DE68925510T2 - Magnetlagersystem - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Magnetlagersystem für eine Turbo-Maschine oder ähnliches mit einem relativ leichten Rotor und insbesondere auf ein Magnetlagersystem zum Tragen eines solchen Rotors in einem kontaktfreien und stabilen Zustand.
• Magnetlagersysteme zum Tragen von Rotoren sind bekannt. Ein Beispiel eines herkömmlichen Magnetlagersystems wird mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.
• Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Spindel-Tragvorrichtung zeigt, die mit einem herkömmlichen achsensteuernden Magnetlagersystem eines Innenrotortyps versehen ist. Wie gezeigt ist, ist ein Rotorschaft bzw. eine Rotorwelle 100 drehbar in einem Gehäuse 102 gelagert mittels eines Paars von magnetischen Radiallagern A, A und eines magnetischen Schublagers B, welches benachbart zu einem der magnetischen Radiallager A angeordnet ist. Die Rotorwelle 100 ist drehbar angetrieben durch einen Motor M, der im Mittelteil des Gehäuses 102 angeordnet ist und einen Motorstator 103 und einen Motorrotor 102 aufweist. Jedes der magnetischen Radiallager A umfaßt ein Radiallagerstatorjoch 104, das mit einer Statorspule 105 versehen ist, ein Radiallagerjoch 106, das an der Rotorwelle 100 angebracht ist, und Radialversetzungssensoren 107. Das magnetische Schublager B umfaßt auch ein Schublagerstatorjoch 108, das mit Statorspulen 109 versehen ist, und ein Schublagerjoch 110, das an der Rotorwelle 100 angebracht ist. Ferner bezeichnet das Bezugszeichen 111 in Fig. 1 ein Rollenbzw. Wälzlager zur Verwendung in einem Notfall.
• Die Anordnung der Magnetpole der Statoren 104 und der Versetzungssensoren 107 ist in den Fig.en 2 und 3 gezeigt. Die magnetischen Anziehungskräfte wirken in zwei sich senkrecht schneidenden X- und Y-Richtungen. Die Position der Rotorwelle 100 in diesen zwei axialen Richtungen wird detektiert durch die Versetzungssensoren 107a und 107b, die in der X- bzw. der Y-Richtung positioniert sind, wie in Fig. 3 gezeigt ist, und die magnetischen Anziehungskräfte werden auf der Basis von Signalen gesteuert, die von den Sensoren detektiert werden. Die Position in der X-Richtung der Rotorwelle 100 wird geregelt durch Gestatten, daß Steuerströme auf der Basis der Ausgabegrößen der Versetzungssensoren 107a in der X- Richtung durch die Statorspulen 105A und 105C fließen, um die magnetischen Anziehungskräfte zu steuern, die zwischen den Radiallagerstatoren 104 und dem Radiallagerjoch 106 erzeugt werden.
• Fig.en 4 und 5 sind Blockdiagramme, die die Anordnungen der Steuerschaltungen zum Leiten von Steuerströmen durch die Statorspule 105A bis 105D zeigen. Bei der Steuerschaltung von Fig. 4 wird die Ausgabegröße von dem Radialversetzungssensor 107 gleichzeitig mit dem Strom von einer Vorspannungsleistungsquelle 112 durch eine Phasenkompensationsschaltung 113 an einen Leistungsverstärker 114 geliefert, um zu gestatten, daß ein von dem Leistungsverstärker 114 erzeugter Steuerstrom zu den Statorspulen 105A, 105B, 105C und 105D fließt.
• In der Steuerschaltung von Fig. 5 wird das von dem Radialversetzungssensor 107 gelieferte Signal an die Phasenkompensationsschaltung 113 geliefert, deren Ausgangsgröße und invertierte Ausgangsgröße dann zu einer konstanten Spannung VR addiert wird, und die Ausgabegröße wird dann jeweils in Linear-Detektierschaltungen 115a und 115c eingegeben. Die Ausgabegrößen davon werden dann durch Leistungsverstärker 114a und 114c verstärkt, um zu gestatten, daß konstante Ströme durch die Statorspulen 105A und 105C fließen.
