WO2002027204A1 - Magnetlager - Google Patents

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WO2002027204A1
WO2002027204A1 PCT/DE2001/003539 DE0103539W WO0227204A1 WO 2002027204 A1 WO2002027204 A1 WO 2002027204A1 DE 0103539 W DE0103539 W DE 0103539W WO 0227204 A1 WO0227204 A1 WO 0227204A1
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radial
magnetic bearing
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permanent magnet
magnetic
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Günter RIES
Florian Steinmeyer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08Structural association with bearings
    • H02K7/09Structural association with bearings with magnetic bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/0408Passive magnetic bearings
    • F16C32/0436Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO

Definitions

  • the invention relates to a magnetic bearing.
  • Magnetic bearings allow contactless and wear-free storage of moving parts. They therefore do not require any lubricants and can be designed with low friction.
  • So-called active magnetic bearings with electromagnets require active position control, which controls the currents of the support magnets via position sensors and a control circuit and counteracts deviations of the rotor body from its target position.
  • So-called passive magnetic bearings stabilize their position automatically, so that no active position control is necessary.
  • Passive magnetic bearings are also known, in which only one of the bearing parts is formed with permanent magnetic elements and the other bearing part comprises a superconductor.
  • the permanent magnetic elements induce shielding currents when the position changes as a result of field changes in the superconductor.
  • the resulting forces can be repulsive or attractive, but are always directed in such a way that they counteract the deflection from the desired position.
  • Inherently stable storage can thus be achieved and complex and fault-prone regulation is eliminated.
  • cooling of the superconductor material is required.
  • Magnetic bearings with superconductors are described, for example, in US Pat. No. 5,196,748 A and EP 0 322 693 A.
  • This Known magnetic bearing u includes a first bearing part, which is connected to a rotor shaft, and a second bearing part, which is arranged on a stator and surrounds the first bearing part.
  • One of the two bearing parts has the high-temperature superconductor.
  • the other bearing part comprises an arrangement of permanent magnetic elements arranged next to one another. The magnetization of adjacent permanent magnetic elements is opposite to each other. The spaces between each two permanent magnetic elements are filled with ferromagnetic material to concentrate the magnetic flux emerging from the permanent magnetic elements on the side facing the other bearing part. This gives a high degree of bearing rigidity (stability).
  • the permanent magnets are provided in a hollow cylindrical arrangement on the inner bearing part and the superconductor is arranged as a hollow cylindrical structure on the inside of a hollow cylindrical carrier body of the outer bearing part. Cooling channels for the passage of liquid nitrogen for cooling the superconductor are formed in the carrier body.
  • the high-temperature superconductor is arranged on the inner bearing part on the rotor shaft, a cooling channel for the liquid nitrogen being provided in the rotor shaft for cooling the high-temperature superconductor.
  • the permanent magnetic elements with the ferromagnetic intermediate elements can be arranged axially to the rotor shaft one behind the other in the form of thin rings or can also be axially elongated and arranged one behind the other in the circumferential direction, each with alternating magnetizations.
  • DE 44 36 831 C2 proposes a material with an energy product (W * H) max of at least 20 MGOe as permanent magnetic material, in particular a neodymium (Nd) iron (Fe) boron (B) alloy or a samarium ( Sm) cobalt (Co) alloy.
  • the permanent magnetic material can also be cooled to increase its coercive field strength.
  • the permanent magnetic materials used in the known magnetic bearings to achieve the high magnetic fields are themselves exposed to considerable forces due to the high magnetic fields. If the permanent magnets are arranged on the rotating bearing part, centrifugal forces (centrifugal forces) also act on the permanent magnets.
  • a magnetic bearing is now known from EP 0 728 956 A1 with a superconductor on the stator and a permanent magnet arrangement on the rotor and a bearing gap between the superconductor and the permanent magnets.
  • the permanent magnets are ring-shaped and arranged concentrically to the axis of rotation of the rotor. Between the individual ring-shaped permanent magnets, ring-shaped, soft-magnetic flux guiding elements are provided.
  • the ring-shaped permanent magnets are formed from a magnetic sintered material with a high energy product, in particular a samarium-cobalt or a neodymium-iron-boron magnet material.
