WO1997019273A2

WO1997019273A2 - Magnetisches lager

Info

Publication number: WO1997019273A2
Application number: PCT/DE1996/002229
Authority: WO
Inventors: Johan K. Fremerey; Stephan Polachowski; Heinrich Reiff
Original assignee: Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 1997-05-29
Also published as: DE19543745C2; EP0862700B1; EP0862700A2; PT862700E; ES2142108T3; DE59603998D1; JP2000500554A; JP3983808B2; ATE188021T1; US6118200A; GR3032982T3; WO1997019273A3; DE19543745A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Lager zur berührungslosen Abstützung eines beweglichen, vorzugsweise rotierenden Körpers, nachfolgend Rotor (1) genannt, gegenüber einem Feststehenden Teil, nachfolgend Stator (8) genannt, mit mindestens einem Lagerspalt (4) zwischen Rotor (1) und Stator (8) an welchem sich magnetische Bereiche von Rotor und Stator, entsprechend als Rotor-bzw. Statormagnet (3, 5) bezeichnet, in geringem Abstand gegenüberstehen. Der Statormagnet (5) am Stator ist im wesentlichen in einer Ebene frei schwingbar, die parallel zu sich am Lagerspalt (4) gegenüberstehenden Magnetflächen von Rotor- und Statormagnet (3, 5) ausgerichtet ist, befestigt. Dabei ist zwischen Stator und Statormagnet zur Dämpfung der Schwingungsbewegung des Statormagneten eine mechanische Reibvorrichtung angeordnet.

Description

B e s c h r e i b u n g

Magnetisches Lager

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Lager zur be¬ rührungslosen Abstützung eines beweglichen, vorzugs¬ weise rotierenden Körpers gegenüber einem feststehenden Teil. Im folgenden wird der bewegliche Körper "Rotor", der feststehende Teil "Stator" genannt. Rotor und Sta¬ tor weisen magnetische Bereiche auf, entsprechend Ro¬ tor- bzw. Statormagnet bezeichnet, die an mindestens einem Lagerspalt des magnetischen Lagers sich in gerin- gem Abstand gegenüberstehen. Der Statormagnet ist am Stator derart befestigt, daß er relativ zum Stator im wesentlichen in einer Ebene, die parallel zu sich am Lagerspalt gegenüberliegenden Magnetflächen von Rotor- und Statormagnet ausgerichtet ist, frei schwingen kann.

Magnetische Lager dieser Art sind bekannt. In einer von McHattie beschriebenen magnetischen Lagerung, s.Review of Scientific Instruments, vol.12, S.429/435, 1941, mit der kleine schnell rotorierende Stahlzylinder berüh- rungslos gelagert werden und die mit einer axial akti¬ ven elektromagnetischen Stabilisierung ausgerüstet sind, werden radiale Schwingungen des gelagerten Rotors durch beruhrungslose magnetische Ankopplung auf eine radial beweglich montierte Nadel übertragen und durch Einbettung der Nadel m 01 gedampft Eine Oldampfung wird auch von J.W.Beams m "Double Magnetic Suspen¬ sion", Review of Scientific Instruments, vol. 34, S.1071/1074, 1963, angegeben.

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-cm o illu ux c <_- -_. -. wi derliche Kapselung des beweglich montierten Statorteils zur Vermeidung von Ölverlusten sowie das durch die Kap¬ selung notwendige zusätzliche Bauvolumen der Vorrich¬ tung und die dadurch bedingten relativ hohen Ferti¬ gungskosten. Als Bestandteil von massengefertigten Ma- gnetlagersystemen, die m unmittelbarer Konkurrenz zu kostenoptimierten wälzgelagerten Systemen treten sol¬ len, insbesondere beim Einsatz solcher Lager für Tex- tilspmdeln und -Zentrifugen, erscheint der Oldampfer allein wegen seines Fertigungsaufwandes ungunstig. Fer- ner entsprechen die Eigenschaften eines Oldampfers auf¬ grund der Umwälzung eines Teils der Olmasse nur bedingt den Eigenschaften eines idealen Schwingungsdampfers mit Geschwindigkeits proportionaler Dampfkraft, denn durch die Olumwälzung werden neben der reinen Dämpfkraft auch Massen-Beschleunigungskrafte wirksam.