• In dem oben beschriebenen herkömmlichen Magnetlagersystem werden Probleme angetroffen, in dem das separate Vorsehen der aktiven magnetischen Radiallager A, A und des magnetischen Schublagers B einen Anstieg der zu steuernden Wellen erfordert, um den Rotor zu tragen, und zusätzlich macht das Anbringen des Schublagerjochs 110 auf dem Rotor 100 den Zusammenbau und die Zerlegung der Vorrichtung kompliziert.
• Bei den Magnetlagern, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, wird, um die Beziehung zwischen der magnetischen Anziehungskraft und dem Strom zu linearisieren, ein konstanter Strom üblicherweise durch jede der Statorspulen 105A bis 105D fließen gelassen, wodurch ein konstanter Magnetfluß angelegt wird, d.h. ein vorspannender Magnetfluß wird zwischen dem Radiallagerstator 104 und das Radiallager joch 106 angelegt. Das gleiche kann gesagt werden bezüglich des Schublagers. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, verläuft der magnetische Fluß Φ, der von jeder der Statorspulen 105A bis 105D erzeugt wird, entlang eines kreisförmigen Magnetpfades, der zwischen dein Radiallagerstator 104 und dem Radiallagerjoch 106 in einer Ebene senkrecht zu dem Rotor 100 und dem Stator gebildet ist. Infolgedessen erfolgt eine Änderung der Stärke des Magnetflusses in dem Radiallagerjoch 106 in der Umfangsrichtung - - - , wie in Fig. 6 gezeigt ist. Entsprechend wird ein Wirbelstrom auf der Seite des Rotors 100 (der Oberfläche des Radiallagerjochs 104) gebildet, wenn sich der Rotor 100 über den sich ändernden Magnetfluß hinweg dreht.
• Ein solcher Wirbelstrom steigt an, wenn sich die Anzahl von Umdrehungen des Rotors 100 erhöht. Die Erzeugung eines solchen Wirbelstroms verursacht Probleme der Wärmeerzeugung und der internen Dämpfung des Rotors 100, wodurch der Rotor nicht stabil getragen werden kann. Als allgemein verwendete Gegenmaßnahme wurden Silizium- Stahlplatten für die Magnetpole verwendet oder der vorspannende Magnetfluß wurde so weit wie möglich vermindert, um die Erzeugung des Wirbelstroms zu minimieren, aber es wurde herausgefunden, daß die Unterdrückung des Wirbelstroms durch ein solches Verfahren immer noch unzureichend ist und daß die Verminderung des vorspannenden Magnetflusses die Starrheit bzw. Festigkeit des Magnetlagers nachteilig beeinflußt.
• US-A-4 634 191 offenbart ein magnetisches und torsionsmäßig gesteuertes Radiallager einschließlich eines kreisförmigen Statorglieds und eines aufgehängten Ringglieds. Ferner sind Steuermagnetmittel, Vorspannmagnetpolmittel und Rotormagnetpolmittel gezeigt. Das bekannte Magnetlager soll eine akkurate Steuerung der Winkelorientierung sowie der Radialposition eines aufgehängten Glieds bei statischen und/oder dynamischen Störungen vorsehen. Torsionsinomente auf ein aufgehängtes Glied werden um ein Paar von orthogonalen Achsen herum erzeugt.
• Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen.
• Ein allgemeines Ziel der Erfindung liegt darin, ein System zum drehmäßigen Tragen eines Rotors bezüglich eines Stators vorzusehen durch Verwendung einer neuen und verbesserten Magnetlagervorrichtung.
• Eines der speziellen Ziele der Erfindung liegt darin, ein System zum drehmäßigen Tragen eines Rotors relativ zu einem Stator vorzusehen durch Verwendung einer Magnetlagervorrichtung, die die Erzeugung eines Wirbelstroms in dem Rotor verhindert.
• Ein weiteres der speziellen Ziele der Erfindung liegt darin, ein System zum drehmäßigen Tragen eines Rotors bezüglich eines Stators vorzusehen durch Verwendung einer Magnetlagervorrichtung, die leicht zusammengebaut und zerlegt werden kann, und die in der Lage ist, den Rotor stabil zu tragen, und die kostengünstig hergestellt werden kann.