  • a reinforcing ring made of glass fiber or plastic fiber reinforced plastic is now arranged around the outermost ring of the magnet arrangement, which reinforces the arrangement of the annular permanent magnets radially under a radial pressure.
  • EP 0 413 851 AI discloses a bearing ring for magnetic bearings for use in magnetically supported vacuum pumps with ⁇ Cü tV) N> H- 1 i- * c ⁇ o ⁇ O c ⁇ o C ⁇
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  • the radial holding device bears positively and / or non-positively on the permanent magnet at least in a partial area, so that in particular gaps are avoided and the permanent magnet is mechanically held together and thereby stabilized.
  • the radial holding device can be formed at least partially with a flexible (flexible) material and can then be easily adapted to differently designed permanent magnets and bearing parts. At least one holding element of the radial holding device is preferably designed in the form of a band and generally has its broad side facing the permanent magnet.
  • the radial holding device can also be formed at least partially with a dimensionally stable (rigid) material.
  • the material of the radial holding device is generally mechanically stable, tensile and tear-resistant and preferably non-magnetic in order to weaken the bearing load as little as possible or not at all.
  • Preferred materials for the radial holding device are fiber materials or fiber composite materials.
  • plastics (polymer materials) reinforced with carbon fiber or glass fiber or mineral fiber, fiber fabrics, fiber fabrics, fiber fabrics or pressed fiber materials can be considered.
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  • sizable material such. B. from a special steel.
  • the stack of permanent magnetic elements can, however, also be applied to a tubular carrier body made of non-magnetic material, which in turn encloses a possibly even ferromagnetic shaft part.
  • the wall thickness of this carrier body which then represents a hollow cylindrical edge region of the shaft 4, should be at least half the axial thickness of the magnetic poles, ie (dl + d2) / 2.
  • the entire Rotorwel- le 4 from the non-magnetic material In General "However, the entire Rotorwel- le 4 from the non-magnetic material.
  • the outer contour of the ferromagnetic elements 8a to 8g and, if appropriate, that of the permanent magnetic elements ⁇ a to ⁇ f is after the stacking and, for example, caused by an adhesive technique, fixing, for example by
  • the ferromagnetic material of the elements 8a to 8g makes the magnetic field rotationally symmetrical, at the same time compensating for inhomogeneities in the field of the permanent magnetic elements 6a to 6f.
  • the radial extension a of the annular-disc-shaped permanent magnetic elements 6a to 6f should advantageously be at least twice their thickness dl in the axial direction.
  • the axial thickness d2 of each of the ferromagnetic elements 8a to 8g is advantageously chosen to be smaller than the axial thickness dl of the permanent magnetic elements 6a to 6f; for example, the thickness d2 is one to two tenths of the thickness dl.
  • the inner bearing part 5 is surrounded by a bearing gap 10 separated by a hollow cylindrical, stationary outer bearing part 11.
  • the gap width (radial dimension) w of the bearing gap 10 between the inner bearing part 5 and the outer bearing part 11 is preferably of the order of magnitude of the axial thickness d2 of the ferromagnetic intermediate elements 8a to 8g.
  • Typical values for the gap width w and the axial thickness d2 are between CO o to rv>P> c ⁇ o c ⁇ o ⁇ O C ⁇
  • the magnetic ' flux closes in the area of the non-magnetic material of the shaft 4. This advantageously avoids a magnetic short circuit there, which would lead to a reduction in the magnetic flux emerging in the bearing gap 10.
  • the permanent magnetic material of the elements 6a to 6f should have a maximum energy product (W * H) max of at least 20 MGOe in order to apply the necessary bearing forces and storage stability.
  • Suitable materials with such a high energy product are in particular a neody (Nd) iron (Fe) boron (B) alloy or a .Samarium (Sm) cobalt (Co) alloy.
  • the maximum bearing pressure is not determined by the superconductor material provided for the stator, but by the maximum achievable magnetic field H in the bearing gap 10.
  • the relevant parameter for this is the coercive field strength H c of the permanent magnetic material.
  • Material is particularly suitable for NdFeB because it has a relatively high coercive force H c .
  • SmCo has a 10% higher coercive force H c than room temperature at 77 K, which is then comparable to that of NdFeB. Therefore, cooling of the permanent magnetic material may also be considered.
