DE2312001C3 - Verfahren zum Betrieb eines Magnetlagers und Magnetlager zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetlagers nach dem Oberbegriff a^as Anspruchs 1 und ein Magnetlager zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Magnetlager ist in der DE-PS 17 50 602 beschrieben. Mit ihm ist zwar auch die Lagerung eines Rotors mit horizontaler Drehachse oder eines Rotors mit einer mehr oder weniger konstanten radialen belastung möglich, jedoch müssen diese radialen Kräfte von den aktiv geregelten Radiallagern aufgenommen werden. Dadurch wird aber nicht nur die Baugröße und der Energiebedarf für die Radiallagerung erheblich vergrößert, sondern auch die auf eine Drehung des Rotors bremsend wirkenden Kräfte (»Lagerreibung«) werden wegen der dabei auftretenden Inhomogenität des Magnetfeldes vergrößert

Lager, die Querkräfte aufnehmen können, beispielsweise Lager horizontaler Rotoren oder von Rotoren beliebiger Achslage mit einseitigen Querkräften, werden aber in der Technik häutig be.iötigt. Es ist beispielsweise erstrebenswert, die horizontal liegenden Läufer sogenannter »openendw-Spinnturbinen, die mit sehr hohen Drehzahlen umlaufen, magnetisch zu lagern.

Solche Spinnturbin-sn sind z. B. in der Zeitschrift »Deutsche Textiltechnik, 1971, Heft 12, Seiten 763 ff beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein an sich bekanntes Magnetlager so zu beschreiben, daß Querkräfte ohne wesentliche Erhöhung des Widerstandes gegen Drehung und des Bau- oder Energieaufwandes aufgenommen werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß de; Erfindung durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Magnetlager zur Durchführung des Verfahrens kann vorteilhaft einen Magneten mit über den Luftspaltumfang ungleicher Magnetfeldstärke besitzen. Dieser Magnet, der beispielsweise ein den Rotor umgebender Ringmagnet sein kann, kann z. B. im Zusammenwirken mit einer Kante im ferromagnetischen Material des Rotors, gleichzeitig für die Axial-Stabilisierung des Magnetlagers sorgen. Der Magnet kann also identisch mit dem zur Axialstabilisierung benutzten Magneten sein. Insofern erfüllt er eine Doppelfunktion, die die Wirtschaftlichkeit des Lagers erhöht.

Wenn nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Magnet derart angeordnet ist, daß sein Magnetfeld eine Vormagnetisierung für einen radial stabilisierenden Elektromagneten bildet, dann erfüllt der Magnet eine weitere Funktion, die sich auch auf die Radiallagerung positiv auswirkt.

Während man bisher geglaubt hatte, daß eine

bo Aufnahme von im wesentlichen stationären Querkiäften in einem Magnetlager eine derart große Inhomogenität des Magnetfeldes erzeugt, daß die dabei entstehenden Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Rotor das Lager unwirtschaftlich machen, hat sich

i,5 herausgestellt, daß dies bei der Erfindung nicht der Fall ist. Bei den bekannten Magnetlagcrn versuchte man diese durch spezielle Ausbildung des Rotors (Rotorblec hu ng, hysteresearmen ferritischen Werkstoff o. dgl.) zu

verringern. Nach der Erfindung ist es möglich, die entstehenden Verluste so gering zu halten, daß solche aufwendigen und die Rotorfestigkeit vermindernden Maßnahmen nicht notwendig sind. Durch die Überlagerung des zur Aufnahme der Querkräfte über den Luftspaltumfang sich ändernden Magnetfeldanteils mit einem konstanten Magnetfeldanteil können die Verluste relativ gering gehalten werden. Die Ummagnetisierungsverluste, die im Rotor entstehen, wenn dieser sich in einem inhomogenen Magnetfeld dreht, sind nämlich abhängig vom Quadrat der Amplitude der magnetischen Induktion des veränderlichen Magnetfeldanteils, während die magnetischen Anziehungskräfte, die zum Ausgleich der Querkräfte erforderlich sind, von dem Produkt der magnetischen Induktionen des konstanten und des sich ändernden Magnetfeldanteils abhängen. Mit anderen Worten: Der über den Luftspaltumfang konstante Magnetfeldanteil trägt zwar nicht zur Vergrößerung der Verluste bei, wirkt aber als die Anziehungskräfte erhöhender Faktor. Wenn eingangs von einem Magnetfeld gleicher Richtung gesprochen wurde, so soll damit ausgedrückt werden, daß das Magnetfeld über den gesamten Luftspaltumiang nur anziehende Kräfte ausübt und vorzugsweise in Umfangsrichtung seine Polarität nicht ändert