• Um diese Ziele zu erreichen, weist ein System gemäß der vorliegenden Erfindung die Merkmale gemäß Anspruch 1 auf. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart. Gemäß der Erfindung sind die Vorspannmagnetpolmittel sandwich-artig zwischen den steuernden Magnetpolmitteln und den nicht-steuernden Magnetpolmitteln aufgenommen. Dies ermöglicht, daß Vorspannmagnetflub gleichmäßig in Umfangsrichtung des Rotors verteilt wird, wodurch die Erzeugung eines Wirbelstroms im Rotor verhindert wird, wenn sich dieser dreht. Dies bewirkt eine Verminderung der in dem Rotor erzeugten Wärme und ermöglicht, daß ein stabiles Tragen des Rotors erreicht wird.
• Ebenfalls gemäß der Erfindung weisen die nicht-steuernden Magnetpolmittel mindestens zwei erste Zähne auf einer Oberfläche davon auf und die Rotormagnetpolmittel weisen mindestens zwei zweite Zähne auf einer Oberfläche davon auf, die zu den ersten Zähnen der nicht-steuernden Magnetpolmittel weisen. Die steuernden Magnetmittel und die nicht-steuernden, Vorspann- und Rotor-Magnetpolmittel und der Spalt zwischen den ersten und zweiten Zähnen bilden einen magnetischen Pfad, der bewirkt, daß der Vorspannmagnetfluß in einer Ebene verläuft, welcher die Längsachse des Stators umfaßt. Dies ermöglicht, daß der Magnetfluß zwischen den zueinander weisenden ersten und zweiten Zähnen verwendet wird, um eine Längsversetzung des Rotors auszugleichen bzw. rückgängig zu machen. Entsprechend ist ein Schublager, das üblicherweise bei einem herkömmlichen Magnetlager verwendet wird, nicht notwendig beim Aufbau des Systems, und eine Verminderung der Anzahl verwendeter Steuerachsen kann erreicht werden. Als Ergebnis ist es möglich, eine Magnetlagervorrichtung vorzusehen, die kostengünstig und kompakt ist und leicht zusammengebaut und zerlegt werden kann.
• Die steuernden Magnetmittel bzw. Steuermagnetmittel weisen einen Steuerelektromagneten auf, der senkrecht zu der Radialrichtung des Stators angeordnet ist, um einen steuernden Magnetfluß und steuernde Magnetpolmittel zum Empfang des steuernden Magnetflusses zu erzeugen, um eine radiale magnetische Anziehungskraft auf den Rotor auszuüben. Die steuernden Magnetpolmittel und die nichtsteuernden Magnetpolmittel können ringförmig sein und so vorgesehen sein, daß sie die vorspannenden bzw. Vorspannmagnetpolmittel zwischen sich haben. Der Steuerelektromagnet kann derart ausgebildet sein, daß sein Querschnitt eine gerade Seite und eine bogenförmige Seite umfaßt, die die Enden der geraden Seite verbindet. Die Vorspannmagnetpolmittel können einen ringförmigen Permanentmagneten oder einen ringförmigen Elektromagneten aufweisen.
• Das System der vorliegenden Erfindung kann ferner Mittel umfassen zum Abfühlen einer radialen Versetzung des Rotors.
• Die obigen und weiteren Ziele und Merkmale der Erfindung werden deutlicher bei Berücksichtigung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gewisse Beispiele dargestellt sind:
• Fig. 1 ist eine Seitenschnittansicht, die die Struktur einer Spindeltragvorrichtung zeigt, welche mit einer herkömmlichen Magnetlagervorrichtung eines Achsensteuertyps versehen ist;
• Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie I-I von Fig. 1 und zeigt Vorspannmagnetfluß, der durch die Magnetlagervorrichtung hindurch geht;
• Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1;
• Fig. 4 und 5 sind Schaltpläne, die die Anordnung der Steuerschaltungen zum Bewirken des Flusses von Steuerstrom durch die Statorspulen zeigen;
• Fig. 6 ist eine Kennlinie, die eine Flußdichtenänderung im Luftspalt des Magnetlagers von Fig. 1 zeigt,
• Fig. 7 ist ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Magnetlagersystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 8 ist ein Blockdiagramm einer Steuereinrichtung, die für die Magnetlagervorrichtungen in Fig. 7 verwendet wird;
• Fig. 9 ist ein Schaltplan eines Stromverstärkers, der verwendet wird zum Treiben der Steuerspulen der Magnetlagervorrichtungen in Fig. 7;