  • the alloys NdFeB and SmCo mentioned are generally produced from a powder using powder metallurgy, in particular pressed and then annealed, hot-pressed or sintered.
  • powder metallurgy in particular pressed and then annealed, hot-pressed or sintered.
  • the moldings produced in this way for the permanent magnetic elements 6a to 6f are brittle and can release magnetic particles or even larger fragments under the action of high forces such as the high magnetic fields in the magnetic bearing and the centrifugal forces acting in the bearing, in particular due to material fatigue or permanent loading.
  • the problem of the brittleness of the permanent magnets is exacerbated by the low temperatures in the magnetic bearing 2.
  • the detached magnetic particles or larger pieces from the permanent magnetic elements 6a to 6f can get into the bearing gap 10 and there lead to considerable damage up to total failure.
  • a radial holding device is now provided for the permanent magnetic elements 6a to 6f, which holds the permanent magnetic elements 6a to 6f together in the radial direction with respect to the axis of rotation (axis of rotation) or shaft axis A.
  • the areas or sides of the permanent magnetic elements 6a to 6f that face the bearing gap 10 are particularly critical.
  • the radial holding device can comprise flexible holding elements or also dimensionally stable holding elements.
  • each of the ring-shaped permanent magnetic elements 6a to 6f is now wrapped or spanned in one or more layers with an associated holding element 9a to 9f.
  • Each holding element 9a to 9f is preferably designed in the form of a flexible band (holding band) made of a tear-resistant and tensile material.
  • the material for the holding elements (holding straps) 9a to 9f is a fiber composite material, a pure fiber material or another stable bandaging material, for example a (-0 co t to F 1 F 1
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  • the bandaging or holder according to the invention is not limited to magnetic bearings with superconductors as coupling means interacting with the permanent magnets, but can also be used as coupling means in conventional magnetic bearings with electromagnets or permanent magnets, in particular in the magnetic bearings known from the publications mentioned at the beginning.
  • a holding device according to the invention for the brittle permanent magnets is fundamentally also conceivable in the case of magnetic bearings that do not rotate or not only, for example in the case of linear magnetic bearings for translatory movements.

Abstract

Das Magnetlager umfasst a) wenigstens ein inneres Lagerteil (5), b) wenigstens ein äußeres Lagerteil (11), das das innere Lagerteil umgibt, c) wenigstens einen Permanentmagneten (6a bis 6f) und wenigstens einem axial zu einer Rotationsachse (A) neben dem oder den Permanentmagneten angeordnetes Flussleitelement (8a bis 8e) zum Leiten des magnetischen Flusses des oder der Permanentmagnete an einem der beiden Lagerteile, d) wenigstens einen Supraleiter (12, 32) an dem anderen der beiden Lagerteile,wobei e) Permanentmagnet(e) und Supraleiter derart miteinander wechselwirken, dass zwischen dem inneren Lagerteil und dem äußeren Lagerteil ein um die Rotationsachse verlaufender Lagerspalt (10) bildbar oder gebildet ist, f) der oder die Permanentmagnet(e) zum Lagerspalt hin gegenüber dem oder den Flussleitelement(en) in einer senkrecht zur Rotationsachse gerichteten radialen Richtung radial zurückversetzt ist bzw. sind, g) jeder Permanentmagnet zumindest an der dem Lagerspalt zugewandten Seite von einem zugehörigen radialen Halteelement (9a bis 9f) in radialer Richtung nach innen und/oder außen gehalten ist.

Description

Beschreibung
Magnetlager
Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetlager .
Magnetische Lager erlauben eine berührungs- und verschleißfreie Lagerung von bewegten Teilen. Sie benötigen deshalb keine Schmiermittel und können reibungsarm konstruiert wer- den. Sogenannte aktive Magnetlager mit Elektromagneten benötigen eine aktive Lageregelung, die über Lagesonsoren und einen Regelkreis die Ströme der Tragemagnete steuert und Abweichungen des Rotorkörpers aus seiner Soll-Lage entgegenwirkt. Sogenannte passive Magnetlager stabilisieren dagegen ihre La- ge selbsttätig, so dass keine aktive Lageregelung notwendig ist.
Aus der US 4 072 370 A ist eine passive magnetische Lagerung bekannt mit einer Anordnung von Permanentmagneten sowohl am Stator als auch am Rotor.