Auf diese Weise können auch Lagerprinzipien, die sonst wegen ihrer hohen prinzipbedingten Verluste als nachteilig gelten, mit brauchbarer Wirtschaftlichkeit eingesetzt werden. So ist es nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung möglich, daß der Magnet ein jo wechselstromgespeister Elektromagnet ist und mit Spulen einer Wechselspannungs-Radiallagerung räumlich und/oder funktionell gekoppelt ist. Derartige Lager, die auch als Resonanzkreislager bezeichnet werden, können Vorteile bieten, da sie u. a. keine Sensoren benötigen.

Weitere Merkmale von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Einige Ausführungsbeispiele von Magnetlagern zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, teilgeschnittene Seitenansicht eines Magnetlagers eines Rotors mit horizontaler Drehachse,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt nach der Linie 11-11 in Fig. I,

Fig.3 ein schematisches Diagramm der magnetischen Induktion ßüber den Luftspaltumfang U,

Fig.4 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Details einer anderen Ausführungsform,

F i g. 5 und 6 andere Ausführungsformen von Magneten in Darstellungsweise gemäß F i g. 2,

F i g. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII in F i g. 6,

F i g. 8 eine abgeänderte Ausführungstorm eines Magneten in der Darstellungsweise der F i g. 2,5 und 6, F i g. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in F i g. 8,

Fig. 10 eine Ausführungsform eines Magneten, entsprechend F i g. 8 dargestellt,

Fig 11 einen schematischen Schnitt nach der Linie Xl-Xl in Fig. lOund

Fig. 12 eine teilgeschnittene schematische Seiten-Detailansicht einer Ausführungsform mit einem Elektromagneten und einem Wechselspannungs-Resonanz- n^r> kreislager.

In Fig. 1 ist ein völlig berührungsloses Magnetlager für einen Rotor 11 i,\ einem nur schematisch angedeuteten Stator 12 dargestellt. Der Rotor besteht bei dem dargestellten Beispiel ganz aus ferromagnetisehen Werkstoff, beispielsweise einem Stahlrohr oder Stahlzylinder. Es ist jedoch auch möglich, den Rotor aus beliebigem anderem Werkstoff herzustellen und ihn nur im Berreich der Lager mit ferromagnetischen Teilen zu versehen.

Im Bereich seiner beiden Enden ist der Rotor durch Magnetlager 13 gelagert

Die Magnetlager 13 besitzen je einen Magneten 14, 14', der in Form eines axial magnetisierten, ringförmigen Permanentmagneten ausgebildet ist Ferner besitzt jede magnetische Lagerung 13 ein Radiallager 15, das elektrische Wicklungen 16 besitzt die an ein Regelgerät 17 angeschlossen sind.

Das Radiallager 15 besitzt einen ferromagnetischen, ringförmigen Kern 18, um den die Wicklung 16 wiederum ringförmig, d. h. toroidförniig herumgewikkelt ist Vorzugsweise besteht die Wicklung 16 aus vier getrennt elektrisch beaufschlagbaren Wicklungsabschnitten. Ein solches Radiallager err glicht eine aktiv geregeiie Lagerung in iwc\ radialen Richtungen, beispielsweise einer in Fig. 1 in der Zeichenebene liegenden vertikalen und einer zur Zeichenebene senkrechten horizontalen Richtung. Das Radiallager ist im einzelnen in der DE-AS 22 13 465 beschrieben. Es können jedoch auch andere Radiallager Verwendung finden, wie sie in den DE-PS 17 50 602 und 19 33 031 beschrieben sind.

