DE2213465A1

DE2213465A1 - Elektromagnetisches lagerelement

Info

Publication number: DE2213465A1
Application number: DE2213465A
Authority: DE
Inventors: Karl Boden; Dietrich Dipl Ing Dr Scheffer
Original assignee: Padana AG
Current assignee: Padana AG
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1972-03-20
Publication date: 1973-10-11
Also published as: DE2213465B2; FR2177309A5; US3877761A; SE389547B; BE796758A; NL7303278A; CH552150A; DE2213465C3; IT979903B; JPS4912268A; CA976216A; JPS5833410B2; GB1424071A

Description

PATENTANWÄLTE

Dipl.-Ing. EID E N EIE R
Dipl.-Chem. Dr. R U F F Dipl.-Ing. J. B EIE R

7 STUTTGART 1 Neckarstraße 50 Telefon 22 70 51

20. März 1972 JB/Rie.

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Anmelder: Padana AG

Zug/Schweiz

Elektromagnetisches Lagerelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Lagerelement zur Lagerung von Rotoren in einer radialen Ebene mit einem ringförmigen, ferromagnetischen Ring- . kern und einer Wicklung, die als wenigstens drei separate Spulen wirkt bzw. geschaltet ist.

Es sind verschiedene magnetische Lagerungen bekannt geworden. Eine besonders vorteilhafte berührungsfreie magnetische Lagerung besitzt einen Axial-Stabilisierungsmagneten, de'r den Rotor von sich aus in einer axial stabilen Lage halten kann, d.h. nicht notwendig geregelt zu sein braucht, und wenigstens ein, vorzugsweise jedoch zwei Radiallager, die radialen Abweichungen und Schwingungen des Rotors in je-

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veils einer Ebene entgegen wirken. Diese Radiallager bestehen nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 750 602 vorzugsweise aus vier einzelnen über den Umfang verteilten Elektromagneten, die über einen ferromagnetisehen Kern magnetisch miteinander verbunden sind.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 933' 031 ist es be-

reits bekannt geworden» einen üblichen Drehfeldstator als Radiallager-Element zu verwenden.

Beide bekannten Ausführungsformen haben doch gewisse Nachteile. Das Lagerelement mit einzelnen Elektromagneten bewirkt einen aufwendigen Aufbau und große Abmessungen des Gesamtlagers. Die separaten Magnetpole der Elektromagneten, die über den Umfang verteilt sind, erzeugen ein in Umfangsrichtung, d.h. im Luftspalt inhomogenes Magnetfeld, das Wirbelstrom- und Hystereseverluste in dem sich darin drehenden Rotor bewirkt. Selbst eine ebenfalls vorgeschlagene Ausbildung der Einzel-Elektromagneten mit den Rotor teilweise umfassenden Polschuhen kann hier keine völlige Homogenität des Feldes schaffen. Der vorgeschlagene Drehfeldstator behebt die meisten dieser Nachteile, jedoch ist der Kupferdrahtverbrauch und damit der Bauaufwand sehr hoch, insbesondere, wenn der Lagerdurchmesser im Vergleich zu den aufzubringenden Lagerkräften groß ist. Es ist ja einer der Vorteile des magnetischen Lagers nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 750 602, daß in Bezug auf die Gestaltung des Rotors kaum Rücksichten zu nehmen sind, so daß auch bei kleinen Rotorgewichten große Lagerdurciamesser zugelassen werden können. Ein als Drehfeld- · stator ausgebildetes Lagerelement kann daher bei großem Durchmesser eine sehr geringe axiale Länge haben. Dadurch

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ergeben sich tu. er geradezu riesige Wickelköpfe und ein sehr hoher Kupferdrahtverbrauch, der bei Sehnung der Wicklung noch größer wird.

Es ist ferner bereits im Zusammenhang mit Elektromotoren eine Wicklungsart vorgeschlagen worden, bei der auf einen ferromagnetischen Ring im wesentlichen toroidförmige Spulen gewickelt sind. Diese Wicklungsart hat in die Praxis keinen Eingang gefunden, und zwar wegen folgender Überlegungen, die herrschende Lehrmeinung sind: Derartige Wicklungen haben einen großen Streufaktor und neigen ferner zur Polausbildung, d.h. sie erzeugen ein über den Umfang sehr inhomogenes Magnetfeld. Diese Wicklungen werden aus diesen Gründen von der Fachwelt abgelehnt und in der Praxis nicht mehr angewendet.

Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, ein elektromagnetisches Lagerelement der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das bei einem besonders homogenen magnetischen Feld zwischen Stator und Rotor im Nutzluftspalt mit geringem Kupferdrahtverbrauch und sonstigem Bauaufwand auskommt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Wicklung auf dem Ringkern diesen wiederum ringförmig umgebend bzw. toroidförmig angeordnet ist und daß die Spulen in dem Ringkern Bereiche unterschiedlich großen bzw. einander entgegengesetzt gerichteten magnetischen Flusses erzeugen.

