DE2331613B2 - Magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung einer Rotorwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung einer Rotorwelle für hohe Drehzahlen nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip, die zur Lagerung in axialer Richtung eine in einer radialen Ebene liegende Kreisscheibe enthält, die mit der Rotorwelle starr verbunden ist und sich in einem zwischen paarweise parallel zueinander angeordneten, gegensinnig erregten supraleitenden Magnetspulen ausgebildeten Magnetfeld befindet, und die zur Zentrierung in radialer Richtung einen konzentrisch um die Rotorwelle

to angeordneten, am Außenrand der Kreisscheibe starr befestigten, dünnen Hohlzylinder enthält, der sich im

Magnetfeld weiterer, parallel zu ihm angeordneter Magnetspulen befindet Der Hauptzweck derartiger magnetischer Lagerun-

gen und Zentrierungen besteht darin, die zu fixierenden rotierenden Körper durch magnetische Kräfte berührungslos mit feststehenden Teilen in einer stabilen Lage zu halten. Hierbei treten keine mechanischen Lagerreibungen und kein Verschleiß auf; und deshalb sind auch keine Schmiermittel zum Betrieb der Lager nötig. Diese Lager eignen sich somit besonders für Apparate und Maschinen, deren rotierenden Teile mit sehr hohen Drehzahlen laufen, beispielsweise für Kreiselkompasse, Turbogebläse, Ultrazentrifugen und Kleinturbinen. Bei diesen Apparaten würde eine Verwendung von Gleitoder Wälzlagern zu Schwierigkeiten führen.

Ein entsprechendes magnetisches Lager ist aus der US-Patentschrift 30 26 151 bekannt Zur Lagerung in axialer Richtung ist eine Rotorwelle mit einer in einer radialen Ebene liegenden Kreisscheibe starr verbunden. Oberhalb und unterhalb dieser Kreisscheibe sind paarweise parallel zueinander supraleitende Magnete angeordnet Zur Zentrierung in radialer Richtung ist am Außenumfang der Kreisscheibe ein konzentrisch die Rotorachse umgebender Hohlzylinder starr befestigt Parallel zur Innenwand dieses Hohlzylinders sind weitere Magnetspulen angeordnet Die Lagerung und Zentrierung erfolgt bei diesem bekannten Lager nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip. Dabei induziert das von den Magnetspulen hervorgerufene Magnetfeld in den rotierenden Reaktionskörpern, nämlich der Kreisscheibe bzw. dem Hohlzylinder Wirbelströme, die ihrerseits ein Magnetfeld erzeugen, das dem Erregerfeld entgegengerichtet ist Durch diese Magnetfelder wird somit eine abstoßende Kraft auf die Reaktionskörper erzeugt Mit der Ausbildung der Wirbelströme in den Reaktionskörpern ist jedoch auch die Ausbildung einer Bremskraft verbunden. Diese Bremskraft hängt stark von der Komponente der magnetischen Induktion ab, die senkrecht zur Oberfläche des jeweiligen Reaktionskörpers verläuft Bei dem bekannten Lager ist diese Induktionskomponente verhältnismäßig groß. Mit der Erzeugung der erforderlichen Lagerungs- und Zentrierungskräfte werden somit zugleich auch große Bremskräfte erzeugt

Die bekannte magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung entspricht somit in ihrer Wirkungsweise dem aus der magnetischen Schwebetechnik bekannten Normalflußsystem, das zur berührungslosen Führung von Fahrzeugen längs einer ortsfesten Reaktionsschiene dient (US-PS 35 89 300).