Das Steuergerät verarbeitet die Signale von berührungslosen Sensoren 19, die beim dargestellten Beispiel galvanomagnetische Bauelemente sind, die im Bereich der Magneten 14 angeordnet sind und die Signale in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Abstand vom Rotor 11 erzeugen. Derartige Sensoren sind als Feldplatten bekannt. Es können jedoch auch an sich bekannte kapazitive, induktive oder lichtelektrische Fühler Verwendung finden. Das Regeigerät 17 ist an eine Stromquelle, vorzugsweise eine Gleichs:romq ;elle, angeschlossen und besteht in bekannter Weise aus einem Verstärker und einem Phasenschieber für die MeCignale der Sensoren. Durch eine Justiereinrichtung 22, beispielsweise ein zum Regelgerät 17 gehörendes Potentiometer, kann die Lage der Soll-Drehachse 22 des Rotors 11 eingestellt werden. Der Einfachheit halber ist in der Zeichnung nur ein Regelgerät mit seinen beiden einander entgegengesetzt angeordneten Sensoren und einer Justiereinrichtung 21 dargestellt Für die senkrecht dazu liegende Ebene ist ebenso ein Regelgerät notwendig, das jedoch mit dem ersten zu einer konstruktiven Einheit zusammengefaßt sein kann.

Die Lager auf beiden Seiten des Rotors 11 unterscheiden sich nicht wesentlich voneinander. Der auf der linken Seite dargestellte Magnet 14' ist radial magnetisiert, d. h. seine Pole liegen an dem inneren bzw. äußeren Umfang.

Bei dem Beispiel nach Fig. 1 sind die Magneten 14, 14' und die Radiallager 15 zu einer Mittelachse 23 ausgerichtet, die, wie insbesondere auch aus F i g. 2 zu erkennen ist, nicht .nit der Soll-Drehachse 22 übereinstimmt Die Soll-Drehachse 22 liegt vielmehr in dem gezeigten Beispiel gegenüber der Mittelachse 23 aufwärts verschoben, so daß sich zwischen den Magneten 14, 14' und dem Rotor 11 ein Luftspalt 24 bildet, dessen radialen Abmessungen sich über den Umfang ändern. Auf den Rotor wirkt eine im wesendichen stationäre Querkraft ein, die bei dem hier dargestellten Beispiel durch die Schwerkraft des Rotors

gegeben ist, die wegen seiner horizontalen Lage in radialer Richtung wirkt. Es vci jedoch bemerkt, daß durch die magnetische Lagerung nach der Erfindung auch andere Querkräfte aufgenommen werden können, die aufden Rotor einwirken. Sie sollten vorzugsweise im wesentlichen stationär sein. d. h„ daß das Magnetlager nach der Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann, wenn die Querkraft ihre Größe und ihre Richtung in bezug auf den Stator nur wenig ändert. Durch besondere Maßnahmen, beispielsweise Verlegung der Lage der Soll-Drehachse 22 in bezug auf das Magnetfeld der Magneten 14, 14' kann jedoch auch bei sich in Größe und Richtung ändernder Querkräfte eine Anpassung geschaffen werden.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lager arbeitet wie folgt: Der als Ring ausgebildete Magnet 14 übt radiale Kräfte auf den Rotor 11 aus, die mit Ausnahme der Mittellage, in der sie sich kompensieren, destabilisicrend auf den Rotor wirken, d. h. der Magnet sucht den

ιιυιυι uiiivr uiZkiLfiu^Kuug UL3 L₁Um^iIULJ *τ iiLiaii/.uziehen. Diese destabilisierenden Kräfte nehmen mit der Auslenkung von der Mittellage zu, sind also progressiv. Bei einem Rotor ohne einwirkende stationäre Querkräfte wird vorzugsweise durch das Radiallager 15 der Rotor in einer Lage gehalten, die der beschriebenen Mittellage möglichst nahe kommt. Das wird bei den rotationssymmetrisch ausgebildeten und magnetisierten Magneten 14,14' die Lage sein, in der die Soll-Drehachse 22 auf der Mittelachse 23 liegt. In dieser Lage ist nicht nur die geringste Beeinflussung des Rotors 11 durch die destabilisierenden Kräfte gegeben, sondern der Rotor 11 wird auch von einem homogenen, d.h. über den Luftspaltumfang gleich bleibenden, Magnetfeld der Magneten 14, 14' durchsetzt. Die Magneten 14, 14' wirken in der in Fig. I angegebenen Anordnung als Axial-Stabilisierun.gsmagneten, da sie im Zusammenwirken mit den Rotorenden 26 eine ohne aktiv geregelte Beeinflussung stabile axiale Rotorlage schaffen. Bei einer vertikalen Rotorlagerung würde daher der oberste Magnet 14 als Traglager dienen.

