DE4301076A1 - Magnetlagerzelle mit Rotor und Stator - Google Patents
Magnetlagerzelle mit Rotor und StatorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine rotationssymmetrisch aufge
baute Magnetlagerzelle mit einem Rotor, der um die zentrale Achse
der Zelle drehbar angeordnet ist und der eine Welle sowie minde
stens zwei auf der Welle mit axialem Abstand befestigte, axial
magnetisierte Permanentmagnetringe aufweist, sowie mit einem
Stator, der Polbauteile und zwei Ringspulen aufweist, die dem
Rotor jeweils stirnseitig zugeordnet sind, wobei die Rotor- und
Statorbauteile derart zueinander angeordnet sind, daß die Perma
nentmagneten einen die zentrale Achse torrodial umgebenden, die
Ringspulen einschließenden Magnetfluß erzeugen.
Aus der DE-C 34 09 047 ist eine Magnetlagerzelle mit diesen
Merkmalen bekannt. Ihr Rotor weist zwei axial magnetisierte
Permanentmagnetringe auf, die den die zentrale Achse torrodial
umgebenden, die Ringspulen einschließenden Magnetfluß erzeugen.
Der Magnetfluß durchsetzt die axial hintereinander angeordneten
Permanentmagnetringe des Rotors sowie die äußeren Polbauteile, so
daß eine hohe Radialsteifigkeit erzielt wird. In axialer Richtung
ist das Lager instabil und benötigt deshalb in Bezug auf diese
Richtung eine aktive Regelung. Dazu sind die dem Rotor jeweils
stirnseitig zugeordneten Ringspulen vorhanden. Jede dieser
Ringspulen erzeugt ebenfalls einen die zentrale Achse umgebenden
torrodialen Magnetfluß, der sich dem von den Permanentmagnet
ringen erzeugten Magnetfluß überlagert. Die Regelung ist vor
zugsweise derart gewählt, daß die Ringspulen stromlos sind, wenn
der Rotor seine Sollage hat. Weicht der Rotor in axialer Richtung
von seiner Sollage ab, dann werden die Ringspulen mit Strom
versorgt. Die Stromstärke und die Stromrichtung hängen von der
Größe und von der Richtung der Abweichung ab. Der von den Rings
pulen erzeugte, torrodiale Magnetfluß ist je nach Stromrichtung
dem von den Permanentmagnetringen erzeugten Magnetfluß entweder
gleich- oder entgegengesetztgerichtet.
Um die Radialsteifigkeit eines Magnetlagers der beschriebenen Art
zu verbessern, wurde vorgeschlagen, die Anzahl der Permanentma
gnetringe des Rotors zu erhöhen und zusätzlich mindestens einen
Stator-Permanentmagnetring, ebenfalls axial magnetisiert, vorzu
sehen (vgl. DE-A 41 06 063). Diese Maßnahmen verstärken den von
den Permanentmagneten erzeugten Magnetfluß, vergrößern also die
axialen Kräfte und bewirken damit die gewünschte Verbesserung der
Radialsteifigkeit. Um ihre Regelaufgaben erfüllen zu können,
müssen die Ringspulen in der Lage sein, Regelflüsse zu erzeugen,
die die erhöhten Axialkräfte kompensieren. Dieses setzt eine
Vergrößerung des Querschnittes der Ringspulen sowie eine Vergrö
ßerung des Aufwandes für die Spulenstromerzeugung und -regelung
voraus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Magnetlagerzelle der eingangs erwähnten Art derart zu gestalten,
daß trotz einer Verbesserung der Radialsteifigkeit durch Erhöhung
der Anzahl der Permanentmagnetringe ein erhöhter Aufwand für die
aktive Regelung nicht erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß den beiden
jeweils axial außen gelegenen Permanentmagnetringen in ihren
peripheren Bereichen Polbauteile aus magnetisch gutleitendem
Material zugeordnet sind, die eine Bündelung des von den Ring
spulen erzeugten Magnetflusses zu zwei im wesentlichen unabhän
gigen Magnetflußkreisen bewirken.