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Es hat sich erstaunlicherweise herausgestellt, daß sichentgegen der herrschenden Lehrmeinung die Nachteile dieser Wicklungsart, die ihr durchweg nachgesagt werden, nicht negativ auswirken, wenn ein elektromagnetisches Lagerelement der eingangs erwähnten Art damit versehen wird. Wäh-

rend diese Wicklungsart dafür bekannt ist, daß ihr Wir-

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kungsgrad gering ist und daß sie zu einem inhomogenen magnetischen Feld wegen starker Polausbildung neigt, wird dieselbe Wicklung hier so eingesetzt, daß in überraschender Weise ein besonders homogenes Feld auftritt und der Wirkungsgrad ausgezeichnet ist. Außerdem hat das Lagerelement nach der Erfindung den Vorteil, daß es mit weniger Leitungsmaterial auskommt als bisher gebraucht wurde. Während bei einem normalen Drehfeldstator für eine Windung zweimal ein großer Teil des Umfanges mittels der Wickelköpfe überbrückt werden mußte, reicht jetzt zum gleichen Zwecke das einmalige Umwickeln des Ringkerns aus. Der Ringkern kann besonders einfach aufgebaut sein, insbesondere sind keine Nuten etc. notwendig. Es kann ein glatter Kern sein, der auch den Einsatz von Werkstoffen ermöglicht, die bei einfacher Herstellung besondere Vorteile haben, beispielsweise ferritische Preßmaterialien.

Besonders bevorzugt ist ein elektromagnetisches Lagerelement, bei dem die Wicklung -mijt den Ausgcingssignalen eines gleichstromgespeisten elektronischen Regelgerätes beaufschlagt ist, die von dem Regelgerät in Abhängigkeit von Signalen von Fühlern erzeugt werden, die auf die Abweichungen des Rotors von seiner Soll-Lage ansprechen. Bei diesen Gleichspannungslagern ergibt sich als besonders vorteilhaft die Möglichkeit, das Lagerelement mit einer im Luftspalt im wesentlichen radial gerichteten Vormagnetisierung zu versehen. Eine solche externe Vormagnetisierung könnte auch elektromagnetische erfolgen,· bietet jedoch besondere Vorteile bei Verwendung von Permanentmagneten, die keine Leistung benötigen und störungsfrei sind. Die Vormagnetisierung bietet den Vorteil, mit

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einer besonders einfachen Form des Lagerelementes zu arbeiten, bei dem die Spulen gleichmäßig über den Umfang · verteilt sind und die einen besonders guten Wirkungsgrad hat. Das bei dieser Spulenform den Rotor quer durchdringende Magnetfeld würde ohne Vormagnetisierung auf beiden Seiten die gleichen anziehenden Kräfte auf den vorzugsweise nur ferromagnetisehen und nicht selbst magnetisierten Rotor ausüben. Infolge der Vormagnetisierung wird bei , einer aussteuernden Beaufschlagung des Lagerelementes das Magnetfeld der Vormagnetisierung auf der einen Seite geschwächt und auf der anderen Seite verstärkt, so daß ■· eine definierte Einwirkung auf den Rotor möglich ist.

Ohne Vormagnetisierung kann mit einem Lagerelement gearbeitet werden, bei dem eine von je zwei zur Erzeugung eines den Rotor durchdringenden Magnetfeldes zusammenwirkenden Spulen zur Erzeugung eines zum Rotor unsymmetrischen Magnetfeldes einen größeren Teil des Ringumfanges einnimmt als die andere. Es wird also, im Querschnitt betrachtet, ein Magnetfeld erzeugt, das den Rotor auf einem relativ kleinen Abischnitt seines Umfanges durchdringt. Somit wird auch eine definierte Krafteinwirkung auf den Rotor ausgeübt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

^r I

Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Lagerelement nach der Erfindung,

Figur 2 einen schematischen Querschnitt durch ein

Lagerelement nach der Erfindung, beispielsweise das nach Fig. 1, ·

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Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch ein Lagerelement gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform,

Figuren

4 bis 7 schematische Längsschnitte durch Lagerelemente, die verschiedene Varianten der Vormagnetisierung zeigen,

Figur 8 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform,

Figur 9 ebenfalls einen schematischen Querschnitt in einer Lagerebene,

Figur 10 einen schematischen Längss'chnitt durch ein Lagerelement mit einem Teil des zugehörigen Rotors
und

Figur 11 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil eines Lagereleme.ntes.

Flg. 1 zeigt in einem schematischen Teil-Längsschnitt eine magnetische Lagerung eines Rotors 12 an einem feststehenden Teil 13. Der Rotor 12 ist hier als zylindrisches, ferromagnetisches Teil dargestellt und kann beispielsweise aus einem einfachen Stahlrohr bestehen. Natürlich wird der Rotor eine seinem Verwendungszweck entsprechende Gestaltung haben. Wichtig ist jedoch, daß es durchaus nicht zwingend notwendig ist, daß er wegen der Anpassung an seine Lagerung eine bestimmte Gestaltung haben muß. Insbesondere ist auch zu erkennen, daß seine Lager in Bereichen relativ großen Umfanges. angreifen.