Aufgabe der Erfindung ist die Ausstattung eines magne¬ tischen Lagers mit einem Dampfsystem, das zu einem ge¬ ringen Bauvolumen fuhrt und bei dem daε Umwälzen und Mitbewegen erheblicher Massen bei der Dämpfung weitge¬ hend reduziert werden kann. Darüber hinaus soll das ma¬ gnetische Lager auch kostengünstig herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem magnetischen Lager der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 oder im Patentanspruch 2 angegebenen Merkmale gelöst. Danach ist zur Dämpfung der Schwingungsbewegung des Ctαtermαgnctcn, der in einer Ebene parallel zu den Ma- gnetflachen des Rotor- und Statormagneten schwingt, ei¬ ne mechanische Reibvorrichtung vorgesehen. Die Reibvor¬ richtung weist bevorzugt zwei kraftschlüssig miteinan¬ der in Berührung stehende Berührungsflächen auf, deren Flächennormalen senkrecht zur Schwingungsebene des Sta- tormagneten orientiert sind, Patentanspruch 3. Bei ei¬ ner Auslenkung des Statormagneten gleiten diese Berüh¬ rungsflächen aufeinander und dämpfen die freie Schwin¬ gungsbewegung des Statormagneten um so mehr, je stärker die Reibkraft zwischen den Berührungsflächen einge- stellt ist, die das Aufeinandergleiten der Berührungs¬ flächen bestimmt.

Vorteilhaft ist es, eine der beiden Berührungsflächen mit einer glatten Oberfläche, die andere Berührungsflä- ehe mit einer rauhen Oberfläche auszustatten, Patentan¬ spruch 4. Die glatte Oberfläche kann von festem, insbe¬ sondere metallischem Material ausgebildet sein, die rauhe Oberfläche vorzugsweise aus Gewebe, Filz oder an- deren aus Fasern aufgebautem nachgiebigen Material be¬ stehen.

Zum Zwecke der Einstellung eines für den jeweiligen An- wendungsfall optimierbaren Dämpfungsgrades ist die Reibkraft zwischen den Berührungsflächen regulierbar, Patentanspruch 5. Hierzu läßt sich insbesondere die An¬ druckkraft zwischen den Berührungsflächen variieren.

Nach Patentanspruch 6 ist es vorgesehen, die rauhe

Oberfläche mit dem Statormagneten zu verbinden, und zur Ausbildung der glatten Oberfläche eine ortsfest am Sta¬ tor befestigte mechanische Feder zu verwenden, die sich im wesentlichen in Richtung der Flächennormalen der Be- rührungsflache federnd bewegt. Je größer der von der

Feder auf die glatte Oberfläche ausgeübte Druck ist, um so höher ist die Andruckkraft zwischen den Berührungs¬ flächen. Da mit der Andruckkraft auch die Reibkraft steigt, erhöht sich mit steigendem Federdruck die er- reichte Dämpfung der Bewegung des Statormagneten. Bei einstellbarer Vorspannung der Feder ist die Reibkraft und somit die Dämpfung anpaßbar, Patentanspruch 7.

Zweckmäßig ist in einfachster Weise zur Einstellung des Druckes zwischen den Berührungsflächen eine Blattfeder eingesetzt, Patentanspruch 8. Nach Patentanspruch 9 läßt εich die Vorspannung der Blattfeder durch entspre¬ chenden Druck auf das federnde Ende der Blattfeder er¬ zeugen. Die Erfindung und weitere Ausbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung sche¬ matisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher er- läutert .

In der Zeichnung ist ein Längsschnitt eines rotations- symetrischen magnetischen Lagers dargestellt. Ein

U_H _..! ; _v .]..: „,.1, _,, „_,„1.. -^• 1 _η „ i. „ ,, rt —-- „-. - __ -^• «. , .„ 1, „v *- -, ... geordneter Rotationsachse 2 ist an seinem oberen Ende mit einem ringförmigen, im Ausführungsbeispiel perma¬ nentmagnetischem Rotormagnet 3 versehen. Der Rotorma¬ gnet 3 ist an einem horizontal verlaufenden Lagerspalt

4 in engem Abstand einem Statormagneten 5 gegenüber an- geordnet, der ebenfalls ringförmig ausgebildet ist und die gleichen Abmessungen wie der Rotormagnet 3 auf¬ weist . Im Ausführungsbeispiel besteht der Statormagnet

5 aus permanentmagnetischem Material. Durch die anzie¬ hende magnetische Kraftwirkung zwischen Rotormagnet 3 und Statormagnet 5 wird die Gewichtskraft des Rotors 1 weitgehend kompensiert, in der schematischen Zeichnung ist eine zusätzlich erforderliche leichte Abstützung des Rotors nicht dargestellt.