Die vorgeschlagenen Maßnahmen begünstigen die Ausbildung von
unmittelbar den Ringspulen zugeordneten Regelflüssen. Sie bewir
ken, daß die von den beiden Ringspulen erzeugten, im wesentlichen
voneinander unabhängigen Magnetflüsse nur die die Ringspulen
jeweils umgebenden Polbauteile, einen Teil des benachbarten
Permanentmagnetringes sowie jeweils einen axialen und einen
peripheren Spalt zwischen Rotor und Stator durchsetzen. Große
Widerstände sind deshalb in diesen Magnetflußkreisen nicht
vorhanden. Die maßgeblich zur axialen Regelung des Magnetfeldes
beitragenden Magnetflüsse müssen nicht mehr die weiteren noch
vorhandenen Bauteile (Permanentmagneten, Dämpfungsscheiben) und
Spalte durchsetzen. Der für die Ringspulen notwendige Aufwand - Bau
größe, Stromversorgung - hängt deshalb nicht mehr von der
Anzahl der vorhandenen Permanentmagnetringe ab.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von
in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 eine Magnetlagerzelle mit zwei Permanentmagnetringen
und
Fig. 2 eine Magnetlagerzelle mit vier Permanentmagnetringen.
Die in der Figur dargestellte Magnetlagerzelle 1 umfaßt den Rotor
2 und den Stator 3.
Bestandteile des Rotors 2 sind die Welle 4 und die auf der Welle
4 befestigten Permanentmagnetringe 5 und 6. Zur Befestigung der
Permanentmagnetringe 5, 6 auf der Welle 4 sind innere Nabenringe
8, 9 vorgesehen. Der von den Permanentmagnetringen 5, 6 erzeugte,
die zentrale Achse 10 torrodial umgebende Magnetfluß ist mit dem
Pfeil 11 angedeutet.
Der Stator 3 umfaßt rotationssymmetrisch zur zentralen Achse 10
gestaltete Polbauteile 12, 13, deren gemeinsamer Querschnitt im
wesentlichen C-förmig ist. Im stirnseitigen Bereich des C befin
den sich die Ringspulen 14, 15. Die inneren Abschnitte 16, 17
bilden den Permanentmagnetringen 5, 6 des Rotors 2 zugewandte
Polflächen 18, 19. Zur Steuerung des Stromdurchganges durch die
Ringspulen 14, 15 sind ein Sensorsystem 21 sowie ein als Block
dargestellter elektronischer Regler 22 vorgesehen.
In den Spalt 23 zwischen den Permanentmagnetringen 5 und 6 greift
die Ringscheibe 24 ein, die aus nicht magnetisierbarem Material
hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer besteht.
Die Ringscheibe 24 weist peripher einen zylindrischen Abschnitt
25 auf, der den Bauteilen 12, 13 von innen anliegt. Bei im
wesentlichen axial gerichteten Relativbewegungen werden in der
Ringscheibe 24 und auch im zylindrischen Abschnitt 25 Wirbel
ströme erzeugt, die die gewünschte dämpfende Wirkung haben. Der
zylindrische Abschnitt 25 hat Zentrierfunktion und erleichtert
darüberhinaus die Abfuhr der durch die Wirbelströme entstehenden
Wärme.