Ferner sind passive Magnetlager bekannt, bei denen nur eines der Lagerteile mit permanentmagnetischen Elementen gebildet ist und das andere Lagerteil einen Supraleiter umfasst. Die permanentmagnetischen Elemente induzieren bei einer Lageänderung als Folge von Feldänderungen in dem Supraleiter Abschirmströme. Die resultierenden Kräfte können abstoßend oder anziehend sein, sind aber immer so gerichtet, dass sie der Auslenkung aus der Soll-Lage entgegenwirken. Somit kann eine inhärent stabile Lagerung erreicht werden und eine aufwendige und störanfällige Regelung entfallen. Es ist aber eine Kühlung des Supraleitermaterials erforderlich. Magnetlager mit Supraleiter sind beispielsweise in US 5 196 748 A und EP 0 322 693 A beschrieben.
Aus der DE 44 36 831 C2 ist nun ein weiteres passives Magnetlager mit einem Hochtemperatur-Supraleiter bekannt. Dieses bekannte Magnetlager u fasst ein erstes Lagerteil, das mit einer Rotorwelle verbunden ist, und ein zweites Lagerteil, das an einem Stator angeordnet ist und das erste Lagerteil umgibt. Eines der beiden Lagerteile weist den Hochte peratur- Supraleiter auf. Das andere Lagerteil umfasst eine Anordnung von nebeneinander angeordneten permanentmagnetischen Elementen. Die Magnetisierung benachbarter permanentmagnetischer Elemente ist entgegengesetzt zueinander. Die Zwischenräume zwischen jeweils zwei permanentmagnetischen Elementen sind mit ferromagnetischem Material ausgefüllt zur Konzentration des aus den permanentmagnetischen Elementen austretenden Magnetflusses an der dem anderen Lagerteil zugewandten Seite. Man erhält dadurch eine hohe Lagersteifigkeit (Stabilität) .
In einer Ausgestaltung gemäß der DE 44 36 831 C2 sind die Permanentmagnete in hohlzylindrischer Anordnung am inneren Lagerteil vorgesehen und der Supraleiter ist als hohlzylind- rische Struktur an der Innenseite eine hohlzylindrischen Trägerkörpers des äußeren Lagerteils angeordnet. Im Trägerkörper sind Kühlkanäle zum Durchleiten von flüssigem Stickstoff zur Kühlung des Supraleiters ausgebildet. In einer anderen Ausgestaltung ist der Hochtemperatur-Supraleiter am inneren Lagerteil an der Rotorwelle angeordnet, wobei zur Kühlung des Hochtemperatur-Supraleiters ein Kühlkanal in der Rotorwelle für den flüssigen Stickstoff vorgesehen wird. Die permanentmagnetischen Elemente mit den ferromagnetischen Zwischenelementen können axial zur Rotorwelle hintereinander in Form von dünnen Ringen angeordnet sein oder auch axial langgestreckt sein und in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sein, jeweils mit alternierenden Magnetisierungen.
Als permanentmagnetisches Material wird in der DE 44 36 831 C2 ein Material mit einem Energieprodukt (B*H)max von wenigstens 20 MGOe vorgeschlagen, insbesondere eine Neodym (Nd) - Eisen (Fe) -Bor (B) -Legierung oder eine Samarium (Sm) -Kobalt (Co) - Legierung. Auch das permanentmagnetische Material kann zur Erhöhung seiner Koerzitivfeidstärke gekühlt werden. Die in den bekannten Magnetlagern zum Erreichen der hohen Magnetfelder eingesetzten permanentmagnetischen Materialien sind selbst erheblichen Kräften durch die hohen Magnetfelder ausgesetzt. Bei Anordnung der Permanentmagnete am drehenden Lagerteil wirken zusätzlich Fliehkräfte (Zentrifugalkräfte) auf die Permanentmagnete. Diese Kräfte können nun zum Ablösen einzelner Magnetpartikel, insbesondere aus den pulvermetallurgisch durch Sintern oder Pressen hergestellten, spröden Permanentmagneten oder sogar zum Bruch der Permanentmagneten führen, insbesondere bei Dauerbelastung und Materialermüdung. Dies kann aber erhebliche Schäden oder sogar die völlige Zerstörung des Magnetlagers nach sich ziehen.