Der Rotor 12 ist in axialer Richtung stabil von einem ringförmigen Axial-l'tabilisierungsmagneten 14 gehalten, der als axial magnetisierter Permanentmagnet ausgebildet ist und auch als Tragmagnet bezeichnet-wird. Der Rotor stellt sich

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axial so ein, ,laß seine obere Stirnfläche 15 im Bereich des Tragmagnetfeldes liegt und die axialen Komponenten des Tragmagnetfeldes den Rotor in dieser Lage halten. Durch ' das Tragmagnetfeld wird der Rotor lediglich in axialer Richtung stabilisiert. Das Magnetfeld des Tragmagneten 14 hat dagegen in radialer Richtung eine starke destabilisierende Wirkung, d.h. das Magnetfeld des Tragmagneten sucht· den Rotor ständig zum Anlaufen an dem Tragmagneten 14 zu bringen.

Dieser Wirkung sowie allen anderen -auf den Rotor 12 einwirkenden Kräften und Schwingungen in radialer Richtung wirken Lagerelemente 16 entgegen, die im Bereich des oberen und unteren Endes des Rotors 12 angeordnet sind. Trägmagnet 14 und die Lagerelemente 16 sind am Stator 13 befestigt. Die Lagerelemente 16, die im folgenden in ihrem Aufbau noch näher beschrieben werden, erzeugen durch Elektromagnetismus Magnetkräfte, die auf den ferromagnetischen Rotor 12 (bzw. auf ferromagnetische Teile an diesem) einwirken. Die Lagerelemente 16 werden von je einem Regelgerät 17 mit AusgangsSignalen beaufschlagt, die das Regelgerät als Auswirkung von Fühlersignalen von Fühlern 18 erzeugt, die um den Umfang des Rotors herum angeordnet sind und auf Lageänderungen des Rotors ansprechen. Es handelt sich also um berührungslose Wegaufnehmer. Je Lagerebene, die durch je ein Lagerelement 16 repräsentiert ist, sind vier Fühler 18 angeordnet. Es wird in zwei aufeinander senkrecht stehenden, radialen Richtungen geregelt, wobei in jeder Richtung Kräfte in zwei Orientierungen aufgebracht werden müssen, da bei-dem verwendeten ferromagnetischen Rotor nur Zugkräfte aufgebracht werden können. Es wäre natürlich auch möglich, nur zwei Fühler vorzusehen, da ja einander gegenüberliegende Fühler entgegengesetzt gerichtete, sonst aber einander' entsprechende Signale liefern. Die Regelung in insgesamt vier Zugrichtungen

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ist besonders einfach und ermöglicht auch einen besonders einfachen Aufbau des Regelgeräts. Grundsätzlich wäre es möglich, auch eine andere Anzahl von geregelten Zugrichtungen vorzusehen, mindestens jedoch drei.

Der Grundaufbau der Lagerelemente nach der Erfindung ist aus Fig. 2 zu ersehen. Es ist dort zu erkennen, daß der Rotor 12 von einem Ringkern 19 umgeben ist, der aus ferromagnetischem Material besteht. Der Ringkern kann aus handelsüblichen Werkstoffen 'zur Anwendung bei magnetischen Wechselfeldern bestehen, beispielsweise aus ferritischem Preßmaterial, Dynamoblech o. dgl. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß auch bei extrem hohen Drehzahlen des Rotors handelsüblicher Maschinenbaustahl ohne Nachteile als Material für den Ringkern verwendet werden konnte. Der Ringkern 19, dessen Abmessungen in axialer Richtung erheblicher geringer sind als sein Durchmesser, ist mit einer Wicklung 20 versehen. Diese Wicklung umgibt den Ringkern ebenfalls wendelförmig. Obwohl der Querschnitt des Ringkerns, wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, im wesentlichen rechteckig ist, könnte man die Wicklung grob angenähert auch als toroidförmig bezeichnen. Die einzelnen, jeweils getrennt gewickelten oder durch Anzapfung einer durchgehenden Wicklung entstehenden Wicklungsabschnitte sind als Spulen bezeichnet. In Fig. 2 sind zwei Spulen 21, 22 vorhanden, die jweils die obere bzw. die untere Hälfte des Ringkerns 19 umfassen.

