DE4020726A1 - Magnetlager - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetlager mit einem axial magnetisierten Ringmagneten, dessen von seinen Stirnflächen gebildeten Polen im wesentlichen ringscheibenförmige Polelemente zugeordnet sind, mit zwei axial nebeneinander angeordneten Ring­ spulen, deren einander zugewandten Stirnflächen ein gemeinsames, im wesentlichen ringscheibenförmiges Polelement und deren äußeren Stirnflächen zwei weitere, im wesentlichen ringscheibenförmige Polelemente zugeordnet sind, wobei die Polelemente mit ringför­ migen Polen ausgerüstet sind, die sich zwischen dem Ringmagneten und den Ringspulen befinden und axiale Ringspalte bilden.

Magnetlager dieser Art, wie sie z. B. aus der US-PS 39 76 339 bekannt sind, haben den Vorteil einer hohen radialen Steifigkeit, deren Ursache die Konzentration des sich durch die weichmagne­ tischen Pole und durch die axialen Ringspalte erstreckenden Magnetflusses des Permanentmagneten ist. Die Sättigungsflußdichte der weichmagnetischen Pole ist dabei höher als die Remanenz des Dauermagnetmaterials. In axialer Richtung sind diese Magnetlager instabil, so daß eine aktive Regelung mit Hilfe der Ringspulen erforderlich ist. Kennzeichnend für die Güte von Magnetlagern dieser Art ist bei vielen Anwendungen das Verhältnis von Radial­ steifigkeit zu axialer Instabilität.

Bei Stillstand und ohne aktive Axial-Regelung liegt das Rotor­ system dem Statorsystem auf, wobei Mittel (Abdeckschichten aus Kunststoff o. dgl.) vorgesehen sind, die einen unmittelbaren Kontakt der Pole verhindern. Um die Magnetlagerung in Betrieb zu nehmen, ist es erforderlich, relativ hohe Abreißströme in den Spulen zu erzeugen, damit sich das Rotorsystem vom Statorsystem abhebt. Diesen hohen Strömen entsprechend müssen sowohl die Ringspulen als auch die Versorgungseinrichtungen dimensioniert sein, d. h. der technische Aufwand für die Spulen und deren Stromversorgung ist relativ hoch. Weiterhin kann im normalen Betrieb des Lagers eine hohe axiale Instabilität Regelungspro­ bleme verursachen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis von radialer Steifigkeit zu axialer Instabilität zu vergrößern und den für die Ringspulen und deren Versorgungsein­ richtungen erforderlichen Aufwand zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Magnetlager der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das den einander zugewandten Stirnflächen der Ringspulen zugeordnete, beiden Ringspulen gemeinsame Polelement mit einem Magnetfluß-Widerstand ausgerüstet ist.

Diese Erfindung beruht auf folgender Erkenntnis: Befindet sich die Magnetlagerung nach dem Stand der Technik in einem Zustand, bei dem das Rotorsystem dem Statorsystem aufliegt, dann ist der Spalt zwischen zwei der vier Polpaare sehr klein, während sich im Bereich der anderen Polpaare ein maximaler Abstand ausbildet. Im Bereich der eng benachbarten Polflächen kommt es zu einer uner­ wartet hohen Flußverstärkung. Diese beruht nicht nur auf der sehr kleinen Spaltbreite; zusätzlich tritt eine Art Kurzschluß eines Teils des Magnetflusses über einander berührende Polflächen auf, welcher - bei schwebendem Rotor - sich über einen anderen Pol­ spalt erstreckt. Dieser Kurzschluß findet über das zwischen den Ringspulen befindliche, beiden Spulen gemeinsame Polelement statt. Dadurch, daß dieses Polelement entsprechend dem erfin­ dungsgemäßen Vorschlag mit einem Widerstand ausgerüstet ist, kann ein Kurzschluß mit einem maßgeblichen Anteil des Magnetflußes vermieden werden, d. h. die unerwartet hohe Flußverstärkung im Bereich von einander eng benachbarten Polflächen findet nicht mehr statt, so daß auch die für das Lösen von Stator und Rotor erforderliche Axialkraft wesentlich kleiner ist. Der für die Spulen und deren Versorgung erforderliche Aufwand kann deshalb niedriger gehalten werden.

Weitere Erläuterungen, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert werden.

