DE4301076A1 - Magnetlagerzelle mit Rotor und Stator - Google Patents

Magnetlagerzelle mit Rotor und Stator

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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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