirken die Kräfte dann mehr radial oder mehr axial. Somit ist der Rotor sowohl in axialer als auch in radialer Richtung gehalten, und die Anzahl der verwendeten Magnete ist gegenüber der Ausgestaltung mit den Axiallagern reduziert. Allerdings hat eine solche Lagereinrichtung auch den Nachteil, dass das Trägheitsmoment dieser Anordnung relativ groß ist, weil ein vom Durchmesser her relativ großer Konus auf der Welle erforderlich ist, um eine entsprechend große Wirkfläche zwischen dem Magneten und dem Rotor erreichen zu können. Folglich ist auch die gesamte Lagereinrichtung relativ groß aufgebaut.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Lagereinrichtung der eingangs genannten Gattung im Vergleich zum Stand der Technik mit reduzierter Anzahl der Mag- nete noch kompakter ausgeführt werden kann, sodass auch das Trägheitsmoment reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lagereinrichtung, eine Anordnung sowie eine elektrische Reluktanzmaschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren. Eine lösungsgemäße Lagereinrichtung ist zur berührungslosen Lagerung eines drehbaren Körpers ausgebildet und umfasst ein erstes magnetisches Lager mit zumindest zwei Magneten sowie ein zum ersten Lager axial versetzt angeordnetes zweites magnetisches Lager mit wenigstens zwei Magneten. Die Magneten des ersten Lagers einerseits sowie die Magneten des zweiten Lagers andererseits sind jeweils in Umfangsrichtung verteilt angeordnet und dienen zur magnetischen und berührungslosen Lagerung des drehbaren Körpers. Die Magnete sind außerdem jeweils zur Erzeugung einer magnetischen Haltekraft sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung auf den drehbaren Körper ausgebildet. Dazu weisen die Magnete jeweils eine in radialer Richtung weisende erste Flus sdurchgangsfläche, über welche die Haltekraft in radialer Richtung erzeugt wird, sowie eine von der ersten Flussdurchgangsfläche verschiedene, in axiale Richtung weisende - und somit senkrecht zur ersten Flussdurchgangsfläche angeordnete - zweite Flussdurchgangs- fläche auf, über welche die Haltekraft in axialer Richtung erzeugt wird. Ein magnetischer Fluss des jeweiligen Magneten verläuft dabei sowohl durch die erste als auch durch die zweite Flussdurchgangsfläche, vorzugsweise derart, dass mittels eines einzigen Magnetkreises des jeweiligen Magneten eine Haltekraft sowohl in axialer als auch in radialer Richtung erzeugt wird.
Mit ein und demselben Magneten werden folglich sowohl axiale als auch radiale Kräfte erzeugt, wobei anders als im Stand der Technik der Magnetkreis - also der Verlauf des magnetischen Flusses - eines einzelnen Pols sowohl einen axialen als auch einen radialen Luftspalt hat und somit abschnittsweise axial und abschnittsweise radial verläuft. Folglich ist auch die Bereitstellung einer schrägen Fläche weder an dem drehbaren Körper noch an dem Magneten erforderlich, sodass die gesamte Lagereinrichtung und folglich auch eine elektrische Maschine mit der Lagereinrichtung besonders kompakt und Bauraum sparend ausgeführt werden können. Aufgrund der reduzierten Größe der Lagereinrichtung verringert sich auch das Träg- heitsmoment, was wiederum Vorteile für eine Vielzahl von Anwendungen bietet. Dadurch, dass mit ein und demselben Magneten einerseits Kräfte in radialer Richtung und andererseits auch Kräfte in axialer Richtung erzeugt werden, brauchen kei- ne zusätzlichen Axiallager an den axialen Stirnseiten des drehbaren Körpers und folglich auch keine Topfmagnete eingesetzt zu werden. Folglich ist die gesamte Lagereinrichtung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung besonders kompakt aufgebaut .
Die Lagereinrichtung hat zusätzlich auch den Vorteil, dass durch entsprechende Gestaltung der Luftspalte - also des radialen Luftspalts zwischen dem drehbaren Körper einerseits und der ersten Flussdurchgangsfläche des Magneten anderer- seits sowie auch des axialen Luftspalts zwischen dem drehbaren Körper einerseits und der zweiten Flussdurchgangsfläche des Magneten andererseits - bzw. durch entsprechende Gestaltung des Verhältnisses zwischen diesen beiden Luftspalten in gewissen Grenzen auch das Kraftverhältnis eingestellt werden kann.