Beim dargestellten Beispiel ist die Lage der Soll-Drehachse 22 gegenüber der Mittelachse 23 verschoben, und zwar entgegen der durch den Pfeil 25 angedeuteten Richtung der Querkraft. Dies kann durch entsprechende Justierung der Radiallager 15 geschehen, indem sie durch die Justiereinrichtungen 21 so eingestellt werden, daß sie den Rotor auf der Soll-Drehachse 22 halten.

Auf den Rotor 11 wirken nun die entgegen der Querkraftrichtung 25 gerichteten destabilisierenden Kräfte ein, die ihn nach oben zu ziehen suchen und der Kraft 25 entgegenwirken. Die Soll-Drehachse 22 wird vorzugsweise so gelegt, daß diese destabilisierenden, der Querkraftrichtung 25 entgegengerichteten Kräfte die Querkraft 25 genau aufheben. Im Luftspalt 24 herrscht nunmehr eine Magnetfeldverteilung, wie sie in F i g. 3 angedeutet ist.

In Fig. 3 ist die magnetische Induktion B über dem Umfang U des Luftspaltes 24 aufgetragen. Dem konstanter Magnetfeldanteil B₀ ist ein über den Luftspaltumfang {/veränderlicher Magnetfeldanteil AB überlagert. Wenn man die Viertel des Luftspaltumfanges im Uhrzeigersinne, von oben beginnend, mit a bis d bezeichnet so ist es aus Fig.3 zu erkennen, daß die Induktion B am Punkt a am größten ist (B₀ + AB) während sie am Punkt cam kleinsten ist (B₀ — AB).

Es ist zu beachten, daß die Fig.3 nur eine schematische Darstellung ist Die Kurve für AB braucht nicht, wie dargestellt, Sinusform zu haben, obwohl dies im Interesse geringer Verluste anzustreben ist.

F-] s ist also zu erkennen, daß gegenüber der magnetischen Induktion H,- eine Änderung auftritt, die ι das Magnetfeld am funkte ;/ stärkt, während sie das Magnetfeld im Punkt cschwächt. Man sollte annehmen, daß eine Aufnahme der Qucrkräfti: sehr nachteilig Kt die man damit erkaufen muß. daß man einer großen in einer Richtung wirkenden Kraft eine noch größere in

ίο der anderen Richtung wirkende entgegensetzt, und daß insbesondere die Verluste durch die Magnetfelder stark ansteigen müßten. Ks tritt jedoch das Gegenteil ein. Während nämlich die Wirbelstrom- und Hystereseverluste, die bremsend auf die Drehung des Rotors

ι ' einwirken, vom Quadrat des sich ändernden Magnetfeldanteils (AB) abhängig sind, sind jedoch die den Querkräften entgegenwirkenden Kräfte von dem Produkt des konstanten und veränderlichen Magnetfeldanteils (AB ■ B₀) abhängig. Es ist daher nicht nur

Kein fäCnicn, 5ΰΓιυ€ΓΠ SügäT crSircLftfiäWCri, uCH

konstanten Magnetfeldanteil B₀ im Verhältnis zu AB sehr hoch zu wählen. Es wird dann nur ein sehr geringer veränderlicher Magnetfeldanteil A B benötigt, um große K-äfte zu erzielen, während die Verluste, da sie von AB

r> abhängig sind, klein bleiben.

Dies sind jedoch nicht die einzigen Vorteile, die ein hoher konstanter Magnetfeldanteil hat. Wenn, wie in F i g. 1 dargestellt, die Magneten 14,14' in ihrem axialen Gegene ·..anderwirken die axiale Führung des Rotors 11

ίο übernehmen, so kann mit einem hohen konstanten Magnetfeldanteil, d.h. einer großen im Luftspalt 24 fließenden Magnetfcldstärke, auch eine besonders steife axiale Lagerung geschaffen werden. Ferner wirkt sich eine hohe Vormagnetisierung der Radiallager 15

ii vorteilhaft auf deren Wirksamkeit aus. Es sei bemerkt, daß die hier speziell dargestellten Radiallager 15 stets eine Vormagnetisierung benötigen, die in diesem Falle von den Magneten 14, 14' übernommen wird. Im Beispiel nach Fig. 1 haben also die Magneten 14, 14' eine Dreifachfunktion: Sie nehmen die Querkraft 25 auf, sie schaffen ohne aktive Regelung eine axiale Lagestabilisierung für den Rotor 11 und wirken als Vormagnetisierune für die Radiallaeer 15. Nur der Vollständigkeit halber sei bemerkt, daß der Rotor auf beliebige Art und Weise angetrieben werden kann, beispielsweise durch einen nicht dargestellten Drehstrommotor, dessen Läufer der Rotor ist.