Aus EP 0 728 956 AI ist nun ein Magnetlager bekannt mit einem Supraleiter auf dem Stator und einer Permanentmagnetanordnung auf dem Rotor sowie einem Lagerspalt zwischen dem Supraleiter und den Permanentmagneten. Die Permanentmagnete sind ringförmig ausgebildet und konzentrisch zur Rotationsachse des Ro- tors angeordnet. Zwischen den einzelnen ringförmigen Permanentmagneten sind ringförmige, weichmagnetische Flussleitele- mente vorgesehen. Die ringförmigen Permanentmagnete sind dagegen aus einem magnetischen Sintermaterial mit einem hohen Energieprodukt, insbesondere einem Samarium-Kobalt- oder ei- ne Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial, gebildet. Um einen Bruch dieser gesinterten Permanentmagnete zu verhindern,» insbesondere bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten, ist nun um den äußersten Ring der Magnetanordnung ein Verstärkungsring aus einem glasfaser- oder kunststofffaserverstärkten Kunststoff an- geordnet, der -die Anordnung der ringförmigen Permanentmagnete radial unter einem radialen Druck zusammenhält.
Eine ähnliche Anordnung ist auch aus Patent Abstracts of Ja pan zu JP 09 049 523 A bekannt.
Aus EP 0 413 851 AI ist ein Lagerring für Magnetlager zur Verwendung in magnetgelagerten Vakuumpumpen bekannt mit Per- ω Cü tV) N> H-1 i-* cπ o π O cπ o Cπ
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In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt die radiale Halteeinrichtung wenigstens in einem Teilbereich formschlüssig und/oder kraftschlüssig an dem Permanentmagneten an, so dass insbesondere Zwischenräume vermieden werden und der Permanentmagnet mechanisch zusammengehalten und dadurch stabilisiert wird.
Die radiale Halteeinrichtung kann wenigstens teilweise mit einem flexiblen (biegsamen) Material gebildet sein und kann dann unterschiedlich gestalteten Permanentmagneten und Lagerteilen leicht angepasst werden. Wenigstens ein Halteelement der radialen Halteeinrichtung ist vorzugsweise bandförmig ausgebildet und dabei im Allgemeinen mit seiner Breitseite dem Permanentmagneten zugewandt.
Die radiale Halteeinrichtung kann aber auch wenigstens teilweise mit einem formstabilen (starren) Material gebildet sein.
Das Material der radialen Halteeinrichtung ist im Allgemeinen mechanisch stabil, zug- und reißfest und vorzugsweise nichtmagnetisch, um die Lagertragkraft möglichst wenig oder gar nicht zu schwächen. Bevorzugte Materialien für die radiale Halteeinrichtung sind Faserwerkstoffe oder Faserverbundwerkstoffe. Insbesondere kommen mit Kohlenstoff-Faser oder Glasfaser oder mineralischer Faser verstärkte Kunststoffe (Polymerwerkstoffe) , Fasergewebe, Fasergewirke, Fasergelege oder gepresste Faserwerkstoffe in Betracht. Ferner geeignet sind auch unmagnetische Metalle oder Metalllegierungen, beispielsweise unmagnetische Stähle. o o tv> M F1 cn o Cπ O Cπ O C l α rt s: J. P- < . ö rt φ α rt P- o rt i^l Ω N O: vq cn rt Φ rt P Fi pö vq cn vq
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sierbaren Material wie z. B. aus einem besonderen Stahl. Der Stapel von permanentmagnetischen Elementen kann aber auch auf einem rohrförmigen Trägerkörper aus unmagnetischem Material aufgebracht sein, der seinerseits einen gegebenenfalls sogar ferromagnetischen Wellenteil umschließt. Die Wandstärke dieses dann einen hohlzylindrischen Randbereich der Welle 4 darstellenden Trägerkörpers sollte in diesem Falle mindestens die halbe axiale Dicke der Magnetpole , d. h. (dl + d2)/2, betragen. Im Allgemeine "besteht jedoch die gesamte Rotorwel- le 4 aus dem nicht-magnetischen Material.