Insgesamt kann durch Nutzung einer Anordnung mit mehreren Luftspalten, an denen über das Reluktanzprinzip sowohl axiale als auch radiale Kräfte mit ein und demselben Magneten er- zeugt werden können, die Anzahl der notwendigen Magnete bzw. Pole sowie der Aufwand und der erforderliche Bauraum verringert werden.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Mag- nete jeweils einen - insbesondere aus weichmagnetischem Material gebildeten - Magnetkern aufweisen, welcher zwei miteinander verbundene und einen rechten Winkel miteinander einschließende Kernschenkel aufweist. Eine Stirnfläche eines freien Endes des ersten Kernschenkels kann die oben genannte erste Flussdurchgangsfläche bilden, welche in radialer Richtung zeigt und über welche die Haltekraft in radialer Richtung erzeugt wird. Demgegenüber kann eine Stirnfläche eines freien Endes des zweiten Kernschenkels die oben genannte zweite Flussdurchgangsfläche bilden, durch welche sich der magnetische Fluss in axialer Richtung hindurch erstreckt und über welche somit die Haltekraft in axialer Richtung erzeugt wird. Der magnetische Fluss kann also durch die beiden senk- recht zueinander angeordneten Stirnflächen der beiden Kernschenkel verlaufen. Diese Ausführungsform kann mit geringem technischen Aufwand umgesetzt werden und sorgt außerdem für einen besonders kompakten Aufbau der Lagereinrichtung. Der genannte Magnetkern ist vorzugsweise aus einem weichmagneti- sehen Material bereitgestellt, mittels welchem magnetische Fluss geleitet werden kann.
Die jeweilige erste und somit in radialer Richtung weisende Flussdurchgangsfläche der Magnete kann konvex ausgebildet und somit mit einer radialen Einbuchtung versehen sein, während die jeweilige zweite und in axialer Richtung weisende Flussdurchgangsfläche eben ausgebildet sein kann. Die radialen Flussdurchgangsflächen sind somit an die Form einer Welle des drehbaren Körpers angepasst, und die axialen Flussdurchgangs- flächen sind an die ebene Form einer radialen Scheibe angepasst, welche mit der Welle drehfest verbunden ist.
Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung da her die jeweilige erste Flus sdurchgangsfläche mit einer rad alen Einbuchtung versehen und die jeweilige zweite Flussdurchgangsfläche eben ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Magnete Elektromagnete sind, welche separat voneinander angesteuert werden können. Somit kann die Haltekraft mithilfe einer entsprechenden Steuereinrichtung gesteuert, und insbesondere auch geregelt werden, sodass auch die Lage des drehbaren Körpers entsprechend gesteuert bzw. geregelt werden kann. Zur Regelung kann auch die aktuelle Ist-Lage des drehbaren Körpers erfasst werden.
Die Elektromagnete können jeweils eine elektrische Wicklung aufweisen, welche auf den zweiten Kernschenkel des jeweiligen Magnetkerns gewickelt ist, also auf denjenigen Kernschenkel, welcher sich in axialer Richtung und somit parallel zu einer Drehachse des drehbaren Körpers erstreckt. Insbesondere ist der andere Kernschenkel bei dieser Ausführungsform frei von solchen Wicklungen, sodass ausschließlich der axiale Kern- Schenkel die elektrische Wicklung trägt. Somit kann einerseits die Anzahl der Windungen erhöht und die Kräfte somit optimiert werden; andererseits ist diese Ausgestaltung auch besonders kompakt. Das erste und das zweite Lager weisen bevorzugt jeweils mindestens drei Magnete auf, welche in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Bevorzugt sind die Magnete äguidistant in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Werden also insgesamt drei Magnete pro Lager eingesetzt, so sind diese Magnete vor- zugsweise in 120 °-Abständen zueinander angeordnet. Werden vier solche Magnete eingesetzt, so beträgt der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Magneten vorzugsweise 90°.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung mit einem drehbaren Körper sowie mit einer erfindungsgemäßen Lagereinrichtung, wobei der drehbare Körper eine axiale Welle, welche mit der jeweiligen ersten Flussdurchgangsfläche der Magneten magnetisch zusammenwirkt, und eine sich in radialer Richtung erstreckende, mit der Welle drehfest verbundene Scheibe auf- weist, die mit der jeweiligen zweiten Flussdurchgangsfläche der Magneten magnetisch zusammenwirkt bzw. magnetisch gekoppelt werden kann.