In den Zeichnimgsfiguren 4 bis 12 sind Varianten des beschriebenen Magnetlagers dargestellt. Die Funktionsso weise ist, sofern nichts anderes erläutert ist, im wesentlichen die gleiche, wie sie bereits beschrieben ist, und für gleiche Teile werden gleiche Bezugszt.chen verwendet.
Das Lager nach F i g. 4 unterscheidet sich von dem rechten Lager in F i g. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß das Radiallager 15 seinen Mittelpunkt nicht auf der Mittelachse 23 des Magneten 14 hat, sondern auf der Soll-Drehachse 22. Auch die Sensoren 19 sind so angeordnet, daß sie jeweils im gleichen radialen Abstand von der Soll-Drehachse 22 liegen. Mit anderen Worten: Das Radiallager 15 ist gegenüber dem Magneten 14 radial entgegen der Querkraftrichtung 25 verschoben. Während also bei F i g. 1 die Verschiebung der Soll-Drehachse 22 aus der Mittellage durch Justierung am Regelgerät 17 vorgenommen wurde, erfolgt bei Fig.4 eine mechanische Verschiebung zwischen Radiaiiager und Magnet

Die Ausführungsform nach F i g. 5 besitzt einen

Magneten 14, ι. del zw. ir in? w cscnll'chcn .hu h .il· Kiiii.'Mi,ιμικΊ ausgebildet i'.i. aber in radiale: Ku hiiiMs¹ me ' 11:1 cn h π ι.ι I (ι μι' W ,im K !.ι ι ki· In¹SiI/ι. Im il.i ι μι-si fil •iii I ,ilk· j.Tt'ifi du· Oiicikial! beispic^w eise dur·. h XninchseinNussc ett. bedingt, lintel eine!¹ Winkel /m \ erlik.ilen ,im Kotor Il ,in. Dcmentsprci bein! :■>! die innere l'Hniinj: 27 lies M.igtie'rn 14.) in Richtung der (,)ιι··ι ki .ι! ι 2i ;'i')'eniilH'i" Ji'i a 11 Here η Begrenzung 2fi des MiI^:,',.¹Icn \ ITH¹Ik ιIvπ. Hei gleicher spezihsi hei M ag nc tiMcniiiL' tics M.ιμίΗΊ'M.iti'i i.iK lies M,i;: lelcn bιIdel sich ,ils, ι .inf tlci de¹' Querkraflnchlung 25 entgi-ge-igestzten Seile (links nhcii) im Luftspalt 24 em stärkeres magnetisches IeItI heraus. Heim iliirgcsiclltcn Beispiel geht die Soll-Drehachse 22 durch den Mittelpunkt des de außen· Begrenzung 28 bildenden Kreises. Kr steh! ,ι .ο u leileriiin uns\ mmetnsch zur inneren Öffnung 21. so d.il.i der I,liftspult 24 unterschiedliche Dicke hat. I s sei jedoch bemerkt, daß auch dann, wenn der Rotor um die Mittelachse 2V der inneren Öffnung laufen würde. hoi ii liii- iii-;ii>Mi-!mj!tt' Wirkung eier viierkraitauinahme entstehen würde, ci.i das Magnetfeld auf der linken oberen Seite in I'ig. ■"> wegen tier größeren Ansammlung μ in Magnet material starker wäre.

