DE2114040A1 - Antrieb eines Rotors mit im wesentlichen vertikaler Drehachse - Google Patents

Description

• Antrieb eines Rotors mit im wesentlichen vertikaler Drehachse (Zusatz zu Patent . ...
• (Patentanmeldung P 17 50 602.4-12)) Das Hauptpatent betrifft eine magnetische Lagerung eines Rotors mit im wesentlichen vertikaler Drehachse an einem feststehenden Teil ohne Beruhrung zwischen dem Rotor und dem feststehenden Teil, bei der der Rotor mit ferromagnetischen Teilen versehen ist und von einem auf diese einwirkenden Tragmagneten getragen wird. Nach dem Hauptpatent wird eine derartige Lagerung dadurch geschaffen, daß der Tragmagnet ein gleichbleibendes Magnetfeld mit einer vertikalen Komponente erzeugt, das den Rotor in einer in vertikaler Richtung stabilen Lage hält. Zur horizontalen Stabilisierung in einer ersten horizontalen Ebene ist am feststehenden Teil eine elektromagnetisch wirkende Stabilisierungseinrichtung zur Festlegung des Rotors in einer vorgegebenen Position vorgesehen, die folgende Teile besitzt: a) wenigstens zwei berührungslose Fühler, die sowohl langsame als auch höher frequente Abweichungen des Rotors von der vorgegebenen Position messen und in elektrische Signale umsetzen, b) ein elektronisches Steuergerät, das die Signale verstärkt und zeitlich in ihrer Phase verschoben als Ausgangssignale abgibt und c) elektromagnetische Mittel zur Erzeugung von im wesentlichen radial gerichteten, ferromagnetische Teile am Rotor beeinflussenden Magnetfeldern, wobei die elektromagnetischen Mittel mit den Ausgangssignalen des Steuergerätes gespeist werden, wodurch die Nagnetfelder derart steuerbar sind, daß ihre Einwirkung auf die ferromagnetischen Teile des Rotors eine erste Kraftkomponente erzeugen, die den Rotor aus der von der vorgegebenen Position abweichenden Position in die vorgegebene Position zurückstellt. Es wird ferner eine zweite Kraftkomponente erzeugt, die einem durch die Kreiselwirkung des Rotors entstehenden seitlichen Ausweichen des Rotors entgegenwirkt und alle Schwìngungsbewegungen des Rotors in dieser Ebene dämpft,' Ferner besitzt die magnetische Lagerung in einer zweiten horizontalen Ebene eine Einrichtung, die unter Verwendung von Magnetfeldern zumindest eine Dämpfung von Schwingungsbewegungen des Rotors bewirkt. Durch das Hauptpatent wird also eine völlig berührungsfreie magnetische Lagerung geschaffen, die es erlaubt, Rotoren mit im wesentlichen vertikaler Achse an einem Tragmagneten mit im wesentlichen konstantem Magnetfeld, beispielsweise einem Permanentmagneten, aufzuhängen. Lediglich die seitlichen Abweichungen werden durch gesteuerte elektromagnetische Mittel, beispielsweise Elektromagneten, zurückgestellt und Schwingungsbewegungen gedämpft. Der Aufwand für die Steuerung und auch die für die Lagerung benötigte Leistung sind sehr gering.
• Infolge der Maßnahmen, die im Hauptpatent angeführt sind, können auch die Lagerwiderstände sehr gering gehalten werden, so daß, wenn der Rotor selbst keine wesentliche mechanische Arbeit zu leisten hat, relativ geringe Antriebsleistungen für den Drehantrieb des Rotors ausreichen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb für den eingangs erwähnten Rotor zu schaffen, der möglichst einfach aufgebaut ist und in seiner Bauausführung und Anordnung der magnetischen Lagerung nach dem Hauptpatent gut angepaßt ist.
• Dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, daß zum Antrieb des Rotors die elektromagnetischen Mittel wenigstens einer Stabilisierungseinrichtung zur Aufnahme einesMehrphasenwechselstroms mit einer der gewünschten Drehzahl des Rotors im wesentlichen entsprechenden Frequenz bzw. eines Vielfachen davon ausgebildet sind und den Rotor nach Art eines Rysterese- bzw. Wirbelstrommotors antreiben.
• Dabei überlagern sich die Magnetfelder, die infolge der Ausgangssignale des Steuergerätes gebildet werden,mit den Magnetfeldern, die durch den Antriebs-Nehrphasenwechsel strom erzeugt werden. Das resultierende magnetische Feld wirkt auf dieselben . ferromagnetischen Teile am Rotor ein und bewirkt gleichzeitig die notwendige Stabilisierung und den Antrieb. Der Rotor läuft dabei meist als Kombination zwisen H sterese- und Wirbelstroinäufer,wobei antriebssich die einzelnen/anteile jenach Material und Aufbau der ferromagnetischen Teile richten.
• Vorzugsweise entspricht die Phasenzahl des Mehrphasenwechselstroms der Anzahl der Polpaare der elektromagnetischen Mittel. Beispielsweise kann bei einem vierpoligen Aufbau der elektromagnetischen Mittel,der im Hauptpatent als besonders vorteilhaft beschrieben ist, ein Zweiphasenwechselstrom verwendet werden.
• Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird zwischen dem Steuergerät und der Quelle des Mehrphasenwechselstroms eine an sich bekannte Trenneinrichtung zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit angeordnet. Dadurch wird verhindert, daß der u.U. sehr viel stärkere Mehrphasenwechselstrom das Steuergerät beeinflußt. Derartige renneinrichtungen sind bekannt. Es kann beispielsweise ein Trenntransformator verwendet werden.
• Bei der Verwendung der elektromagnetischen Mittel zum Antrieb des Rotors können die elektromagnetischen Mittel eine Mehrphasenwicklung nach Art eines Drehfeldstators besitzen. Diese bereits vorgeschlagene Ausbildung der elektromagnetischen Mittel ist u.a. wegen des vorteilhaften magnetischen Feldverlaufes bei der Anwendung als Antrieb besonders vorteilhaft.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
• Die Zeichnung zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Rotor mit magnetischer Lagerung und seiner Antriebseinrichtung.