Der Statormagnet 5 ist an einer Plattform 6 angebracht, die auf biegeelastischen Stützen 7 am ortsfesten Stator 8 in vertikaler Richtung starr, in horizontaler Ebene dagegen nachgiebig schwingbar montiert ist. Für die biegeelastischen Stützen 7 werden im Ausführungsbei- spiel am Stator 8 einseitig eingespannte Metallstifte verwendet, deren dem Einspannende entgegengesetzes Ende die Plattform 6 trägt, so daß die Plattform bei einer Bewegung in horizontale Ebene frei ausschwingen kann. Dabei werden die Metallstifte federnd ausgelenkt, in der Zeichnung ist die Bewegung der Stütze 7 als Biege¬ linie 9 schematisch markiert.

Die FxάLtf-jj_"iiι 6 ist mit ufei Stützen 7 am Stator 8 ab- gestützt, im in der Zeichnung dargestellten Längs¬ schnitt des magnetischen Lagers ist eine dieser Stützen wiedergegeben. Die die Stützen bildenden Metallstifte sind radial zur Stiftachse in allen Richtungen federn beweglich, so daß die Plattform 6 in horizontaler Ebe- ne, die parallel zu den Magnetflächen von Rotor- und

Statormagneten am horizontalen Lagerspalt 4 ausgerich¬ tet ist, in jeder Richtung frei schwingen kann.

Die Plattform 6 trägt auf ihrer dem Statormagneten 5 abgewandten Fläche Filzscheiben 10. Im Ausführungsbei¬ spiel sind drei solcher Filzscheiben auf der Oberseite der Plattform 6 aufgeklebt, im in der Zeichnung darge¬ stellten Längsschnitt des magnetischen Lagers ist nur eine dieser Filzscheiben sichtbar. Die Filzscheiben 10 berühren jeweils eine glatte Fläche einer Feder, im

Ausführungsbeispiel die Fläche einer der breiten Seiten einer Blattfeder 11. Die Berührungsflächen von Filz¬ scheiben und zugehörigen Blattfedern weisen Flächennor¬ malen auf, die senkrecht zur horizontalen Schwingsebene des Statormagneten 5 orientiert sind. Die Blattfedern

11 sind am Stator 8 derart befestigt, daß sie mit ihren freien federnden Enden in Richtung der

Rotationsachse 2 auf die Filzscheiben drücken und den Berührungsdruck zwischen glatter Oberfläche der Blatt¬ federn und rauher Oberfläche der Filzscheiben bestim¬ men. Im Ausfuhrungsbeispiel ist zur Verstärkung des Fe-

ring 12 aufgelegt, dessen Gewicht zur Einstellung und Anpassung des Berührungsdruckes an die im Einzelfall benötigte Dämpfkraft variierbar ist. Die Reibkraft zwi¬ schen den Berührungsflächen läßt sich so regulieren.

Ein derart ausgebildetes magnetisches Lager ist in ach¬ sialer Richtung infolge des im Lagerspalt 4 wirkenden permanentmagnetischen Feldes im wesentlichen stabil. Radiale Schwingungen des Rotors während seiner Rotation werden durch mechanische Reibung aufgefangen. So wird bei einer radialen Auslenkung des Rotors 1 relativ zu seiner Rotationsachse 2 wegen der magnetischen Kopplung zwischen dem Rotormagneten 3 und dem Statormagneten 5 die Plattform 6 in horizontaler Ebene des Lagerspalts 4 bewegt . Radiale Schwingungen des Rotors 1 übertragen sich auf die Plattform 6. Bei einer solchen Bewegung der Plattform 6 verschieben sich auch die Filzscheiben 10 gegenüber den glatten Flächen der Blattfedern 11, je nach Berührungsdruck zwischen den Filzscheiben 10 und den Blattfedern 11 werden die gleitenden Bewegungen je- doch gebremst und somit die Schwingungen des Rotors 1 gedämpft .