Nach den K ι g. b und 7 ist der Magnet aus zwei axial hintereinander angeordneten Magneten 14/' und 14c zusammengesetzt Sie sind beide nut einer exzentrischen inneren Öffnung 27 entsprechend ΙΊ g. > \ ersehen. Wahrend die äußere Begrenzung 28 der miteinander identischen Magneten übereinstimmt, sind sie ieiloch in ihrer Winkellage zueinander derart verdreht ,ingeordnet, daß sie zwischen sich eine resultierende öff\.ing 27' bilden, die cmc aus zwei Kreisbogen zusammengesetzte ovale Form besitzt. In dieser Öffnung ist der Rotor 11 in Richtung auf die Seite, an der die größte radiale Matcri.ilstarke der beiden Magneten 14/i und 14c liegt, el. h. entgegengesetzt der Querkraftnchtung 25. verschoben angeordnet. Seine Soll-Drehachse 22 liegt wiederum im Mittelpunkt des die äußere Begrenzung 28 bildendes Kreises. Auch hier ist. wie bei den I ι g. 4 und '>. eine Verschiebung der Soll-Drehachse gegenüber den angegebenen bevorzugten I.,igen möglich. Bei der Alisführungsform nach den F-' i g. b und 7 ist ZHSälzlirh /ii Horn Vnrlpil rl;»Γι im Vprorlpii-h /n F- i g. 2 die Änderung der Stärke des Luftspalles nicht zu groß zu werden braucht.die Möglichkeit gegeben.durch Verdrehung der beiden Magnethälften 146 und 14c gegeneinander die Größe der aufgenommenen Querkräfte 25 einzustellen.

Aus F i g. 5 ist ferner zu erkennen, daß dieses Lager, wie die übrigen Lager auch (vgl. auch F i g. 9). lediglich als Radialtraglager eingesetzt werden können, indem sie nicht mit einem Ende oder einer Kante im ferromagnetic sehen Material des Rotors zusammenarbeiten. In diesem Falle üben sie keine wesentlichen axialen Kräfte aus.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine Ausführungsform, bei der der Magnet 14c/aus einem permanentmagnetischen, axial magnetisierten Ringmagneten mit überall gleicher radialer Dicke besteht, der auf beiden Seiten mit scheiben:örmigen Polschuhen 29 versehen ist. Die Polschuhe 29 haben eine innere Öffnung 30, die kleiner ist als die innere öffnung 27 des Ringmagneten und die gegenüber der öffnung 27 exzentrisch angeordnet ist. Obwohl die Soll-Drehachse 22 des Rotors 11 durch den Mittelpunkt des die äußere Begrenzung 28 des Magneten bildenden Kreises geht, wird so ein Luftspalt 24 geschaffen, der an der der Querkraftrichtung 25 entgegengesetzten Seite geringer ist als der auf der in

I ι ;■ x ¹IIiIcTeIi Seil· Die l'olscliuhe. die ,vv- lerroniii i'ii· ' ι ;ien IiIi vhs( hciben bestehen könne¹ .ersiarkei ,Ilse \is Μ;ΐι:ιΐι·ΐΙι id im oberen Heren h indem sie e iiiili·· ,in den I .,iiiler heranleiten.

In den I ig. 10 und Il ist eine Ausfuhrungsforn dargestellt. Ivi der ebenfalls wieder ein Magr iring mi gleicher Wandstarke verwendet wird, in dem der RoIo

II K'doch zentrisch \erliiuft. Der Luftspalt 24 zwischi.M dem Magneten 14c und dem Rotor 11 hat also liberal die gleiche Starke. Die veränderliche Magnetfeldkoni ponenle wird bei dieser Ausführungsform durch en magnetisches Kucksehlußteil 32 erzeugt, das beispiels weise die gezeigte sichelföi mige Form haben kann uiu im unteren Bereich des axial magnetisierten Magnetei 14c' einen magnetischen Kurzschluß bildet, so daß ^;n unleren Teil des l.iifispalles 24 eine Magnetfeldschwä cluing gegenüber dem oberen Teil vorliegt. Bei diesel Ausführiingsform ergibt sich der Vorteil eines l.uftspal ics gleichbleibender Stärke, sowie die \orteilhafti Möglichkeit, gleiche Ringmagneten verschiedene! Querkräften anzupassen. Ks sei jedoch bemerkt, dal normalerweise die Anpassung an unterschiedliche Querkr.ifte ganz einfach durch Änderung des Betrage der Verschiebung der Soll-Drehachse entgegen dei R ichtung der Querkraft erfolgt.