Die jeweils benachbarten Anschlüsse 23 der beiden Spulen 21, sind elektrisch miteinander verbunden und jeweils an einen Ausgang des Steuergerätes 17 derart gelegt, daß sie von den Ausgangssignalen durchflossen werden. Die Wicklung 20 ist im vorliegenden Falle um den ganzen Ringkern 19 herum in der gleichen Windungsrichtung vorgenommen worden. Es ist selbstverständlicn, daß für beide Spulen 21, 22 auch unterschiedliche Wicklungsrichtungen gewählt werden könnten. Das wäre dann durch andere Polung der Spulen zu berücksichtigen. Die Spulen 21, 22 sind derart geschaltet, daß in dem Ring-

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kern 19 ein magnetischer Flußverlauf entsteht, wie er mit den strichpunktierten Linien 24 angedeutet ist. Der im Ringkern entstehende Fluß ist im Bereich der oberen Spule entgegen dem Uhrzeigersinn und im Bereich der unteren Spu- ■ Ie 22 im Uhrzeigersinn gerichtet. Diese beiden aufeinander zu bzw. voneinander weg gerichteten magnetischen Flüsse bilden infolge der Feldverdrängung im Bereich zwischen beiden Spulen 21,22 Magnetpole 26,27 aus. Der Magnetfluß würde also, wie es durch die Pfeile 25 angedeutet ist, an dem Pol 26 aus dem Ringkern T9 in den Rotor eintreten und am Pol 27 aus dem Rotor wieder in den Ringkern eintreten.

Der Ringkern einschließlich seiner Wicklung ist von einem Permanentmagneten 28 umgeben. Dieser ist als ein radial magnetisierter Ringmagnet ausgebildet, so daß, wie auch aus Fig. 1 zu erkennen ist, der Ringkern 19 von dem Magnetfluß des Ringmagneten durchströmt wird. Der Luftspalt 29 wird also von dem Vormagnetisierungsfeld 30 im wesentlichen radial durchströmt. Dieses fließt dann im Rotor axial auseinander und dann über den Luftspalt wieder zurück zum Stator. In den Zeichnungen ist das Vormagnetisierungsfeld mit gestrichelten dünnen Linien angedeutet, während das durch die Wicklung erzeugte Regelmagnetfeld 24*25 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist.

Wäre das Regelmagnetfeld 24,25 allein vorhanden, d.h. die Vormagnetisierung nicht vorgesehen, so wäre bei einem ferromagnetischen, aber nicht eigenmagnetischen Rotor eine Krafteinwirkung auf diesen nicht möglich, da die ausschließlich anziehenden Kräfte, die auf den Rotor 12 ausgeübt werden können, im Bereich der Pole 26 und 27 gleich groß waren. Bei der gezeigten Anordnung mit Vormagnetisierung wird jedoch das Vormagnetisierungsfeld 30 durch die überlagerung mit dem Regelmagnetfeld 24,25 derart verändert, daß es im Bereich des Poles 26 verstärkt und im Bereich des Poles 27

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abgeschwächt wird. In Fig. 2 ist dies durch die unterschiedlichen Längen der die Vormagnetisierung andeutenden Pfeile 30' verdeutlicht. Bei Umkehrung des Stromflusses in den Spulen 21, 22 kehrt sich auch der magnetische Fluß in dem Ringkern um und es entsteht an dem Pol- 27 eine Verstärkung des Magnetfeldes mit daraus resultierender Anziehung des Rotors an den Pol 27 heran.

Das in Fig. 2 zur Veranschaulichung dargestellte Lagerelement ermöglicht die Regelung in zwei der oben beschriebenen vier Richtungen. Zur Regelung in den zwei weiteren, in diesem Falle senkrecht liegenden Richtungen wäre entweder ein zweites Lagerelement 16 um 90° in der Querschnittsebene versetzt dazu anzuordnen oder aber auf den gleichen Ringkern 19 eine um 90 versetzte Wicklung aufzubringen.

In Fig* 3 ist eine besonders vorteilhafte Variante eines Lagerelementes 16' dargestellt. Bei im übrigen gleichem Aufbau besteht jedoch die Wicklung 20 aus insgesamt vier Spulen 21, 22, 21', 22». Die Spulen nehmen jeweils ein Viertel des Umfanges des Ringkerns 19 ein. Zwei zusammengehörige und an entsprechende Ausgänge des Regelgerätes 17 angeschlossene Spulen 21, 22 bzw. 21·, 22' liegen sich jeweils gegenüber. In Fig. 3 ist zur Verdeutlichung nur die Schaltung der Spulen 21, 22 gezeigt, die auch in der Zeichnung stärker dargestellt sind. Wicklung und Anschluß der Spulen 21', 22' sind entsprechend. ·

Es ist zu sehen, daß bei dieser Anordnung mit einer beispielsweise nur einlagigen Bewicklung des Ringkerns 19 die Herstellung eines vollständigen"Lagerelementes möglich, ist, das eine Ausregelung in allen vier Richtungen ermöglicht. Dadurch, daß zwischen zwei jeweils zusammengehörigen Spulen 21, 22 b'w. 21·, 21 " jeweils ein Viertel des Umfanges

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des Ringkerm 19 liegt, wird für eine besonders gute Homogenität des Feldes gesorgt. Es werden also "Pole" geschaffen, die eine außerordentlich großflächige Wirkung haben, nämlich zusammen den halben Umfang des Lagerelemehtes, und die dementsprechend geringe Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Rotor bewirken.

Im Falle von Fig. 3 sind die beiden Spulen 21, 22 hintereinander geschaltet. Sie könnten jedoch auch, wie in Fig. 2, parallel geschaltet sein.