• In der Zeichnung ist ein Rotor 51 mit im wesentlichen vertikaler Drehachse in einem feststehenden Teil 12 gelagert.: Das feststehende Teil 12 bildet ein Gehäuse, das den Rotor vollständig dicht umschließen kann. Es besteht zumindest im Bereich der oberen und unteren Lager 13, 14 aus nicht magnetischem Naterial. Der Rotor 11 kann beispielsweise der Läufer einer Axial-Vakuumpumpe nach dem Holweck-Prinzip sein. Zur Vereinfachung der Darstellung sind jedoch die nicht zur Erfindung gehörenden Teile an Läufer und Gehäuse weggelassen. Die oberen und unteren, abgebrochen dargestellten Enden des Gehäuses können die Ein- und Auelässe bilden.
• Obwohl der Rotor in seinem zylindrischen Mittelteil aus beliebigem Naterial bestehen kann, ist er jedoch beim vorliegenden Beispiel einstückig aus ferromagnetischem Naterial hergestellt.
• Das obere Lager 13 besitzt einen Tragmagneten 21, der außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist. Er ist ringförmig ausgebildet und umfaßt in einer horizontalen Ebene das Gehäuse und damit das obere Rotorende 15. Der Tragmag net kann beliebig als Permanentmagnet oder Elektromagnet ausgebildet sein, es sollte jedoch darauf geachtet werden, daß er ein zur Rotorachse rotationssymmetrisches Nagnetfeld erzeugt und daß das Magnetfeld Anteile parallel zur Rotorachse enthält.
• Der Tragmagnet arbeitet mit den ferromagnetischen Teilen am oberen Rotorende 15 zusammen. Dadurch wird der Rotor in einer in vertikaler Richtung stabilen Lage gehalten.
• Dazu reicht ein gleichbleibendes Magnetfeld aus. Wenn hier von "gleichbleibend" gesprochen ist, so soll damit eingeschlossen sein, daß das Mas . Tragmagneten sich bei kleinen Verschiebungen des Rotors seLb.$,verständlich durch die Rückwirkung des Rotors leicht verändert.
• Bei Ausführung als Elektromagnet ist auch eine Veränderung des Magnetfeldes zur Justierung der Höhenlage des Rotors möglich.
• Im Bereich des Tragmagneten 21 sind am Gehäuse beruhrungslose Fühler 28 angeordnet. Als Fühler 28 dienen in diesem Beispiel Feldplatten, die in einem Bereich angeordnet sind, in dem sie von dem Magnetfeld der Tragmagneten 21 durchflossen sind. Diese an sichbekannten Feldplatten sind Halbleiterbauelemente, deren elektrischer Widerstand von der sie durchsetzenden magnetischen Feldstärke abhängt. Sie zeigen die horizontalen Positionsveränderungen des Rotors an und setzen sie in Fühlersignale um,die einem Steuergerät 31 zugeführt werden. Das Steuergerät,das hier nicht im einzelnen beschrieben werden soll,besitzt einen Verstärker und einen Phasenschieber, der die von den Fühlern kommenden Signale in Ausgangssignale umsetzt. Diese Ausgangssignale sind den Fühlersignalen um einen Betrag zwischen Null und einer viertel ßchwingungsperiode der Fühlersignale vorauseilend phasenverschoben, wobei der Betrag der Phasenverschiebung mit der Frequenz der Fühlersignale wächst. Die Ausgangssignale des Steuergerätes 31 werden über eine Trenneinrichtung 50 den elektromagnetischen Mitteln 25 zugeführt.
• Die Trenneinrichtung kann beispielsweise ein an sich bekannter Trenntransformator sein. tber die Trenneinrichtung 50 wird den elektromagnetischen Mitteln 25 von einem flehrphasenwechsel stromgenerator 51 ein Mehrphaseawecbsel strom zugeführt. Dadurch entsteht in den elektromagnetischen Mitteln 25 ein Drehfeld, das auf die im Bereich der elektromagnetischen Mittel 25 liegenden ferromagnetischen Teile am-Rotor einwirkt und diesen nach Art eines Hysterese-läufers mit asynchronem Anlauf mitnimmt.
• Die Frequenz des Mehrphasenwechselstromes entspricht ir Drehzahl des Rotors oder ist, je nach der Pol zahl der elektromagnetischen Mittel, ein Vielfaches davon. Das von den elektromagnetischen Mitteln 25 erzeugte Magnetfeld ist also eine Uberlagerung von einem Drehfeld und den Auswirkungen der auf die einzelnen Pole oder Polgruppen einwirkenden Ausgangssignalen des Steuergerätes 31.
• Obwohl die elektromagnetischen Mittel im vorliegenden Falle zur Verdeutlichung der Darstellung als einzelne Elektromagneten dargestellt sind, wobei vorzugsweise insgesamt vier Elektromagneten mit zugehörigen Fühlern vorgesehen sind, sollten jedoch Maßnahmen ergriffen werden, um das von ihnen erzeugte magnetische Feld so homogen wie möglich zu gestalten, um die Wirbel strom- und Hystereseverluste bei der Drehung des Rotors so klein wie möglich zu halten. Dazu könnten beispielsweise die Elektromagneten mit den jeweiligen Sektor nahezu vollständig überdeckenden Polschuhen ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft sind jedoch die elektromagnetischen Mittel mit einer Nehrphasenwicklung nach Art eines Drehfeldstators ausgebildet. Dabei wird bei einfachstem Aufbau ein sehr homogenes Feld erzeugt, das die Verluste und die Rotorerwärmung niedrig hält. Der Mehrphasenwechselstrom kann dabei durch die gleichen Wicklungen laufen wie die Ausgangssignale des Steuergerätes 31, es können jedoch auch getrennte, jedoch räumlich vereinigte Wicklungen verwendet werden.
• Das Lager 14 besitzt ebenfalls Fühler 28, ein Steuergerät 31 und elektromagnetische Mittel 25', die (bis auf die Auslegung) mit den am oberen Lager verwendeten elektromagnetischen Mitteln übereinstimmen können. Es ist selbstverständlich auch denkbar, den Nehrphasenwechselstrom den elektromagnetischen Mitteln 25' oder mehreren elektromagnetischen Mitteln zuzuführen. Es ist noch zu beachten, daß das feststehende Teil 12 im Bereich der elektromagnetischen Mittel 25 aus. einem nicht leitenden Material bestehen solte, um Wirbelströme zu vermeiden. Es ist jedoch auch möglich, die Wicklungen innerhalb des Gehäuses anzuordnen, wobei dann diese Forderung nicht beachtet zu werden braucht. Es ist vorteilhaft, wenn die Phasenzahl des Mehrphasenwechselstromes gleich der Zahl der Polpaare der elektromagnetischen Mittel ist. Im vorliegenden Falle, wo insgesamt vier Pole und zwei Polpaare vorhanden sind, ist ein Zweiphasenwechselstrom angebracht. Grundsätzlich kann aber der Mehrphasenwechselstrom jede beliebige Phasenzahl haben, die größer als 1 ist, wenn Selbstanlauf erwünscht ist.