In I'i g. Il übt der Magnet 14c· zusammen mit zwe Absätzen 33, 36 im ferromagnetisch.cn Material 37 de¹ Rotor¹, Il auf diese axiale stabilisierende Kräfte aus Dabei ist der Absatz 36 nur im ferromagnetische! Material 37 gebildet. Die äußere Mantelfläche de? Rotors 11 ist dagegen durchgehend, indem anschließen^ an den Absatz 36 ein nicht ferromagnetisches Materia 38 anschließt. Auf diese Weise ist es möglich, mit nut einem Magneten 14c eine axiale Führung des Rotors Il in beiden axialen Richtungen zu erzeugen. Ls sei noch bemerkt, daß axiale Schwingungen des Rotors durch Wirbelstrom-Hystereseverluste gedämpft werden. Dies ist für die meisten Anwendungsgebiete ausreichend während in radialer Richtung viel eher eine aktive Dämpfung erforderlich ist. wie sie das Magnetlager nach der Erfindung bietet.

Bei allen dargestellten Ausführungsformen war bisher

Permanent-Ringmagnet ausgebildet. Dies ist eine

is besonders vorteilhafte Ausführungsform, da einerseits ein Permanentmagnet nicht auf ständige Energiezufuhr angewiesen ist und zum anderen die Rotorenden frei von Lagerungsteilcn bleiben. Es ist jedoch auch möglich, den Magneten als einen Stabmagneten auszubilden, der

5n in ein hohles Rotorende hineinragt. Dabei wird in gleicher Weise durch Verlagerung der Soll-Drehachse eine Kraft geschaffen, die einer Querkraft 25 entgegenw rken kann.

'n Fig. 11 ist dagegen eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Elektromagnet 14f Verwendung findet. Der Elektromagnet 14/"ist als eine den Rotor 11 umgebende Ringspuie ausgebildet, die ein axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt. Sie kann von Wechselstrom durchflossen sein und für die Aufnahme einer Querkraft 25 und/oder die axiale Rotorstabilisierung sorgen. Wenigstens drei weitere Spulen, von denen die Spulen 34, 34' dargestellt sind, sind um den Rotorumfang herum angeordnet und haben eine radiale Wirkrichtung. Die Spulen 34 sind hier der Einfachheit halber gesondert dargestellt, können aber auch räumlich und/oder funktionell noch stärker mit dem Elektromagneten 14/gekoppelt sein. Jede Spule wirkt zusammen mit einem Steuergerät 35 als Radiallagerung. Das

Steuergerät 55. das an Line Wechsclslromspannuii)· angeschlossen ist, bilde! zusammen mn tier Spule 14 .'in Wechselspannungs-Resonanzkreislager, Bei dieser .in sich bekannten Lagerart ist ivuc S[UiIe i4 m einem Schwingkreis angeordnet, der duich Rotor\erlagenin gen versiiinmi wirtl und somit gleichzeitig Radiallai'cr und Sensoren ersel,.i. Durch Überlagerung der magnfi sehen !'eitler ties Klektromagnetcn 14/'und tier Spule !4 tritt in bcschrietH'ner Weise eine Verstärkung tier Kraftwirkung tier Spule 14 auf. insbesondere, wenn sie mil tier gleichen frequenz beirieben werden. Dadurch kann der prinzipielle Nachteil eines Wecliselpanmings lagers, nämlich tlie Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Rotor, zum feil abgebaut werden.

Von den beschriebenen und tiargestellten Aiisführungsformen sind /.ahlreiche Abwandlungen im Rahmen der Erfindung moglieh. So kann beispielsweise stan eines Permanentmagneten auch ein gleichstromgespeister Llektro'nagnel Verwendung finden, tier die iciciiiere Möglichkeit einer Anpassung an wechselnde Querkräfte bietet. Auch dessen Kombination mit einem Permanentmagneten, tier sozusagen the (iriindlasi aufnimmt, ist möglich. Ks sollte bei tier magnetischen Lagerung nach der l.ifindting stets darauf geachtet werden, daß tlie l'eldänderung im Luftspalt stetig erfolgt (siehe F i g. 3). d.h. daß im Luftspalt möglichst keine sprunghaften Änderungen ties Magnetfeldes auftreten. die im Rotormaterial bei dessen Umlauf verstärkt Wirbelströme oder Hysterese erzeugen wurden. Das gilt natürlich in erster Linie für umlaufende und insbesondere schnell u nlatilenile Roioren. währentl nur sehr langsam iiuili faule oder nur Schw ingbeweguiigen ausführende Roioren derartige Maßnahmen weniger benöligen. In diesem Zusammenhang sei bemerkt. ■> ti aß. w en η vors ι eben ti von Roioren gesprochen isi, auch andersartige, beispielsweise für Meßzwecke magnetisch gelagerte Teile umfaß! sind. Vorstehend sind zahlreiche Aiisliihrungsheispiele genannt, bei denen durch gegen standliche .Ausbildungen erreich! wird, daß der Magnet