• Fig. 10(a) und (b) werden verwendet zur Erklärung des Betriebs der Magnetlagervorrichtung der Erfindung, wobei Fig. 10(a) ein Querschnitt der Magnetlagervorrichtung ist und den magnetischen Pfad des Steuermagnetflusses zeigt, und wobei Fig. 10(b) eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht der Magnetlagervorrichtung ist;
• Fig. 11 ist ein vereinfachter Längsschnitt des Magnetlagers in Fig. 7;
• Fig. 12 ist ein Querschnitt der Magnetlagervorrichtung in Fig. 7 und zeigt einen Vorspann-Magnetfluß, welcher senkrecht zu dem Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator der Magnetlagervorrichtung fließt;
• Fig. 13 zeigt eine Verteilung des Vorspann-Magnetflusses entlang des Spalts in Fig. 12;
• Fig. 14 wird verwendet zur Erklärung, wie die Steuerung der Magnetlagervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung linearisiert wird;
• Fig. 15 wird verwendet zur Erklärung, wie eine Kraft zum Ausgleichen bzw. Rückgängigmachen einer Längsversetzung des Rotors gemäß der vorhegenden Erfindung erzeugt wird;
• Fig. 16 (a) und (b) sind eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht der Elektromagnetjochs der Magnetlagervorrichtungen in Fig. 7;
• Fig. 17 ist eine Kennlinie, die Flußdichteänderungen in den Polen der Magnetlagervorrichtungen in Fig. 7 zeigt;
• Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Steuermagnetpols der Magnetlagervorrichtungen in Fig. 7;
• Fig. 19(a), (b) und (c) sind Quer- und Längsschnitt ansichten einer Modifikation des Vorspannmagneten der Magnetlagervorrichtungen in Fig. 7; und
• Fig. 20 zeigt ein Beispiel, wie der Steuermagnet und die Vorspann- und nicht-steuernden Magnetpole zusammengesetzt werden.
• Fig. 7 ist ein Schnitt entlang einer Ebene, einschließlich einer Steuerachse in einer Richtung eines Ausführungsbeispiels einer Magnetlagervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
• In dieser Figur wird ein Magnetlagersystem 10 zum Tragen eines Rotors 11 in nicht kontaktierendem Zustand bezüglich eines festen Schaftes bzw. einer festen Achse 12 verwendet. Somit ist der Rotor 11 an zwei Punkten durch Magnetlager 13 und 14 getragen und wird um die feste Achse 12 durch einen Motor 15 gedreht. Die Radialposition des Rotors 11 wird durch ein Paar von Versetzungssensoren 16 und 17 detektiert, die auf einer Steuerachse angeordnet sind, so daß sie zueinander weisen. Die Versetzungs sensoren 16, 17 sind benachbart zu den jeweiligen Magnetlagern 13, 14 angeordnet.
• Die Magnetlager 13, 14 umfassen jeweils Elektromagnete 18, 19, die Elektromagnetjochs 18', 19' aufweisen zum Steuern der radialen magnetischen Anziehungskräfte, Jochs 20, 21, Vorspannmagnete 22, 23, die ringförmige Elektromagnete oder Permanentmagnete zum Vorsehen eines Vorspannmagnetflusses aufweisen, steuernde bzw. Steuermagnetpole 24, 25, nicht-steuernde Magnetpole 26, 27 und Rotormagnetpole 28, 29, die an dem Rotor 11 befestigt sind. Die nicht-steuernden Magnetpole 26, 27 sind auf den Außenoberflächen mit zwei oder mehr Zähnen 26a und 27a ausgebildet. Die Rotormagnetpole 28, 29 sind mit Zähnen 28a und 29a versehen, die zu den Zähnen 26a und 27a weisen.
• Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuereinrichtung bzw. einen Controller 30 zeigt zum Steuern des Elektromagneten 18 der Magnetlagervorrichtung 13. Die Ausgangssignale 16a und 16b der Versetzungssensoren 16 werden durch einen Differentialverstärker 31 zu einem Versetzungssignal verändert. Das Versetzungssignal wird in eine Steuerschaltung 32 gespeist, die dann das Versetzungssignal phasen-kompensiert und das phasen-kompensierte Signal an einen Stromverstärker 33 liefert. Der Stromverstärker 33 speist einen Strom an die Spulen 18a, 18b, die in Serie bzw. in Reihe in dem Elektromagneten 18 geschaltet sind, und steuert ansprechend auf den Strom die magnetische Anziehungskraft, die von dem Elektromagnet 18 erzeugt wird. Die Steuereinrichtung zum Steuern des Magnetlagers 14 besitzt ebenfalls dieselbe Schaltung und somit wird die Beschreibung davon hier weggelassen.