In den Fig. 4 bis 7 sind verschiedene Arten der Anordnung von Permanentmagnetan 28 zum Zwecke der Vormagnetisierung aufgezeigt. Im übrigen, insbesondere bezüglich ihrer Wicklung und Ringkerne, entsprechen die Lagerelemente den bisher beschriebenen. In Fig. 4 ist zusätzlich zu dem außenliegenden radial magnetisierten, ringförmigen Permanentmagneten 28, wie er in den Fig. 1 bis 3 Verwendung findet, ein innerer Permanentmagnet 32 vorgesehen, der ebenfalls ring-, förmig ausgebildet ist und eine axiale Magnetisierung aufweist. Seine Abmessungen sind in radialer Richtung relativ gering. Die Wicklung 20 mit dem Ringkern Ί9 ist sozusagen ' zwischen den beiden Permanentmagnetringen 28, 32 eingeschlossen. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, wo lediglich der innere Permanentmagnet 32 vorhanden ist. Die Magnetisierungsrichtung ist, sofern sie'nicht ausdrücklich erwähnt ist, jeweils aus den strichpunktiert angedeuteten Flußverläufen zu entnehmen. Der an den Nutzluftspalt 29 unmittelbar angrenzende Permanentmagnet 32 bietet den Vorteil einer sehr guten Ausnutzung des permanentmagnetischen Werkstoffes, jey doch wird der wirksame Luftspalt für das Regelfeld größer. Bei Anordnung des Ringkerns mit Wicklung als an den Luftspalt angrenzendes Teil ist die Stärke der eigentlichen Wicklung und hier des Permanentmagneten zum Luftspalt hinzuzuzählen. Es hat sich jedoch herausgestellt, '

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daß ein großer Luftspalt durchaus nicht nur von Nachteil, sondern auch von Vorteil sein kann, da er zur Homogenisierung des Magnetfeldes beiträgt.

In Fig. 6 ist eine koaxiale Anordnung zweier im wesentlichen identischer Lagerelemente 16· dargestellt. Die Vormagnetisierung geschieht hier mittels zweier radial magnetisierter Permanentmagnetringe 28, die jedoch entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen haben. Es bildet sich also der aus der strichpunktierten Linie 30 zu ersehende Flußverlauf aus. Seine Wirkung wird noch durch einen zwischen den beiden Lagerelementen 16' angeordneten axial magnetisierten Ringmagneten 33 unterstützt. Auch diese Ausführungsform bietet eine sehr gute Ausnutzung des permanentmagnetischen Materials; insbesondere auch durch den axial magnetisierten Ringmagneten 33 wird eine Senkung von Streuflüssen und damit eine Erhöhung des Nutzflusses der Permanentmagneten erzielt.

In Fig. 7 wird die Vormagnetisierung durch einen axial magnetisierten Permanentmagneten 33* bewirkt. Sein Flußverlauf geht in ähnlicher Weise wie bei Fig. 6 durch oberhalb und unterhalb von ihm angeordnete Lagerelemente 16' und schließt sich durch einen im Rotor axialen Flußverlauf. Eines der beiden Lagerelemente könnte auch weggelassen werden, wobei dann ein anderes ferromagnetisches Element für die Verbesserung des Rückschlusses sorgen kann. Ss wäre jedoch auch möglich, den Ringmagneten 33' als Tragmagneten zu verwenden", wobei darm der Rotor in dem Bereich des Magneten einen Absatz oder ein Ende seines ferromagnetisehen Teiles besitzen sollte. Es sei hier bemerkt, daß das Vormagnetisierungs-Magnetfeld sowoiil zum Tragen als auch zur axialen Dämpfung¹ mitwirken kann. Während das Vormagnetisierungs-Magnetfeld in Umfangsrichtung nach Möglichkeit völlig homogen und gleichmäßig sein sollte, um keine Ummagnetisierungsverluste

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beim Drehen des Rotors zu erzeugen, besitzt es jedoch in axialer Richtung stets einen Gradienten, so daß eine axiale . Schwingung des Rotors durch Uramagnetisierungsverluste in erwünschter Weise gedämpft ,wird.

In Fig. 8 ist ein Lagerelement dargestellt, das in seinem Grundaufbau dem nach Fig.* '3 entspricht. Hier ist jedoch der Ringkern 19 aus vier jeweils gleich großen und gleich ausgebildeten Segmenten zusammengesetzt. Es ist zu erkennen, daß solche Segmente sich erheblich leichter mit einer Wicklung versehen lassen, als ein geschlossener Ring. Jeder der Abschnitte 34, die zusammen den Ringkern 19 bilden, ist mit einer der Spulen 21, 22, 21' bzw. 22· versehen. Alle vier Abschnitte 34 können gleich ausgebildet sein. Es ist wichtig, daß dde Abschnitte 34 so zusammengefügt werden, daß der magnetische Fluß in dem Ringkern nicht behindert wird. Vorzugsweise wird man also die Endflächen sauber passend bearbeiten, damit dort kein wesentlicher Luftspalt auftritt. Es 'ist jedoch auch eine Verzahnung der einzelnen Abschnitte gegeneinander möglich.