Die Außenkontur der ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g und gegebenenfalls die der permanentmagnetischen Elemente βa bis δf wird nach dem Stapeln und, beispielsweise durch eine Ver- klebungstechnik bewirkten, Fixieren, beispielsweise durch
Schleifen oder Drehen in eine gleichmäßige zylindrische Form gebracht. Durch das ferromagnetische Material der Elemente 8a bis 8g wird das Magnetfeld rotationssymmetrisch, wobei zugleich Inhomogenitäten im Feld der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f ausgeglichen werden.
Die radiale Ausdehnung a der ringscheibenförmigen permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f sollte vorteilhaft mindestens das Zweifache ihrer Dicke dl in axialer Richtung betragen. Demgegenüber wird vorteilhaft die axiale Dicke d2 jedes der ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g kleiner als die axiale Dicke dl der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f gewählt; beispielsweise liegt die Dicke d2 bei ein bis zwei Zehntel der Dicke dl .
Das Lagerinnenteil 5 ist durch einen Lagerspalt 10 getrennt von einem hohlzylinderförmigen, ortsfesten Lageraußenteil 11 umgeben. Die Spaltweite (radiale Abmessung) w des Lagerspaltes 10 zwischen Lagerinnenteil 5 und Lageraußenteil 11 liegt vorzugsweise in der Größenordnung der axialen Dicke d2 der ferromagnetischen Zwischenelemente 8a bis 8g. Typische Werte für die Spaltweite w und die axiale Dicke d2 liegen zwischen CO o to rv> P> cπ o cπ o π O Cπ
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Bezüglich der Ausgestaltung und weiterer Einzelheiten der Materialien, Ausgestaltungen, Bemessungen und Funktion des Magnetlagers wird auch auf die DE 44 36 831 C2 verwiesen, deren Inhalt in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung mitein- bezogen wird.
Das permanentmagnetische Material der Elemente 6a bis 6f soll ein maximales Energieprodukt (B * H)max von wenigstens 20 MGOe aufweisen, um die erforderlichen Lagerkräfte und Lagerstabilität aufzubringen. Geeignete Materialien mit einem solch hohen Energieprodukt sind insbesondere eine Neody (Nd) - Eisen (Fe) -Bor (B) -Legierung oder eine .Samarium (Sm) -Kobalt (Co) - Legierung.
Der maximale Lagerdruck wird nicht durch das für den Stator vorgesehene Supraleitermaterial, sondern durch das maximal erreichbare Magnetfeld H im Lagerspalt 10 vorgegeben. Dafür ist der relevante Parameter die Koerzitivfeldstärke Hc des permanentmagnetischen Materials. Als permanentmagnetisches
Material kommt deshalb insbesondere NdFeB in Frage, da es eine verhältnismäßig hohe Koerzitivfeldstärke Hc hat. SmCo hat gegenüber Raumtemperatur bei 77 K eine um 10% höhere Koerzitivfeldstärke Hc, die dann mit der von NdFeB vergleichbar wird. Gegebenenfalls kommt deshalb auch eine Kühlung des permanentmagnetischen Materials in Frage.
Die genannten Legierungen NdFeB und SmCo werden im Allgemeinen pulvermetallurgisch aus einem Pulver hergestellt, insbe- sondere gepresst und anschließend geglüht, heißgepresst oder gesintert. Beispielsweise können die in Applied Physics Letters, Vol . 46 (8) , 15 April 1985 , Sei ten 790 und 791 sowie in Applied Physics Letters, Vol . 53 (4) 25 July 1988, Seiten 342 und 343 beschriebenen Herstellverfahren zum Herstellen der Permanentmagnete verwendet werden.
Die derart hergestellten Formkörper für die permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f sind spröde und können unter der Einwirkung hoher Kräfte wie der hohen Magnetfelder im Magnetlager und der im Lager wirkenden Zentrifugalkräfte Magnetpartikel oder sogar größere Bruchstücke abgeben, insbesondere aufgrund Materialermüdung oder Dauerbelastung. Das Problem der Sprödigkeit der Permanentmagneten wird durch die tiefen Temperaturen im Magnetlager 2 noch verschärft. Die abgelösten Magnetpartikel oder größeren Stücke aus den permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f können in den Lagerspalt 10 gelan- gen und dort zu erheblichen Schäden bis zum Totalausfall führen.