Das Bauvolumen der als Dämpfvorrichtung wirkenden Reibvorrichtung, die aus den Lagerteilen Plattform 6, Filzscheiben 10 und Blattfedern 11 mit gegebenenfalls aufgelegtem Metallring 12 besteht, ist entsprechend ge¬ ring. Durch Erzeugung des Berührungsdrucks mittels der Feder, der im .Yucführungsbeicpicl durch Vorgabe des Gc wichts des Metallrings 12 auch variierbar ist, und den geringen Aufwand für die die Dämpfung bewirkenden Tei¬ le, Filzscheiben 10 und Blattfedern 11, ist die Reibvorrichtung, wie sie im Ausführungsbeispiel wieder gegeben ist, besonders kostengünstig herstellbar. Die Masse der Teile der Reibvorrichtung ist gegenüber der wirksamen Dämpfkraft im Verhältnis zu bisher bekannten Öldämpfern vernachlässigbar klein.

Bezugszeichenliste

Rotor 1

Rotationsachse 2

Rotormagnet 3

Lagerspalt 4 r

Plattform 6

Stützen 7

Stator 8

Biegelime 9

Filzscheiben 10

Blattfeder 11

Metallring 12

Claims

Patentansprüche

1. Magnetisches Lager zur berührungslosen Abstützung eines beweglichen, vorzugsweise rotierenden Kör¬ pers, nachfolgend Rotor (1) genannt, gegenüber ci nem feststehenden Teil, nachfolgend Stator (8) ge- nannt, mit mindestens einem Lagerspalt (4) zwischen Rotor und Stator, an welchem sich magnetische Be¬ reiche von Rotor und Stator, entsprechend als Ro¬ tor- bzw. Statormagnet (3,5) bezeichnet, in gerin¬ gem Abstand gegenüberstehen, wobei der Statormagnet am Stator im wesentlichen in einer Ebene frei schwingbar befestigt ist, die parallel zu sich am Lagerspalt (4) gegenüberstehenden Magnetflächen von Rotor- und Statormagnet (3,5) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen Stator (8) und Statormagnet (5) zur Dämpfung der Schwingsbewegung des Statormagneten eine mechani¬ sche Reibvorrichtung (6,10,11) angeordnet ist.

2. Magnetisches Lager zur berührungslosen Abstützung eines beweglichen, vorzugsweise rotierenden Kör¬ pers, nachfolgend Rotor (1) genannt, mit mindestens einem Lagerspalt (4) zwischen Rotor und Stator (8) , an welchem sich magnetische Bereiche von Rotor und Stator, entsprechend als Rotor- bzw Statormagnet (3,5) bezeichnet, in geringem Abstand gegenüberste¬ hen, wobei

der Statormagnet (5) am Stator (8) mittels einer biegeelastischen Stütze (7) abgestützt ist, die normal zum Lagerspalt (4) starr, in einer parallel ZUIÜ LageiopaxL vcixäuxciiQcü Scxiwlugebene iictCiigiebig federnd montiert ist,

Statormagnet (5) und Stator (8) kraftschlüssig mit¬ einander in Berührung stehende Berührungsflächen mit senkrecht zur Schwingebene orientierten Flä- chennormalen aufweisen, und

als Reibkraft der Druck zwischen den Berührungsflä¬ chen mittels einstellbarer Federkraft regulierbar iεt .

3. Magnetisches Lager nach Anspruch 1 oder 2, da¬ durch gekennzeichnet , daß die mechani- sehe Reibvorrichtung (6,10,11) zwei kraftschlüssig miteinander in Berührung stehende Berührungsflächen (10,11) aufweist, deren Flächennormalen senkrecht zur Schwingungsebene des Statormagneten (5) orien¬ tiert sind.

4. Magnetisches Lager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine der Berührungsflä¬ chen mit einer glatten Oberfläche (11) , die andere mit einer rauhen Oberfläche (10) ausgestattet ist.

5. Magnetisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , da. die Reibkraft zwischen den Berührungsflächen

(10,11) mit der Reibvorrichtung einstellbar ist.

6. Magnetisches Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die rauhe Oberfläche mit dem Statormagneten (5) fest verbunden ist, und die glatte Oberfläche von einer ortsfest am Stator

(8) befestigten Feder (11) ausgebildet ist, die sich im wesentlichen in Richtung der Flächennorma- len der Berührungsfläche nachgiebig federnd bewegt

7. Magnetisches Lager nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Reibkraft durch einstellbare Vorspannung der Feder (11) regulierbar ist.

8. Magnetisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß eine Blattfeder (11) eingesetzt ist.

9. Magnetisches Lager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspannung der Blattfeder (11) durch Druck auf deren federndes

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