Bei diesem bekannten Schwebeführungssystem wird nämlich ein Magnetfeld, das von einer supraleitenden Spule erzeugt wird, die im allgemeinen an der Unterseite eines Fahrzeugs montiert ist, über eine verhältnismäßig dünne Reaktionsschiene aus nichtmagnetischem Material bewegt. Dabei werden von dem Magnetfeld in der Schiene Wirbelströme induziert die

ihrerseits ein dem Erregerfeld entgegengerichtetes Magnetfeld hervorrufen. Mit diesem Magnetfeld ist eine abstoßende Kraft verbunden, die als Hubkraft für das Fahrzeug ausgenutzt wird. Bei diesem elektrodynamischen Schwebesystem treten jedoch auch verhältnismä- s Big große Bremskräfte auf, die von einem Fahrzeugantrieb kompensiert werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die bekannte Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung dahingehend zu verbessern, daß die in ihren Lagerungs- und Zentrierungsteilen hervorgerufenen Bremsverluste vermindert werden, ohne daß der apparative Aufwand an Magnetspulen erhöht werden muß.

Diese Aufgabe wird für eine magnetische Lagerungsund Zentrierungsvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit den der Kreisscheibe zugeordneten Magnetspulenpaaren zumindest annähernd in der Kreisscheibe eine ringscheibenförmige Nullflußzone ausgebildet ist und daß die dem Hohlzylinder zugeordneten Magnetspulen außerhalb des Hohlzylinders angeordnet sind und mit ihnen und mit den der Innenwand des Hohlzylinders zugewandten Leitern der parallel zu der Kreisscheibe angeordneten Magnetspulen zumindest annähernd in dem Hohlzylinder eine weitere hohizylinderförmige Nullflußzone ausgebildet ist

Die Vorteile dieser Ausbildung einer magnetischen Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung bestehen insbesondere darin, daß mittels der supraleitenden, festmontierten Magnetspulen eine Magnetfeldkoni iguration erzeugt werden kann, bei der die durch Induktion in den an der Rotorwelle angebrachten, rotierenden Reaktionskörpern hervorgerufenen Wirbelströme mit verhältnismäßig geringen Bremsverlusten verbunden sind. Diese Magnetfeldkonfiguration entspricht nämlich der eines sogenannten Nullflußsystems, das aus der magnetischen Schwebetechnik von spurgebundenen Fahrzeugen bekannt ist (Zeitschrift »J. Appl. Phys.«, Vol. 43, No. 6, Juni 1972, S. 2680 bis 2691). Bei diesen bekannten Schwebeführungssystemen werden am Fahrzeug befestigte, paarveise senkrecht übereinander angeordnete, gegensinnig zueinander erregte Supraleitungsmagnetspulen an einer mit der Fahrbahn verbundenen, horizontal angeordneten, elektrisch leitenden Schiene derart entlanggeführt, daß die Schiene jeweils zwischen zwei senkrecht übereinander angeordneten Magnetspulen liegt Die Schiene ist dünn gegenüber der Eindringtiefe des Magnetfeldes in das Schienenmaterial ausgebildet Zwischen den paarweise gegenüberliegenden, gegensinnig erregten Magnetspulen läßt sich dann so eine Zone erzeugen, in der der magnetische Fluß in Richtung der Schienendicke anmähemd Null ist. Diese Zone wird deshalb als Nullflußzone und das entsprechende magnetische Führungssystem als Nullflußsystem bezeichnet Das Verhältnis von Bremskraft zu Hubkraft ist bekanntlich bei dem Nullflußsystem wesentlich kleiner als bei dem Normalflußsystem. Da bei der Lagerungs- und Zentrieningsvorrichtung nach der Erfindung nur Nullfluß-Systeme verwendet werden, sind also die erzeugten Bremskräfte bei gleicher Tragkraft wesentlich kleiner als bei der bekannten Vorrichtung.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann wenigstens einer der Rotationskörper lamelliert sein und aus einzelnen, in der Art eines Sandwich-Systems aufeinandergelegten Einzelblechen bestehen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß nur die Komponenten der Wirbelströme in der Ebene parallel zur Ebene der sie erzeugenden Ströme der Magnetspulen zur Erzeugung der rotationsachsenparallelen und der radialen Stabilisierungskraft wirksam sind, während die übrigen Komponenten, die lediglich Bremskräfte und damit Verluste erzeugen, wenigstens wesentlich vermindert und unter Umständen sogar praktisch ausgelöscht werden.