μ über den l.ultspaltumfaiig ungleich siarke Magnetfelder erzeugt. Line derartige Wirkung kann letloch auch dadurch erzeugt werden, daß das M.ignetuiaierial über ilen Umfang ungleich stark niagneiisieri ist. Man könnte dann beispielsweise einen Rotor zein lisch in einem

Ii piiationssymmctrischer. Magneten laufen lassen, der not/dem zur Aufnahme von Querkriifien geeignet ist. Unter ferromagnetische!] Material wird hier in erster Linie magnetisierbarer abei mehl selbst peiiuanenimagnetisches Material versiantlen. Ls ist ein Vorteil tier

in Lrfindung, daß normalerweise keine Permaneniniagne ten am Rotor notwendig sintl. da these "i.-isi nur eine geringe Festigkeit haben und das (iewicht des Koiors erhöhen. Kür bestimmte Zwecke könnte man jedoch noch eine Ausbildung schaffen, bei tier mittels eines am

->-> Rotor angeordneten Permanentmagneten eine desU'bi lisierentle Wirkung erzeugt wird. Dazu konnte beispielsweise der Rotor oder ein Rotorteil nach Art eines Stabmagneten ausgebildet sein, tier mit einem ferromagnetisehcn. am Stator festen Ring zusammenarbeitet.

Hierzu } Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Magnetlagers, bei dem ein ferromagnetische Teile aufweisender Rotor an einem Stator gelagert ist, mit einer aktiv geregelten und steuerbaren Radiallagerung radial stabilisierenden Elektromagneten, die den Rotor auf einer Soll-Drehachse hält, mit wenigstens einen radial destabilisierende Kräfte erzeugenden Magneten, wobei zwischen dem Magneten und dem Rotor ein ringförmiger Luftspalt gebildet wird, in dem über den Luftspaltumfang in einer gegebenen Radialebene ein Magnetband gleicher Polarität besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme von Querkräften die Soll-Drehachse des Rotors mittels der Radiallagerung derart eingestellt wird, daß sie in einer gegenüber dem Magnetfeldzentrum des Magneten entgegengesetzt zur Wirkrichtung einer auf den Rotor einwirkenden Querkraft versetzten Position gehalten wird.

2. Magnetlager zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14, 14', 14a bis 14/? über den Luftspaltumfang ^L^ungleiche Magnetfeldstärke besitzt

3. Magnetlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14,14', 14a bis 14/? derart angeordnet ist, daß sein Magnetfeld eine Vormagnetisierung für einen radial stabilisierenden Elektromagneten (15,34) bildet

4. Magnetlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet mit dem Elektromagneten (If, 34) zu einer konstruktiven Einheit verbunden ist

5. Magnetlager nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß cW Magnet (14a bis 14c?ein Permanentmagnetring mit über den Umfang sich ändernden Abmessungen ist und insbesondere eine exzentrische Bohrung hat.

6. Magnetlager nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, aus dem der Magnet besteht, über den Umfang ungleich stark magnetisiert ist.

7. Magnetlager nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (146,14c? aus mehreren Permanentmagnetringen mit exzentrischen Bohrungen (27) besteht, die gegeneinander verdrehbar sind.

8. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (Hd) exzentrisch angeordnete Polschuhe (29) besitzt.

9. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Magneten (14e^ein magnetisches Kurzschlußteil (32) angeordnet ist.

10. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse der radial stabilisierenden Elektromagneten (15) gegenüber der Mittelachse des Magneten (14) versetzt angeordnet ist.

11. Magnetlager nach einem der Ansprüche I bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14,14', 14a bis 14/? so ausgebildet ist, daß die magnetische Feldänderung im Luftspalt (24) stetig ist.

12. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, lOoder 1 !,dadurch gekennzeichnet,daß der Magnet (14/?ein Elektromagnet ist.

13. Magnetlager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (14/? ein wechselstromgespeister Elektromagnet ist und mit Spulen (34) einer Wechselspannungs-Radiallagerung räumlich und/oder funktionell gekoppelt ist