Um dies zu verhindern ist nun gemäß der Erfindung für die permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f eine radiale Halte- einrichtung vorgesehen, die die permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f in radialer Richtung bezüglich der Drehachse (Rotationsachse) oder Wellenachse A zusammenhält. Besonders kritisch sind dabei die Bereiche oder Seiten der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f, die dem Lagerspalt 10 zuge- wandt sind. Die radiale Halteeinrichtung kann dazu flexible Halteelemente oder auch formstabile Halteelemente umfassen.
In FIG 1 ist nun jedes der ringförmigen permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f mit jeweils einem zugehörigen Halteelement 9a bis 9f in einer oder mehreren Lagen umwickelt oder umspannt. Jedes Halteelement 9a bis 9f ist vorzugsweise in Form eines flexiblen Bandes (Haltebandes) aus einem reißfesten und zugfesten Material ausgestaltet.
Als Material für die Halteelemente (Haltebänder) 9a bis 9f ist ein Faserverbundwerkstoff, ein reiner Faserwerkstoff oder ein anderes stabiles Bandagiermaterial, beispielsweise ein (-0 co t to F1 F1
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sein, wobei sich auch die Welle auf tieferer Temperatur befindet. Infolge der Berührungsfreiheit entfällt die Wärmeeinleitung über die Welle.
Die Bandagierung oder Halterung gemäß der Erfindung ist nicht auf Magnetlager mit Supraleitern als mit den Permanentmagneten wechselwirkende Kopplungsmittel beschränkt, sondern ist auch bei konventionellen Magnetlagern mit Elektromagneten o- der Permanentmagneten als Kopplungsmittel einsetzbar, insbe- sondere bei den aus den eingangs erwähnten Druckschriften bekannten Magnetlagern. Außerdem ist eine Halteeinrichtung gemäß der Erfindung für die spröden Permanentmagneten grundsätzlich auch bei nicht oder nicht nur drehenden Magnetlagern denkbar, beispielsweise bei linearen Magnetlagern für trans- latorische Bewegungen.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetlager mit a) wenigstens einem inneren Lagerteil (5) , b) wenigstens einem äußeren Lagerteil (11), das das innere Lagerteil umgibt, c) wenigstens einem Permanentmagneten (6a bis 6f) und wenigstens einem axial zu einer Rotationsachse (A) neben dem oder den Permanentmagneten angeordneten Flussleitele- ment (8a bis 8e) zum Leiten des magnetischen Flusses des oder der Permanentmagnete an einem der beiden Lagerteile, d) wenigstens einem Kopplungsmittel (12, 32) an dem anderen der beiden Lagerteile, wobei e) Permanentmagnet (e) und Kopplungsmittel derart miteinander wechselwirken, dass zwischen dem inneren Lagerteil und dem äußeren Lagerteil ein um die Rotationsachse verlaufender Lagerspalt (10) bildbar oder gebildet ist, f) die beiden Lagerteile gegeneinander um die Rotationsachse rotierbar sind oder rotieren, g) der oder die Permanentmagnet (e) zum Lagerspalt hin gegenüber dem oder den Flussleitelement (en) in einer senkrecht zur Rotationsachse gerichteten radialen Richtung radial zurückversetzt ist bzw. sind und h) jeder Permanentmagnet zumindest an der dem Lagerspalt zugewandten Seite von einem zugehörigen radialen Halteelement (9a bis 9f) in radialer Richtung gehalten ist.
2. Magnetlager nach Anspruch 1, bei dem jedes radiale Halteelement wenigstens in einem Teilbereich formschlüssig und/oder kraftschlüssig an dem zugehörigen Permanentmagneten anliegt.
3. Magnetlager nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der wenigstens eine Permanentmagnet am inneren Lagerteil vorgesehen ist und das innere Lagerteil rotierbar ist oder rotiert .
4. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes radiale Halteelement die Rotationsachse in ei- ner oder mehreren Lagen umläuft.
5. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein radiales Halteelement wenigstens teilweise mit einem flexiblen Material gebildet ist.
6. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein radiales Haiteeelement wenigstens teilweise mit einem formstabilen Material oder als Formkörper gebildet ist.