Die für eine rotationsachsenparallele Lagerung erforderlichen Magnetspulen der Nullfluß-Systeme werden vorteilhaft nierenförmig ausgebildet, so daß sich eine geschlossene scheibenförmige Nullfluß-Zone um die Rotationsachse ergibt. Damit ist in dieser Ebene eine stabile Lagerung der Kreisscheibe und der Rotorwelle gewährleistet

Ferner kann zur Lagerung und Zentrierung einer Rotorwelle mit vertikaler Rotationsachse im magnetischen Feld wenigstens einiger der unterhalb der radialen Ebene der Kreisscheibe angeordneten Magnetspulen mindestens ein mit den rotierenden Teilen verbundener ferromagnetischer Körper derart angeordnet sein, daß das Feld der Magnetspulen auf ihn eine zusätzliche Zugkraft ausübt, die eine der Schwerkraft entgegengesetzte Kraftkomponente erzeugt. Mit einer solchen Maßnahme läßt sich bei einer etwa vertikalen Rotationsachsenrichtung die Gleichgewichtslage der Kreisscheibe etwa in der Mitte zwischen den entsprechenden Magnetspulen, d. h. in der Nullfluß-Zone halten, da sich dann das Eigengewicht aller rotierenden Teile von der zusätzlichen Zugkraft kompensieren läßt. Eine solche Anordnung hat dann die geringsten Wirbelstromverluste in den Rotationskörpern.

Dieses vorteilhafte zusätzliche Krafteinwirkung auf die rotierenden Teile läßt sich dadurch erreichen, daß der ferromagnetische Körper ein Teil der Rotorwelle oder eine Ummantelung von ihr und/oder ein Teil des Hohlzylinders ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine magnetische Lagerung eines rotierenden Körpers gemäß der Erfindung in einem senkrechten Längsschnitt durch die Rotationsachsenebene,

Fig.2 einen waagerechten Querschnitt durch die magnetische Lagerung nach F i g. 1 gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 sind die rotierenden Teile, beispielsweise Teile eines Rotors einer elektrischen Maschine, mit 1 bis 3 bezeichnet. Sie sollen sich in Rotation mit hoher Drehzahl um eine vertikale Achse befinden, die zugleich die Mittelachse einer Rotorwelle 1 ist. Ein Hohlzylinder 2, der ein Stück dieser Rotorwelle 1 konzentrisch umschließt, rotiert mit ihr. Er ist über eine kreisförmige, vorzugsweise lameliierte Scheibe 3, die senkrecht auf der Rotorwelle 1 und an dem Innenmantel des Hohlzylinders 2 angebracht ist, mit der Rotorwelle 1 starr verbunden. Durch die horizontal liegende Ebene der Kreisscheibe 3 wird der Hoiilzylinder 2 in zwei etwa gleiche Hälften geteilt. Alle rotierenden Teile sind vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen, normalleitenden Material, beispielsweise aus Aluminium. Sie sind nach dem sogenannten Nullfluß-Prinzip gelagert. Die zu einer vertikalen Lagerung erforderlichen Nullfluß-Systeme werden dabei von Magneteinheiten mit jeweils einer Magnetspule oberhalb und unterhalb der Kreisscheibe 3 und der Kreisscheibe selbst als Hubschleife gebildet. In der Figur sind zwei Nullfluß-Systeme £und 5^ mit je einer Magneteinheit zu beiden Seiten der