Claims (4)

1. An sprüche

   W Antrieb eines Rotors mit im wesentlichen vertikaler Drehachse, der mittels einer magnetischen Lagerung an einem feststehenden Teil ohne Berührung zwischen dem Rotor und dem feststehenden Teil gelagert ist, wobei der Rotor mit ferromagnetischen Teilen versehen ist und von einem auf diese einwirkenden Tragmagneten getragen wird, wobei am feststehenden Teil wenigstens eine Stabili'sierungseinrichtung zur Festlegung des Rotors in einer vorgegebenen horizontalen Position vorgesehen ist, die elektromagnetische Mittel zur Erzeugung von im wesentlichen radial gerichteten, ferromagnetische Teile am Rotor zur Zurückstellung des Rotors in die vorgegebene Position und zur Dämpfung von Schwingungen beeinflussenden Magnetfeldern besitzt, wobei die elektromagnetischen Mittel mit den Ausgangssignalen eines Steuergerätes gespeist werden, das Fühlersignale von wenigstens zwei berührungslosen Fühlern empfängt, nach Patent .

   (Patentanmeldung P 17 50 602.4-12), dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Rotors (11) die elektromagnetischen Mittel wenigstens einer Stabilisierungseinrichtung zur Aufnahme eines Mehrphasenwechselstromes mit einer der gewünschten Drehzahl des Rotors (11) im wesentlichen entsprechenden Frequenz bzw. eines Vielfachen davon ausgebildet sind und den Rotor (11) nach Art eines Hysterese- bzw. Wirbelstrommotors antreiben.
2. 2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenzahl des Mehrphasenwechselstromes der Anzahl der Polpaare der elektromagnetischen Mittel (25) entspricht.
3. 3. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuergerät (31) und der Quelle (51) des Nehrphasenwechselstromes eine an sich bekannte Trenneinrichtung (50) zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit angeordnet ist.
4. 4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Mittel (25) eine Mehrphasenwicklungnach Art eines Drehfeldstators besitzen.