Die Vormagnetisierung wird von einem radial magnetisierten Permanentmagneten 28· übernommen, der aus einem um den Ringkern herumgewickelten plastisch verformbaren Band aus permanentmagnetischem Werkstoff besteht.

In Fig. 9 ist' schematisch eine Ausführungsform dargestellt, ■ bei der der Ringkern 19' aus Abschnitten 34' besteht, die nicht, wie in Fig. 8, Kreisringsegmente sind, sondern mit Gehrungen 35 versehene gerade Abschnitte, die mit den Spulen bewickelt sind. Aus den einzelnen Abschnitten 34'-setzt sich der Ringkern· 19¹ wie ein Bilderrahmen zusammen. Die vier geraden Abschnitte 34* können mit einer normalen.Wickelmaschine bewickelt werden und werden erst nach ihrer Bewicklung zu dem Rahmen zusammengesetzt. Es entsteht dabei zwar ein

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zumindest teilweise sehr großer Luftspalt zwischen dem Rotor 12 und dem Ringkern 19', trotzdem kann durch entsprechende Bewicklung eine gute Homogenität des Magnetfeldes und ein guter Wirkungsgrad erzielt werden.

In Fig. 10 ist ein Lagerelement dargestellt, das eine Kombination eines Innen- mit? einem Außenlager ist. Ein Rotor 12 ist an seinem oberen Ende mit einer umlaufenden ringförmigen Ausnehmung 36 versehen, die sowohl innen als auch außen von ferromagnetischen Wandteilen 37, 38 begrenzt ist. In die Ausnehmung 36 ragt von oben das Lagerelement 16" hinein, das am Stator 13 angebracht ist. Das Lagerelement 16'· besteht aus einem radial magnetisieren Ringmagneten 28, der sich in der Mitte zwischen zwei ferromagnetischen Ringen befindet, die zusammen den Ringkern 19 bilden. Um diesen aus den ferromagnetischen Ringen und dem Permanentmagneten 18 bestehenden Ring herum ist eine Wicklung 20 gelegt. Bei dieser Ausführungsform bilden sich zwei Nutzluftspalte 29 und 29'. Der infolge der FlußVerdrängung im Lagerelement 16" entstehende magnetische Regelfluß schwächt also den in beiden Luftspalten radial gerichteten Vormagnetisierungsfluß 30 jeweils in dem einen Luftspalt ab und verstärkt ihn dafür in dem anderen Luftspalt.

Die an den zylindrischen Spulenflächen austretenden magnetischen Felder durchsetzen' ausschließlich radiale Nutzluftspalte, daher entsteht ein optimales Verhältnis von Nutzfluß zu Streufluß. Auch baulich ist diese Ausführung besonders einfach, insbesondere wenn man sie mit zwei getrennten Lagerelementen vergleicht, die man sonst für eine derartige An-/ Ordnung benötigte. Der Permanentmagnet 28 kann, wie auch in den anderen Ausführung«formen, aus einem Preßmaterial gebildet sein. Dabei ergibt sich eine besonders einfache Art der Herstellung, indem das Magnetmaterial in Pulverform zwischen

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die beiden Ringe eingebracht und zwischen diesen zum fertigen Permanentmagneten verpreßt wird.

In Fig. 11 ist eine Ausführung schematisch angedeutet, bei ' der auch ohne Vormagnetisierung gearbeitet werden kann. In Fig. 11 ist nur eine Lager der Bewicklung dargestellt, d.h. mit den dort gezeigten Spulen 39, 40 ist die Regelung in einer Richtung möglich, und zwar eine Krafteinwirkung auf den Rotor 12 senkrecht nach oben. Für eine vollständige Lagerebene, müssen mindestens drei, vorteilhaft aber vier derartiger Wicklungen, entsprechend gegeneinander versetzt, vorgesehen sein.

Auf einem ferromagnetischen Ringkern 19, der den bisher beschriebenen entsprechen kann,'sind die Spulen 39 und 40 angeor'aet, und zwar derart, daß die in Fig. 11 oben liegende Spule 39 zwar die gleiche Windungszahl hat wie die Spule 40, jedoch auf einem erheblich geringeren Teil des Umfanges des Ringkerns IS angebracht ist, wie. die Spule Im dargestellten Beispiel nimmt die Spule 39 etwa ein Vier-, tel des Umfanges ein, während die Spule 40 drei Viertel des Umfanges des Ringkerns 19 einnimmt. An einer der Stoßstellen zwischen den beiden Spulen bzw. in deren erweitertem Bereich tritt der magnetische Fluß aus dem Ringkern 19 aus, durchfließt den Rotor il2 und tritt an der anderen versetzt gegenüberliegenden Stoßstelle wieder in den Ringkern 19 ein.. Es wird dadurch ein Lagerelement geschaffen, das auch ohne Vormagnetisierung eine Anziehungskraft in einer definierten Richtung auf den Rotor ausüben kann. Die '

für die"anderen Wirkungsrichtungen notwendigen Wicklungen können natürlich auf dem gleichen Ringkern 19 vorgesehen ) sein.