Rotorwelle 1 dargestellt. Diese Magneteinheiten werden von den Magnetspulen 6 und 7 bzw. 8 und 9 gebildet. Diese Magnetspulen, die parallel zueinander und zu beiden Seiten der Kreisscheibe 3 in einem vorbestimmten Abstand etwa symmetrisch angeordnet und starr mit der in der Figur nicht dargestellten maschinellen Anordnung verbunden sind, haben jeweils entgegengesetzte Polaritäten. Solange die Kreisscheibe 3 in der Mittelebene zwischen den Polen der etwa gleich stark erregten Magneten 6 und 7 bzw. 8 und 9 rotiert, befindet sie sich angenähert in einem Gebiet mit dem geringsten Kraftfluß, d. h. die Flußkomponente senkrecht zu der Scheibenebene ist annähernd gleich Null. Erst bei einer Auslenkung der Kreisscheibe 3 aus dieser Mullage, beispielsweise unter dem Einfluß der Schwerkraft oder aufgrund einer Störkraft in vertikaler Richtung, bewegt sie sich in einer Zone, die eine zur Scheibenebene senkrechte Kraftflußkomponente erzeugt, die dann in der Scheibe Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme bewirken dann, daß eine vertikale Rückstellkraft in Richtung der Mittelebene zwischen den Polen der Magneten 6 und 7 bzw. 8 und 9 erzeugt wird.

Die Magnetspulen 6 und 7 bzw. 8 und 9 und die rotierende Kreisscheibe 3 stellen somit ein elektrodynamisches System dar, das ein berührungsfreies, stabiles Lagern der Rotorwelle 1 in Achsrichtung gewährleistet.

Zur Stabilisierung der Rotorwelle 1 in der horizontalen Ebene der Kreisscheibe 3, d. h. in einer zur Achsrichtung senkrechten Ebene, dienen ebenfalls Nullfluß-Anordnungen entsprechender Art. Zwei solche senkrecht zu den Systemen 4. und 1 angeordnete Systeme sind in der Figur mit 10_und Ii bezeichnet. Das Nullfluß-System H) wird von einer parallel zum Außenmantel des Hohlzylinders 2 vertikal angeordneten Magnetspule 12, dem Hohlzylinder 2 und den beiden, dem Innenmantel des Hohlzylinders 2 zugewandten Polen der Magnetspulen 6 und 7 gebildet. In entsprechender Weise besteht das auf der gegenüberliegenden Seite der Welle angeordnete Nullfluß-System ü aus den beiden äußeren Polen der Spulen 8 und 9, dem Hohlzylinder 2 und einer weiteren Magnetspule 13. Die Polaritäten der in einer gemeinsamen horizontalen Ebene zu beiden Seiten des Hohlzylinders gegenüberliegenden Pole sind jeweils entgegengesetzt.

Entsprechend der stabilisierten Lagerung der rotierenden Welle 1 in vertikaler Richtung mittels der Nullfluß-Systeme 4. und 5 bewirken die Nullfluß-Systeme 10^ und fXeine stabilisierende horizontale Lagerung der Rotorwelle 1.

Die vorzugsweise supraleitenden Magnetspulen 6 bis 9 sowie 12 und 13 befinden sich in Kryostaten 21 und 22, die in der Figur nur angedeutet sind. Es könnein auch mehrere Magnetspulen in einem gemeinsamen Kryostaten angeordnet sein. So sind in der Figur beispielsweise die Magnetspulen 6 und 8 im Kryostaten 2.2, die Magnetspulen 7, 9, 12 und 13 im Kryostaten 21 angeordnet.

Ein besonderer Vorteil der Nullfluß-Anordnung der Magnetspulen besteht darin, daß große Tragkräfte bei kleinen Wirbelstromverlusten in den linierenden Reaktionskörpern erzeugt werden können. Die Verluste können durch Variation der Ströme in den supraleitenden Spulen verändert werden. Falls die Rotationsachse in einem Gehäuse eine vorbestimmte Lage haben soll, wie beispielsweise bei einem Kreisel, ist es besonders wichtig, die Präzession dieses Rotors zu dämpfen. Mit der Lagerung und Zentrierung nach der Erfindung kann diese Dämpfung je nach den Anforderungen durch eine Veränderung des Spuraleiterstromes in den Magnetspu len erreicht werden.