Eine erfindungsgemäße elektrische Reluktanzmaschine weist ei- nen Stator, einen Rotor sowie eine erfindungsgemäße Anordnung auf, wobei der Rotor durch den drehbaren Körper gebildet ist.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Lagereinrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Anordnung sowie für die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar. Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es sei betont, dass das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt und die Erfindung somit nicht auf diese beispielhafte Ausführungsform beschränkt ist.
Es zeigen:
FIG 1 in schematischer Darstellung eine Schnittansicht durch eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
FIG 2 in schematischer und perspektivischer Darstellung die Anordnung gemäß FIG 1.
In FIG 1 ist in schematischer Darstellung eine Schnittansicht bzw. eine Seitenansicht einer Anordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Anordnung 1 umfasst einen drehbaren Körper 2, welcher im Ausführungsbeispiel ein Rotor einer elektrischen Reluktanzmaschine sein kann. Der drehbare Körper 2 hat eine axiale Welle 3, welche um eine Drehachse 4 berührungslos mithilfe einer Lagereinrichtung 5 gelagert ist. Ein Stator der Reluktanzmaschine ist in den Figuren nicht dargestellt.
Neben der Welle 3 hat der drehbare Körper 2 auch eine in radialer Richtung orientierte bzw. sich radial erstreckende Scheibe 6, welche von der Welle 3 radial nach außen absteht. Diese Scheibe 6 ist somit umlaufend ausgebildet, wobei die Welle 3 etwa durch die Mitte der Scheibe 6 und senkrecht zur Scheibe 6 verläuft. Während die axiale Richtung in FIG 1 mit 7 bezeichnet ist, ist die radiale Richtung mit 8 gekennzeichnet.
Zur Lagerung des Körpers 2 weist die Lagereinrichtung 5 zwei magnetische Lager 9, 10 auf, welche in axialer Richtung 7 versetzt zueinander angeordnet sind. Dabei ist das erste Lager 9 auf der einen axialen Seite der Scheibe 6 angeordnet, während das zweite Lager 10 auf der anderen axialen Seite der Scheibe 6 liegt. Die beiden Lager 9, 10 sind magnetische Axial- und Radiallager, über welche der Körper 2 schwebend und berührungslos um die Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Dies bedeutet, dass der Körper 2 keine weiteren Komponenten berührt und ausschließlich über die beiden Lager 9, 10 berührungsfrei gelagert ist. Gegebenenfalls könnten auch weitere Scheiben 6 mit weiteren Lagern verwendet werden.
Jedes Lager 9, 10 weist im Ausführungsbeispiel mindestens drei in Umfangsrichtung (um die Welle 3 herum) verteilt angeordnete Elektromagnete 11, 12 bzw. 13, 14 auf, und in einer Ausführungsform genau drei solche Elektromagnete 11, 12 bzw. 13, 14, von denen in FIG 1 jeweils lediglich zwei Elektromagnete 11, 12 bzw. 13, 14 dargestellt sind.
Die beiden Lager 9, 10 gehören zu einem nicht näher dargestellten Stator der elektrischen Reluktanzmaschine.