7. Magnetlager nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem jedes radiale Halteelement mit einem nicht-magnetischen Material gebildet ist.
8. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes radiale Halteelement wenigstens teilweise aus einem Faserwerkstoff, insbesondere einem Fasergewebe, Fasergewirke, Fasergelege oder gepressten Faserwerkstoff, oder einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem mit Kohlenstoff-Faser oder Glasfaser oder mineralischer Faser verstärkten Polymerwerkstoff, besteht.
9. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich ein sich über die den Permanentmagneten zugeordneten einzelnen Halteelemente (9a bis 9f) und die Flussleitelemente erstreckendes gemeinsames radiales Halteelement (9) vorgesehen ist.
10. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein radiales Halteelement mit einem Halteband gebildet ist.
11. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Permanentmagnete vorgesehen sind, die axial zur Rotationsachse hintereinander angeordnet sind und zwischen wenigstens zwei der Permanentmagneten (6a bis 6f) jeweils ein Flussleitelement (8a bis 8e) angeordnet ist, das vorzugsweise den gesamten Zwischenraum zwischen den beiden Permanentmagneten ausfüllt.
12. Magnetlager nach Anspruch 11, bei dem in axialer Richtung zur Rotationsachse außen an den äußersten Permanentmagneten (6a, 6e) ebenfalls jeweils ein Flussleitelement (8f, 8g) angeordnet ist.
13. Magnetlager nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei dem unmittelbar benachbarte Permanentmagnete zueinander im
Wesentlichen entgegengesetzt magnetisch gepolt sind.
14. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radiale Ausdehnung jedes radialen Halteelements gemessen ab dem Permanentmagneten in der entsprechenden radialen Richtung im Allgemeinen um wenigstens einen Faktor 3, insbesondere um wenigstens einen Faktor 4 und vorzugsweise um wenigstens einen Faktor 10, kleiner ist als die radiale Ausdehnung des Permanentmagneten.
15. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radiale Ausdehnung jedes radialen Halteelements, gemessen ab dem Permanentmagneten in der entsprechenden radialen Richtung, kleiner ist als die radiale Abmessung (w) des Lagerspaltes.
16. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radiale Ausdehnung jedes radialen Halteelements kleiner oder gleich der Differenz aus der radialen Aus- dehnung des wenigstens einen Flussleitelements und der radialen Ausdehnung des wenigstens einen Permanentmagneten ist.
17. Magnetlager nach Anspruch 16, bei dem die dem Lagerspalt zugewandten Seiten des oder der Flussleitelemente (s) und des oder der Halteelemente (s) eine im Wesentlichen zy- lindrische gemeinsame Oberfläche bilden.
18. Magnetlager nach Anspruch 9 oder einem der auf Anspruch 9 rückbezogenen Ansprüche, bei dem die radiale Ausdehnung des gemeinsamen radialen Halteelements kleiner ist als die radiale Ausdehnung jedes der einzelnen Halteelemente.
19. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der oder die Permanentmagnet (e) aus einem spröden Material besteht bzw. bestehen, insbesonde- re einem pulvermetallurgisch hergestellten, vorzugsweise gesinterten oder gepressten, Formkörper, oder überhaupt nicht formstabil ist bzw. sind, insbesondere aus magnetischem Pulver gebildet ist bzw. sind.
20. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Permanentmagnet zumindest überwiegend aus einem Material mit einem hohen Energieprodukt, vorzugsweise aus einer Neodym (Nd) -Eisen (Fe) -Bor (B) - Legierung oder einer Samarium (Sm) -Kobalt (Co) -Legierung, besteht.
21. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Permanentmagnet und/oder jedes Flussleitelement und/oder jedes Halteelement und/oder die Kopplungsmittel die Rotationsachse in einer ringsum geschlossenen Gestalt umgeben bzw. umgibt, insbesondere in Gestalt eines Ringes oder Hohlzylinders.
22. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dem Lagerspalt zugewandte Seite wenigstens eines Permanentmagneten und/oder des zugehörigen radialen Halteelements wenigstens teilweise im We- sentlichen zylindrisch geformt ist.
23. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das oder die Kopplungsmittel jeweils mit einer supraleitenden Struktur gebildet ist, vorzugsweise mit einem Hochtemperatur-Supraleiter.
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