Zusätzlich zu der elektrodynamischen Lagerung um Zentrierung der Rotorwelle 1 und der an ih angebrachten Kreisscheibe 3 sowie des sie konzentriscl umschließenden Hohlzylinders 2 können durch weiten magnetische Anziehungskräfte die Schwerkraft diese und weiterer, in der Figur nicht dargestellter rotierende Teile verringert bzw. kompensiert werden. Hierzu kam die Rotorwelle 1 beispielsweise mit einem Mantel 14 au einem ferromagnetischen Material umkleidet werden Dieser Mantel 14 ist in einer zur Ebene de Magnetspulen 7 und 9 parallelen Ebene so angeordnet daß von diesen Spulen 7 und 9 auf ihn und damit auf dii rotierenden Teile eine der Schwerkraft entgegengesetz te Hubkraft ausgeübt wird. In gleicher Weise kann aucl am unteren Rand des Hohlzylinders 2 außerhalb de: unmittelbaren Krafteinwirkung der seiter.stabilisieren den Nullfluß-Magnetspulen ein ferromagnetischer Kör per 15 angebracht sein, auf den die Magnetspulen 7, 9 12 und 13, die in einer horizontal höher gelegenen Ebern angeordnet sind als der Körper 15, wiederum ein< Zugkraft entgegen der Schwerkraft ausüben. De; Hohlzylinder 2 kann hierzu beispielsweise am unterei Teil seiner Innen- und Außenwandung mit eine! ferromagnetischen Schicht versehen sein. Aufgrund de: ferromagnetischen Körper 14 und 15 lassen sich die ii den Nullfluß-Systemen auftretenden Wirbelstromverlu ste verringern, da sich in der Ausbildung nach dei Erfindung die Kreisscheibe 3 in ihrer Gleichgewichtsla ge in der Nullfluß-Zone der Systeme 4.und 5 befindet.

In F i g. 2 ist ein Querschnitt durch eine horizontal« Ebene der Magnetspulen 7 und 9 schematise! wiedergegeben. In der Figur sind mit F i g. 1 gleich« Teile mit den gleichen Bezugsziffem versehen. Be einem solchen Schnitt wird die vorteilhafte nierenförmi ge Ausbildung der Magnetspulen 7 und 9 erkennbar. Di die Magnetspulen jeweils innerhalb etwa eines Qua dranten auf die ringförmige Fläche der Kreisscheibe :

einwirken, ist jeweils zwischen den auch in Fig. dargestellten Magnetspulen 7 und 9 eine weitere ebensc ausgebildete Magnetspule 16 bzw. 18 angeordnet Au die einzelnen Quadranten der Kreisscheibe 3 wirkei dann wenigstens etwa gleich große Kräfte ein, die voi den um die Rotationsachse gleichmäßig angeordneter Magnetspulen erzeugt werden.

In der F i g. 2 ist jedem Magnetspulenpaar eine: vertikalen Nullfluß-Systems, wie es beispielsweise ii F i g. 1 veranschaulicht ist, eine weitere Magnetspuh

so außerhalb des Hohlzylinders 2 so zugeordnet, daß si« zusammen mit den dem Hohlzylinder 2 zugewandter Polen der Magnetspulenpaare jeweils ein horizontale: Nullfluß-System ausbilden. Diese zusätzlichen Magnet spulen 12,13,19 und 20 sind etwa sattelförmig auf einei gemeinsamen hohlzylindrischen Fläche konzentriscl um den Hohlzylinder 2 und die Rotorwelle 1 angeordnet. Sie befinden sich gemeinsam mit dei Spulen 7,9,16 und 18 im Kryostaten 21.

Ein F i g. 2 entsprechender Querschnitt durch di< oberhalb der Kreisscheibe 3 in F i g. 1 gelegen» Magnetspulen 6 und 8 hat ein entsprechendes Aussehen Die in der F i g. 2 angedeuteten Stromrichtungen in der Spulen verlaufen dann jedoch in umgekehrter Richtung.