Die Elektromagnete 11, 12 des ersten Lagers 9 sind in Um- fangsrichtung in den gleichen Winkelpositionen wie die Elektromagnete 13, 14 des zweiten Lagers 10 angeordnet. Die Elektromagnete 11 bis 14 weisen jeweils einen Magnetkern 15 bis 18 auf, welche einen sich in radialer Richtung erstreckenden ersten (radialen) Kernschenkel 19 bis 22 sowie einen sich in axialer Richtung erstreckenden und somit senk- recht zum radialen Kernschenkel 19 bis 22 verlaufenden und mit diesem radialen Kernschenkel 19 bis 22 verbundenen zweiten (axialen) Kernschenkel 23 bis 26 aufweist. Die beiden Kernschenkel 19 bis 22 und 23 bis 26 schließen also einen rechten Winkel miteinander ein, sodass die Magnetkerne 15 bis 18 90 °-Winkelprofile darstellen. Die beiden Kernschenkel 19 bis 22 und 23 bis 26 sind dabei an ihren jeweiligen Enden miteinander verbunden. Auf der anderen Seite weisen die radialen Kernschenkel 19 bis 22 ein freies Ende 27 bis 30 auf, dessen Stirnfläche 31 bis 34 in radialer Richtung, also in
Richtung zur Welle 3 hin, weist. Diese Stirnflächen 31 bis 34 bilden jeweilige erste Flussdurchgangsflächen der Elektromag- nete 11 bis 14, durch welche ein magnetischer Fluss 35 verläuft. Der Übersicht halber ist der Verlauf des magnetischen Flusses 35 in FIG 1 lediglich bei dem Elektromagneten 13 des zweiten Lagers 10 schematisch dargestellt. Ein entsprechender Verlauf ergibt sich jedoch auch bei den anderen Elektromagneten 11 bis 14. Auch die axialen Kernschenkel 23 bis 26 weisen jeweils ein freies Ende 36 bis 39 auf, dessen Stirnfläche 40 bis 43 in Richtung zur Scheibe 6 und somit in axialer Richtung weist. Diese axialen Stirnflächen 40 bis 43 bilden dabei jeweilige zweite Flussdurchgangsflächen der Elektromagnete 11 bis 14, sodass der jeweilige magnetische Fluss 35 auch über diese Stirnflächen 40 bis 43 verläuft.
Jeder Elektromagnet 11 bis 14 hat außerdem eine Wicklung 44 bis 47, welche auf den jeweiligen zweiten Kernschenkel 23 bis 26 gewickelt ist. Die Elektromagnete 11 bis 14 können dabei separat voneinander angesteuert werden, wobei zu diesem Zwecke beispielsweise eine in den Figuren nicht näher dargestellte Steuereinrichtung bereitgestellt werden kann. Die in FIG 1 schematisch dargestellte Stromrichtung wird vorzugswei- se so gewählt, dass sich eine homopolare Polanordnung ergibt.
Zwischen den Elektromagneten 11 bis 14 einerseits und dem drehbaren Körper 2 andererseits sind also insgesamt jeweils sowohl ein axialer Luftspalt 48 als auch ein radialer Luftspalt 49 ausgebildet. Die jeweiligen axialen Luftspalte 48 sind separat und unabhängig von den radialen Luftspalten 49 ausgebildet, sodass der magnetische Fluss 35 an unterschied- liehen Stellen sowohl senkrecht durch den jeweiligen axialen Luftspalt 48 als auch durch den jeweiligen radialen Luftspalt 49 verläuft. Mit ein und demselben Elektromagneten 11 bis 14 können somit sowohl radiale Haltekräfte als auch axiale Haltekräfte erzeugt werden. Mit anderen Worten wird mittels ei- nes einzigen Magnetpols sowohl eine Haltekraft in axialer
Richtung als auch eine separate Haltekraft in radialer Richtung erzeugt. Der Magnetkreis eines Einzelpols hat also sowohl einen axialen als auch einen radialen Luftspalt, in welchen beiden durch das Reluktanzprinzip anziehende Kräfte wir- ken .
Eine solche Lagereinrichtung 5 kann bei gleichen Kräften gegenüber den bekannten Anordnungen deutlich kompakter ausgeführt und außerdem auch mechanisch einfacher realisiert wer- den. Außerdem ist auch das Trägheitsmoment des Körpers 2 ebenfalls geringer.
FIG 2 zeigt nun eine perspektivische Darstellung der Anordnung 1 gemäß FIG 1. Wie aus FIG 2 hervorgeht, können pro La- ger 9, 10 jeweils drei Elektromagnete 11 bis 14 eingesetzt werden, welche in Umfangsrichtung der Welle 3 um 120° beabstandet zueinander angeordnet sind. Wie außerdem aus FIG 2 hervorgeht, sind die ersten Stirnflächen 31 bis 34 konvex ausgebildet und somit an die runde Form der Welle 3 ange- passt. Demgegenüber sind die zweiten Stirnflächen 40 bis 43 eben und flach, ebenso wie die axialen Stirnseiten der Scheibe 6.