Diese Wicklung ist 'auch für Wechselspannungslager geeignet.

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Sie kann in der Weise geschaltet werden, daß sich bei Soll-Lage der Rotorachse alle Wechselfelder im Ringkern kompensieren, so daß weder in diesem noch im Rotormaterial durch Wechselfelder Ummagnetisierungen und Wirbelströme verursacht werden, die zu Erwärmungen führen und eine Verschlechterung der Energiebilanz des elektromagnetischen Lagers mit sich bringen. «Lediglich wenn eine Abweichung auftritt, werden die Lagerspulen mit ungleichen Wechselfeldern beaufschlagt und es erfolgen dann unmittelbare Einwirkungen auf den Rotor. In diesem Falle treten dann auch Ummagnetisierungen im Ringkern auf, wie es jedoch bei bekannten Wechselspannungslagern stiändig der Fall ist.

Von den dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Es war bereits erwähnt worden, daß für den Ringkern zahlreiche vorteilhafte Werkstoff-Möglichkeiten denkbar sind, beispielsweise normaler Stahl, Dynamobleche, aber auch hochpermeäble, ferritische Preßwerkstoffe. Diese vermindern auch bei starken Aussteuerungen Wirbelströme und besitzen hohe Grenzfrequenzen. Es ist festgestellt worden, daß evtl. entstehende Inhomogenitäten im Magnetfeld,' in dem der Rotor läuft, dadurch zu einem Minimum gebracht werden können, daß die Form des Ringkerns gegenüber der reinen Kreisform etwas verändert wird. Dabei ißt festgestellt worden, daß etwas größere Luftspalte, die dabei entstehen, gleichfalls zur Homogenisierung des Magnetfeldes beitragen. Gleiche Ergebnisse können durch Änderung des Querschnittes des Ringkerns oder durch unterschiedliche Bewicklungsdichte (Strombelag) erzielt werden. Wenn vorstehend von Inhomogenitäten die Rede ist, so sind darunter Magnetfeldverläufe über den Umfang des Nutzluftspaltes zu verstehen, die zu Verlusten im Rotor führen und größer sind al,s aus reinen Regelgründen 'notwendig.

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Die Spulenlänge ist bei einer vergleichbaren Aufteilung
der Wicklung proportional zum Lagerdurchmesser. Es ist
daraus zu erkennen, daß bei größerem Lagerdurchmesser,
der bei bekannten Lagern stets Schwierigkeiten macht,
eine vorgegebene Magnetfeldstärke durch eine geringere Anzahl von Wicklungslagen auf einer Spule hergestellt werden kann. Die Lagerelemente nach der Erfindung sind also insbesondere für Lager mit sehr großen Lagerdurchmessern vorteilhaft. Die Vormagnetisierung kann elektromagnetisch erfolgen, jedoch bietet die Möglichkeit, dafür Permanentmagnete zu verwenden, wesentliche Vorteile, da diese leistungslos und störungsfrei arbeiten. Es ist bereits erwähnt worden, daß das Lagerelement nach der Erfindung auch als
Wechselspannungs-Lagerelement brauchbar ist. Es sei noch
besonders auf die Möglichkeit hingewiesen, durch stationäre Wechselströme in allen Spulen erzeugte magnetische
Wechselfelder, die nicht zur Stabilisierung des Rotors beitragen, durch entsprechende Schaltung der einzelnen Spulen zu kompensieren, so daß bei Soll-Lage des Rotors weder im
Rotor noch im Stator (Ringkern) Hysterese und Wirbelströme erzeugt werden. Dadurch wird ein wesentlicher Nachteil bisheriger Wechselstromlager ausgeschaltet.

Bei den mit Vormagnetisierung arbeitenden Lagerelementen
sind die resultierenden, auf den Rotor einwirkenden magnetischen Kräfte'-bei großen Luftspalten näherungsweise proportional dem Produkt der durch die Vormagnetisierung erzeugten Induktion und der durch den Ringkern mit Wicklung im selben Luftspalt erzeugten Induktion. Bei permanentmagnetischer Vormagnetisierung kann bei konstanten Regler- und Spulendaten und somit konstanter elektrischer Leistung die maximale magnetische Tragkraft des Radiallagers und seine magnetische

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Federkonstante in weiten Grenzen variiert werden. Durch entsprechende Bemessung der Permanentmagnete für die Vormagnetisierung ist eine Erhöhung der Tragkraft ohne Mehraufwand an elektrischer Energie möglich. Aus den gleichen Gesichtspunkten heraus bietet sich durch erhöhte Vormagnetisierung auch die Möglichkeit, selbst bei großen Luftspalten noch für viele Anwendungsfälle ausreichend große Magnetkräfte zu erzeugen.