Die verschiedenen Versionen der dargestellten Ausführungsbei­ spiele für eine Magnetlagerung nach der Erfindung umfassen jeweils den axial magnetisierten Permanentmagnetring 1 sowie die beiden Ringspulen 2 und 3. Den von den Stirnseiten des Perma­ nentmagnetringes 1 gebildeten Magnetpolen liegen im wesentlichen ringscheibenförmige Polelemente 4, 5 an. Bestandteil dieser Polelemente 4, 5 sind die Pole 6, 7 bzw. 8, 9. Die Spulen dienen der aktiven axialen Regelung. Die dazu erforderlichen Einrich­ tungen (Stromversorgung, Axialsensor usw.) sind nicht darge­ stellt.

Den Spulen 2, 3 sind im wesentlichen ringscheibenförmig gestal­ tete Polelemente 11, 12, 13 zugeordnet. Sie dienen der Aufnahme des von den Spulen erzeugten Magnetflusses und können den ruhen­ den Spulen 2, 3 ummittelbar (ebenfalls ruhend, Fig. 2, 3, 5) oder mittelbar (rotierend, Fig. 1, 4) zugeordnet sein. Die Polelemente 11 und 13 befinden sich im Bereich der äußeren Stirnflächen der Spulen 2, 3. Das Polelement 12 befindet sich zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der Spulen 2, 3 und ist beiden Spulen gemeinsam. Bestandteil der Polelemente 11, 12, 13 sind die Pole 14 bzw. 15, 16 bzw. 17. Die Pole 6 bis 9 und 14 bis 17 sind derart an ihren Polelementen 4, 5 bzw. 11 bis 13 angeordnet, daß sie sich zwischen dem Permanentmagnetring 1 und den Spulen 2, 3 befinden. Sie bilden insgesamt vier Polpaare mit den Ringspalten 21 bis 24.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Innenläufer, d. h. der Rotor befindet sich im Zentrum des Systems. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 trägt die rotierende Welle 25 lediglich die Polelemente 11 bis 13. Der Permanentmagnetring 1 und die Spulen 2, 3 sind am Stator beefestigt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 trägt die Welle 25 den Permanentmagnetring 1 sowie die zugehörigen Polelemente 4, 5.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 3, 4 und 5 zeigen Außenläufer. Der zentrale, jeweils ruhende Dorn ist mit 26 bezeichnet. Auch bei diesen Ausführungsbeispielen sind die Spulen 2, 3 jeweils an dem ruhenden Bauteil befestigt. Der Permanent­ magnetring 1 kann ebenfalls am zentralen, ruhenden Bauteil 26 angeordnet (Fig. 4) oder Bestandteil des rotierenden Systems sein (Fig. 3 und 5).

Bei allen Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 5 ist das zwischen den Spulen 2, 3 befindliche Polelement 12 mit einem Magnetflußwiderstand 27 ausgerüstet. Dieser Widerstand soll den Kurzschluß eines Teiles des vom Permanentmagneten 1 erzeugten Magnetflusses verhindern, was anhand der Fig. 6 bis 8 nochmals genauer erläutert wird. Sofern es technisch möglich ist, kann der Flußwiderstand 27 ein Luftspalt oder zumindest eine starke Verjüngung des Polelement-Materials sein. Zweckmäßig ist es jedoch, einen Ring 27 vorzusehen, der - im Gegensatz zum Werk­ stoff der Polelemente - aus einem nicht-ferromagnetischen Mate­ rial besteht. Besonders zweckmäßig ist es, einen Edelstahlring 27 vorzusehen. Dieser kann durch Schrumpfen aufgebracht werden und ist in Bezug auf einen Glühvorgang unempfindlich.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen nochmals Ausführungsbeispiele nach Art der Fig. 5. Eingezeichnet sind Feldlinien der Flußdichte, die den Verlauf des vom Permanentmagneten 1 erzeugten Magnetfluß kennzeichnen. Bei den Lagern nach den Fig. 6 und 7 ist der erfindungsgemäße Flußwiderstand nicht vorhanden.

Fig. 6 zeigt die Magnetlagerung bei schwebendem Rotorsystem, die Ringspalte 21 bis 24 sind vorhanden und haben etwa die gleiche Breite. Der vom Permanentmagneten 1 erzeugte Magnetfluß verteilt sich etwa gleichmäßig auf die Polflächen, d. h. ein Teil des Magnetflusses erstreckt sich über das äußere Spaltpaar 21, 24, während sich der andere Teil des Magnetflusses über das innere Spaltpaar 22, 23 erstreckt. Die beiden Flußanteile verlaufen praktisch voneinander getrennt.