• Da die zueinander weisenden Spulen 18a (19a) und 18b (19b) in Reihe geschaltet sind, können die Stromverstärker 33 zum Leiten von Strömen zu den Elektromagneten 18, 19 als Stromverstärker des Push-Pull-Typs ausgeführt werden, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Dieser Push-Pull- Stromverstärker 33 wirkt dahingehend, die Richtung G oder H des Stromflusses durch die Spule 18a (19a) und die Spule 18b (19b) des Elektromagneten 18 (19) zu verändern, und benötigt eine begrenzte Anzahl von Schaltungskomponenten, wodurch seine Kosten vermindert werden und die Zuverlässigkeit der Schaltung verbessert wird.
• Fig. 10(a) und 10(b) sind Darstellungen, die die Struktur und den Betrieb des Magnetlagers 13 zeigen, wobei Fig. 10(a) eine Draufsicht ist und Fig. 10(b) eine teilweise fragmentarische perspektivische Ansicht ist. Bei dem Magnetlager 13 sind separat ein Elektromagnet 18 zum Erzeugen eines Steuerflusses zum Steuern der magnetischen Anziehungskraft und ein Vorspannmagnet 22 vorgesehen, der einen Elektromagneten oder Permanentmagneten zum Erzeugen eines Vorspannflusses aufweist. Es ist daher nicht nötig, daß der Controller 30 mit irgendeiner Schaltung versehen ist zum Vorsehen einer Vorspannung zum Linearisieren der magnetischen Anziehungskraft. Um den Steuerfluß zu erzeugen, ist der Elektromagnet 18 mit Elektromagnetspulen 18a, 18b auf der gleichen Steuerachse versehen. Der Steuerfluß Bi fließt entlang eines Magnetpfades in einem geschlossenen Kreis, wie in Fig. 10(b) gezeigt ist, von der Elektromagnetspule 18a durch einen Zahn 24a des Steuermagnetpols 24, den Magnetpol 28 des Rotors 11, einen Zahn 24a des Steuermagnetpols 24 und die Elektromagnetspule 18b zu dein Joch 20. Der Vorspannmagnet 22, der den Vorspannungsfluß Bo erzeugt, bildet einen magnetischen Pfad im geschlossenen Kreis, der durch einen Zahn 24a des Steuermagnetpols 24, den Rotormagnetpol 28 des Rotors 11, den nicht-steuernden Magnetpol 26 und den Steuermagnetpol 24 verläuft.
• Es sei bemerkt, daß der Vorspannfluß Bo durch den Vorspannmagneten 22 in einer Ebene senkrecht zu der Mittelachse der festen Achse 12 radial erzeugt wird. Fig. 11 ist ein schematischer Querschnitt des Magnetlagers 13 und dient zur Erklärung, warum der Vorspannfluß Bo in einer Radialrichtung erzeugt wird, wie in Fig. 12 gezeigt ist. Fig. 11 zeigt in vereinfachter Form den Steuermagnetpol 24 und den nicht-steuernden Magnetpol 26 als kreisförmige Magentpole, die auf beiden Seiten des Vorspannmagenten 22 angeordnet sind bzw. den Rotormagnetpol 28 mit Radialvorsprüngen auf beiden Seiten, die zu dem steuernden bzw. dem nicht-steuernden Magnetpol hinweisen. Da der Vorspannmagnet 22 sandwich-artig zwischen den steuernden und nicht-steuernden Magnetpolen 24, 26 aufgenommen ist, fließt der Magnetfluß Bo von dem Elektromagneten (oder Permanentmagneten) 22 axial bezüglich der festen Achse 12 und radial bezüglich des Rotors 11, wie in Fig. 11 und 12 gezeigt ist. Somit ist der Magnetfluß in dem Luftspalt zwischen den Magnetpolen 24, 26 der festen Achse 12 und der Magnetpol 28 des Rotors 11 gleichförmig in Umfangsrichtung verteilt. Infolgedessen erscheint keine Veränderung in der Flußdichte in dem Magnetpol 28 des Rotors, selbst wenn sich der Rotor 11 dreht. Dies verhindert, daß ein Wirbelstrom im Rotor 11 erzeugt wird oder daß, falls einer erzeugt wird, dieser nachfolgend auf einen extrem niedrigen Wert vermindert wird, wodurch ein Magnetlagersystem erhalten werden kann, das wesentlich stabiler ist als irgendwelche herkömmlichen Arten.