Claims

Patentansprüche
1. Lagereinrichtung (5) zur berührungslosen Lagerung eines drehbaren Körpers (2), mit einem ersten magnetischen Lager (9, 10) und mit einem zum ersten Lager (9, 10) in axialer
Richtung (7) versetzt angeordneten zweiten magnetischen Lager (9, 10), wobei das erste und das zweite Lager (9, 10) jeweils zumindest zwei Magnete (11 bis 14) zur magnetischen Lagerung des drehbaren Körpers (2) aufweisen, welche in Umfangsrich- tung verteilt angeordnet und zum Erzeugen einer magnetischen Haltekraft sowohl in radialer Richtung (8) als auch in axialer Richtung (7) auf den drehbaren Körper (2) ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Magneten (11 bis 14) jeweils eine in radialer Richtung (8) weisende erste Flussdurchgangsfläche (31 bis 34), über welche die Haltekraft in radialer Richtung (8) erzeugbar ist, und eine von der ersten Flus sdurchgangsfläche (31 bis 34) verschiedene, in axialer Richtung (7) weisende zweite Fluss- durchgangsfläche (40 bis 43) aufweisen, über welche die Haltekraft in axialer Richtung (7) erzeugbar ist, wobei ein magnetischer Fluss (35) des jeweiligen Magneten (11 bis 14) sowohl durch die erste als auch durch die zweite Flussdurch- gangsfläche (31 bis 34, 40 bis 43) verläuft.
2. Lagereinrichtung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (11 bis 14) jeweils einen Magnetkern (15 bis 18) aufweisen, welcher zwei miteinander verbundene und einen rechten Winkel miteinander einschließende Kern- Schenkel (19 bis 22, 23 bis 26) aufweist, wobei eine Stirnfläche (31 bis 34) eines freien Endes (27 bis 30) des ersten Kernschenkels (19 bis 22) die erste Flussdurchgangsfläche (31 bis 34) und eine Stirnfläche (40 bis 43) eines freien Endes (36 bis 39) des zweiten Kernschenkels (23 bis 26) die zweite Flussdurchgangsfläche (40 bis 43) bilden, sodass der magnetische Fluss (35) des jeweiligen Magneten (11 bis 14) durch die beiden senkrecht zueinander angeordneten Stirnflächen (31 bis 34, 40 bis 43) verläuft.
3. Lagereinrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige erste Flussdurchgangsfläche (31 bis 34) konvex und die jeweilige zweite Flus sdurchgangs- fläche (40 bis 43) eben ausgebildet sind.
4. Lagereinrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (11 bis 14) Elektromagnete sind, welche separat voneinander ansteuerbar sind.
5. Lagereinrichtung (5) nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete jeweils eine elektrische Wicklung aufweisen, welche auf den zweiten Kernschenkel (23 bis 26) des jeweiligen Magnetkerns (15 bis 18) gewickelt ist .
6. Lagereinrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Lager (9, 10) jeweils mindestens drei Magnete (11 bis 14) aufweisen, welche in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind .
7. Anordnung (1) mit einem drehbaren Körper (2) und mit einer Lagereinrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der drehbare Körper (2) eine axiale Welle (3), welche mit der jeweiligen ersten Flussdurchgangsfläche (31 bis 34) der Magneten (11 bis 14) magnetisch zusammenwirkt, und eine sich in radialer Richtung (8) erstreckende, mit der Welle (3) drehfest verbundene Scheibe (6) aufweist, welche mit der jeweiligen zweiten Flussdurchgangsfläche (40 bis 43) der Magneten (11 bis 14) magnetisch zusammenwirkt.
8. Elektrische Reluktanzmaschine mit einem Stator, mit einem Rotor, und mit einer Anordnung (1) nach Anspruch 7, wobei der
Rotor durch den drehbaren Körper (2) gebildet ist.
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