Fig. 7 zeigt einen Zustand, bei dem das Rotorsystem dem Stator­ system nahezu aufliegt. Die Ringspalte 22 und 24 sind sehr klein. Die Ringspalte 21, 23 sind entsprechend vergrößert. Wünschenswert wäre es, wenn sich auch in diesem Falle der vom Permanentmagneten 1 erzeugte Magnetfluß gleichmäßig auf die inneren bzw. äußeren Spaltpaare 22, 23 bzw. 21, 24 verteilen würde. Dieses ist jedoch in der Praxis nicht der Fall. Der sich über den sehr kleinen Ringspalt 24 erstreckende Teil des Magnetflusses verstärkt sich nicht nur wegen der Annäherung der Pole; es tritt darüber hinaus ein Magnetfluß-Kurzschluß über das mittlere Polelement 12 ein, so daß im Bereich des ebenfalls sehr kleinen Spaltes 22 eine zu­ sätzliche Flußverstärkung auftritt. Der durch die Ringspalte 21 und 23 hindurchtretende Magnetfluß ist entsprechend reduziert, d. h. zum Ablösen des rotierenden Systems vom Statorsystem sind hohe Abreißkräfte erforderlich.

Fig. 8 zeigt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, bei dem die Erfindung realisiert ist, d. h. bei dem das Polelement 12 mit einem Flußwiderstand 27 ausgerüstet ist. Der Flußwiderstand 27 verhindert weitgehend einen Kurzschluß des Magnetflusses über das Polelement 12. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 liegt - wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 - das Rotorsystem dem Statorsystem ebenfalls nahezu auf. Die Anzahl der das Polelement 12 durchsetzenden Feldlinien ist maßgeblich reduziert. Die Verteilung der Feldlinien auf die Ringspaltpaare 21, 24 und 22, 23 ist etwa gleichmäßig. Die zur Ablösung des Rotorsystems vom Stator erforderlich Kraft ist deshalb erheblich kleiner. Die Anordnung und Ausbildung des Widerstandes 27 innerhalb des Polelementes 12 hängt von den technologischen Gegebenheiten ab. Eine Reduzierung der Ablösekräfte um mehr als 50% - verglichen mit den Kräften bei bishei bekannten Lösungen - ist ohne weiteres möglich.

Mit der Erfindung ist zwar der Nachteil verbunden, daß der die aktive Regelung bewirkende Magnetfluß ebenfalls den Widerstand 27 überwinden muß. Da die Regelströme jedoch kleinere axiale, destabilisierende Kräfte ausgleichen müssen, kann dieser Nachteil ohne weiteres in Kauf genommen werden.

Claims (5)

1. Magnetlager mit einem axial magnetisierten Ringmagneten (1), dessen von seinen Stirnflächen gebildeten Pole im wesent­ lichen ringscheibenförmige Polelemente (4, 5) zugeordnet sind, mit zwei axial nebeneinander angeordneten Ringspulen (2, 3), deren einander zugewandten Stirnflächen ein gemein­ sames im wesentlichen ringscheibenförmiges Polelement (12) und deren äußeren Stirnflächen zwei weitere, im wesentlichen ringscheibenförmige Polelemente (11, 13) zugeordnet sind, wobei die Polelemente (4, 5 und 11 bis 13) mit ringförmigen Polen (6 bis 9 bzw. 14 bis 17) ausgerüstet sind, die sich zwischen dem Ringmagneten (1) und den Ringspulen (2, 3) befinden und axiale Ringspalte (21 bis 24) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das den beiden Ringspulen (2, 3) ge­ meinsame Polelement (12) mit einem Magnetfluß-Widerstand (27) ausgerüstet ist.

2. Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß-Widerstand (27) als Luftspalt oder als starke Verjüngung des Polelement-Materials ausgebildet ist.

3. Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß-Widerstand (27) von einem Ring aus Edelstahl gebildet wird.

4. Magnetlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Edelstahlring (27) und den übrigen Polelement-Bau­ teilen Schrumpfverbindungen vorgesehen sind.

5. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Außenläufer ausgebildet ist.