Die permanenten Magnetfelder im Nutzluftspalt können ferner zur Kompensation von statischen Lagerbelastungen verwendet. werden. In Richtung der statischen Störkräfte wird das permanente Magnetfeld in der Weise dieser Kraft angepaßt, daß die aus der Differenz der magnetischen Artziehungskräfte im Nutzluftspalt resultierende Kraft die statische Störkraft kompensiert. Dynamische Belastungen können also ohne Einschränkung des Funktionsbereichs der Reglereinrichtung durch statische Störkräfte vom Lager beherrscht werden.

Es ist ferner denkbar, den Ringkern genutet auszuführen. Es ergibt sich dabei zwar eine Verminderung des Luftspaltes zwischen Ringkern und Rotor, jedoch eine erheblich höhere Welligkeit des Magnetfeldes längs des Luftspaltes und damit größere Inhomogenität. Diese Maßnahme ist daher nur evtl. in Sonderfällen anzuwenden.

Die beschriebenen Lagerelemente sind auch bei Verwendung von Reglern anwendbar, die nicht in der bisher beschriebenen Form arbeiten, d.h. bevorzugt als gleichstromgespeiste Regelgeräte, die die Fühlersignale verstärken und zeitlich in" ihrer Phase verschoben an die Lagerelemente abgeben. Eine andere Reglerart ändert die Zeit der Einwirkung eines Stromes konstanter Amplitude auf das Lagerelement als· Funktion der Rotorlage. Derartige Regler sind auch als elektronische

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Gleichstromsteller bekannt. Die Magnetfelder der hierbei ' · notwendigen Nullströme werden durch entsprechende Beschaltung der Wicklung kompensiert, so daß die Homogenität des Lagers hierdurch nicht nachteilig beeinflußt wird. Das Lagerelement nach der Erfindung kann nicht nur als Außenlager, d.h. den Rotor umgebend, sondern auch als Innenlager, d.h. innerhalb eines Rotorteils, angeordnet sein.

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Claims

Ansprüche

Π.j Elektromagnetisches Lagerelement zur Lagerung von Rotoren in einer radialen Ebene mit einem ringförmigen, ferromagnetisehen Ringkern und einer Wicklung, die als wenigstens drei separate Spulen wirkt bzw. geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (20) auf dem Ringkern, dessen Querschnitt wendelförmig umgebend, bzw. toroidförmig angeordnet ist und daß die Spulen (21, 22, 21', 22', 39, 40) in dem Ringkern (3 9) Bereiche unterschiedlich großen bzw. einander entgegengesetzt 'gerichteten magnetischen Flusses erzeugen.
2. Lagerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (20) mit den AusgangsSignalen eines gleichstromgespeisten elektronischen Regelgerätes (17) beaufschlagt ist, die von dem Regelgerät (17) in Abhängigkeit von Signalen von Fühlern (18) erzeugt werden, die auf die Abweichungen des Rotors (12) von seiner Soll-Lage ansprechen.
3. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (16, 16·, 16'') mit einer im Luftspalt im wesentlichen radial gerichteten Vormagnetisierung versehen ist.
4. Lagerelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Vormagnetisierung mit Permanentmagneten (28, 32,,33, 33') versehen ist.
5. Lagerelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (28·) aus flexiblem Permanentmagnetmaterial besteht, das in die gewünschte Ringform gewickelt

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6. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (20) aus vier gleichmäßig über den Umfang des Ringkerns (19) verteilten Spulen (21, 22, 21', 22«) besteht.
7. Lagerelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (21, 22, 21', 22·) etwa ein Viertel des Umfanges des Ringkerns (19) einnimmt.
8. Lagerelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei einander gegenüberliegende Spulen (21, 22; 21', 23') mit dem gleichen, von einem Fühler (18) bzw. Fühlerpaar beeinflußten Ausgang des Regelgerätes (17) verbunden sind.
9· Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine von je zwei zur Erzeugung eines den Rotor (Ί2) durchdringenden Magnetfeldes'zusammenwirkenden Spulen (30, 40) zur Erzeugung eines zum Rotor (12) unsymmetrischen Magnetfeldes einen größeren Teil des Umfanges des Ringkerns (19) einnimmt als·'die andere.
10. Lagerelement ,nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Ringkern (19) aus mehreren Abschnitten (34)· zusammengesetzt ist, von denen jeder mit einem Teil der ¥icklung (20) vorsehen ist.
11. Lagerelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (34) jeweils ein Viertel des Ringkernes (19) bilden und mit einer Spule (21, 22, 21', 22') versehen sind.
12. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (19) aus ferritischem Preßmaterial besteht. 3 „ g _aA j , _{Q Q} 3 _ß

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13. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es liotorteile (37) umgibt und auch , von Rotorteilen (38) umgeben ist und daß in beiden sich bildenden ringförmigen Luftspalten (29,29') eine im wesentlichen radial wirkende Vormagnetisierung vorgesehen ist.

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