Den Permanentmagnetringen 5, 6 sind peripher weitere Statorbau
teile 26, 27 zugeordnet, die als die Permanentmagnetringe 5, 6
umgebende Statorringe ausgebildet sind. Sie bestehen aus magne
tisch gut leitendem Werkstoff und bewirken, daß die Ringspulen
14, 15 - im Gegensatz zum Magnetflußkreis 11, erzeugt von den
Permanentmagnetringen 5, 6 - zwei Magnetflußkreise 28, 29 erzeu
gen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind drei rotierende, axial
magnetisierte Permanentmagnetringe 5, 6 und 30 vorgesehen. In den
Spalt 31 zwischen den Permanentmagnetringen 6 und 30 ragt eine
Ringscheibe 32 hinein, die einen weiteren, ruhenden Permanentma
gnetring 33 trägt. Die radialen Abmessungen dieses Stator-Perma
nentmagnetringes 33 entsprechen den Abmessungen der Rotorperma
nentmagnetringe 6 und 30. Im übrigen besteht die Scheibe 32 aus
nicht magnetisierbarem Material (z. B. Edelstahl) und weist
ebenfalls peripher den zylindrischen Abschnitt 34 auf, der dem
Bauteil 13 zum Zwecke der Zentrierung von innen anliegt. Hat das
Material zusätzlich eine hohe elektrische Leitfähigkeit, dann
trägt es zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften bei.
Die Magnetringe 5, 6, 30, 33 sind derart in axialer Richtung
magnetisiert, daß sie einander anziehende Kräfte ausüben. Zusam
men mit den Polbauteilen 12, 13, 16, 17 bilden sie einen Magnet
kreis (Pfeil 11), der für die radiale Steifigkeit maßgebend ist.
Äußere Armierungsringe 35, 36, 37 umfassen die rotierenden
Permanentmagnetringe und schützen sie vor einer Zerstörung bei
der Einwirkung der relativ hohen Fliehkräfte während der Rotati
on.
Den äußeren Permanentmagnetringen 5 und 30 sind peripher die
Statorringe 26, 27 zugeordnet, welche die gewünschte Aufteilung
der von den Ringspulen 15, 16 erzeugten Magnetfelder in zwei
separate Magnetflüsse (Pfeile 28, 29) bewirken. Sind in den
Bereichen der Statorringe 28, 29 Tellerfedern 38 oder Tellerfe
derpakete erforderlich, um die verschiedenen Ringbauteile 25, 26,
27, 34 gegenseitig zu verspannen, dann ist es zweckmäßig, Tel
lerfedern aus magnetisch gut leitendem Werkstoff vorzusehen.
Diese können einen Statorring 28 oder 29 ersetzen oder zusätzlich
vorhanden sein.
Claims (4)
1. Rotationssymmetrisch aufgebaute Magnetlagerzelle (1) mit
einem
- - Rotor (2), der um die zentrale Achse (10) der Zelle (1) drehbar angeordnet ist und der eine Welle (4) sowie mindestens zwei auf der Welle mit axialem Abstand befe stigte, axial magnetisierte Permanentmagnetringe (5, 6, 30) aufweist, sowie mit einem
- - Stator (3), der Polbauteile (12, 13, 16, 17) und zwei Ringspulen (14, 15) aufweist, die dem Rotor jeweils stirnseitig zugeordnet sind,
wobei die Rotor- und Statorbauteile derart zueinander ange
ordnet sind, daß die Permanentmagneten (5, 6, 30) einen die
zentrale Achse (10) torrodial umgebenden, die Ringspulen
(14, 15) einschließenden Magnetfluß (11) erzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
daß den beiden jeweils axial außen gelegenen Permanentma
gnetringen (5, 6 bzw. 5, 30) in ihren peripheren Bereichen
Polbauteile (26, 27, 38) aus magnetisch gut leitendem
Material zugeordnet sind, die eine Bündelung des von den
Ringspulen (14, 15) erzeugten Magnetflusses zu zwei im
wesentlichen unabhängigen Magnetflußkreisen (28, 29) bewir
ken.
2. Magnetlagerzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Permanentmagnetringe (5, 6 bzw. 5, 30) von Stator
ringen (26, 27) unmittelbar umgeben sind.
3. Magnetlagerzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß zusätzlich oder anstelle eines Statorringes
(26, 27) eine oder mehrere Tellerfedern (38) aus magnetisch
gut leitendem Werkstoff vorhanden sind.
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