Da bei kleinen Umdrehungsgeschwindigkeiten dei rotierenden Teile zu einer elektrodynamischen Lage' rung ausreichende Kräfte noch nicht vorhanden sind, is es notwendig, die Stabilität der Lagerung dieser Teilt durch in den Figuren nicht dargestellte mechanische

Lager zu unterstützen. Bei höheren Drehzahlen können dann diese mechanischen Lager von den rotierenden Teilen entfernt werden.

Mit der Lagerung und Zentrierung nach der Erfindung können reibungsfreie Lager für sehr hohe Drehzahlen hergestellt werden. Die obere Grenze für die Drehzahl ist dann lediglich durch die mechanische Festigkeit des rotierenden Materials begrenzt.

Die Lagerung und Zentrierung nach der Erfindung eignet sich neben der beschriebenen vertikalen Anordnung der Achse der rotierenden Teile auch für eine

horizontale Anordnung. Bei einer solchen Achslage kann die Schwerkraft beispielsweise durch zusätzliche Magneten oder auch durch entsprechend stärker erregte Magneten, die außerhalb des Hohlzylinders 2 und oberhalb der Achse liegen, kompensiert werden. Diese Magneten üben dann der Schwerkraft entgegengesetzte Kräfte auf ferromagnetische Körper oder Schichten aus, die zusätzlich beispielsweise an den Rändern des Hohlzylinders 2 oder an der diesen Magneten zugewandten Außenseite des Hohlzylinders angebracht sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung einer Rotorwelle für hohe Drehzahlen nach dem elektrodynamischen AbstoBungsprinzip, die zur Lagerung in axialer Richtung eine in einer radialen Ebene liegende Kreisscheibe enthält, die mit der Rotorwelle starr verbunden ist und sich in einem zwischen paarweise parallel zueinander angeordneten, gegensinnig erregten supraleitenden Magnetspulen ausgebildeten Magnetfeld befindet, und die zur Zentrierung in radialer Richtung einen konzentrisch um die Rotorwelle angeordneten, am Außenrand der Kreisscheibe starr befestigten dünnen Hohlzylinder enthält, der sich im Magnetfeld weiterer, prarallel zu ihm angeordneter Magnetspulen befindet, dadurch gekennzeichnet, daß mit den der Kreisscheibe (3) zugeordneten Magnetspulenpaaren (6,7 und 8,9) zumindest annähernd in der Kreisscheibe (3) eine ringscheibenförmige Nullflußzone ausgebildet ist und daß die dem Hohlzylinder (2) zugeordneten Magnetspulen (12, 13) außerhalb des Hohlzylinders (2) angeordnet sind und mit ihnen und mit den der Innenwand des Hohlzylinders (2) zugewandten Leitern der parallel zu der Kreisscheibe (3) angeordneten Magnetspulen (6 bis 9) zumindest annähernd in dem Hohlzylinder (2) eine weitere, hohlzylinderförmige Nullflußzone ausgebildet ist

2. Magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisscheibe (3) und/oder der Hohlzylinder (2) lamelliert sind.

3. Magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zu den Flachseiten der Kreisscheibe (3) angeordneten Magnetspulen (6 bis 9) nierenförmig ausgebildet sind.

4. Magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung einer Rotorwelle mit vertikaler Rotationsachse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im magnetischen Feld wenigstens einiger der unterhalb der radialen Ebene der Kreisscheibe (3) angeordneten Magnetspulen (7, 9) mindestens ein mit den rotierenden Teilen verbundener ferromagnetischer Körper (14, 15) derart angeordnet ist, daß das Feld dieser Magnetspulen (7, 9) auf ihn eine zusätzliche Zugkraft ausübt, die eine der Schwerkraft entgegengesetzte Kraftkomponente erzeugt

5. Magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper (14) ein Teil der Rotorwelle (1) ist

6. Magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (1) mit ferromagnetischem Material ummantelt ist.

7. Magnetische Lagerungs- und Zentrierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper (15) ein Teil des Hohlzylinders (2) ist.