• Nun sei angenommen, daß, wenn der Rotor 11 in seiner neutralen Position ist, der Fluß Bo durch den Vorspannmagneten 22 gebildet wird (Fig. 14). Wenn der Rotor 11 gemäß Fig. 14 nach links verschoben wird, wird der Spalt zwischen dem Magnetpol 24 und den Magnetpolen 28 auf der linken Seite der festen Achse 12 groß und der magnetische Fluß wird um ΔBo vermindert. Auf der rechten Seite des festen Schafts 12 wird der Spalt zwischen dem Magnetpol 24 und dem Magnetpol 28 klein und der Fluß Bo steigt um ΔBo an. Um einen solchen Anstieg bzw. eine solche Abnahme von ±ΔBo des Flusses zu eliminieren, wird ein Strom mit dem Wert von (ΔI) an die Elektromagnetspulen 18a, 18b auf den festen Schaft 12 geliefert, um auf der linken Seite des Luftspalts einen magnetischen Fluß mit dem Wert von (+Bi) zu erzeugen, und ein Strom mit der Größe von (ΔI) wird an die Elektromagnetspulen 18a, 18b auf dem festen Schaft 12 geliefert, um auf der rechten Seite des Luftspalts einen Magnetfluß mit dem Wert von (-Bi) zu erzeugen. Somit ist die Beziehung zwischen der magnetischen Anziehungskraft Fc und der Flußdichte Bi linearisiert durch den Vorspannfluß Bo in dem steuernden Magnetpol 24, wie durch den folgenden Ausdruck gezeigt ist:
• Fc = A/2µ{Bo + ΔBo - Bi)² - (Bo + ΔBo + Bi)²} = 2A/µ(BoΔBo - Bobi)
• wobei A die Fläche des Magnetpols und µ die magnetische Permeabilität des Spalts ist. Da die Struktur und der Betrieb des Magnetlagers 14 im wesentlichen gleich wie bei dem Magnetlager 13 sind, wird eine Beschreibung davon hier weggelassen.
• Wie oben mit Bezug auf Fig. 10(b) erklärt wurde, weist die Außenoberfläche jedes der nicht-steuernden Magnetpole 26, 27 die Zähne 26a, 27a auf, und die Innenoberfläche jedes der Rotormagnetpole 28, 29 weist die Zähne 28a, 29a auf, so daß die Zähne 26a, 27a der nicht-steuernden Magnetpole 26, 27 zu den Zähnen 28a, 29a der Rotormagnetpole 28, 29 weisen. Diese Anordnung dient dazu, die Flußdichte Bu zwischen den Zähnen 26a, 27a und den Zähnen 28a, 29a zu erhöhen. Dies hat zur Folge, daß selbst wenn der Rotor 11 in der Richtung der Längsachse, d.h. in der Schubachsenrichtung, verschoben wird, ein Fluß in dieser Richtung zwischen den Zähnen 26a, 27a der nicht-steuernden Magnetpole 26, 27 und der entsprechenden Zähne 28a, 29a der Rotormagnetpole 28, 29 erzeugt wird, wie in Fig. 15 gezeigt ist, wodurch eine Ausgleichs- oder Rückstellkraft Fu in der Schubachsenrichtung erzeugt wird. Somit kann der Rotor 11 passiv in der Schubachsenrichtung getragen werden.
• Wie oben beschrieben wurde, verwendet das Magnetlagersystem dieses Ausführungsbeispiels die Vorspannflüsse der Vorspannmagnete 22, 23 zum Linearisieren der magnetischen Anziehungskraft oder zum passiven Tragen des Rotors 11 in der Schubachsenrichtung. Somit kann der Rotor 11 stabil getragen werden allein durch Steuern der Radialversetzung des Rotors 11, so daß eine Schubscheibe, wie sie bei dem herkömmlichen Magnetlager erforderlich ist (beispielsweise das Schublagerjoch 110 von Fig. 1) nicht benötigt wird.
• Wie in Fig. 10(b) gezeigt ist, werden darüberhinaus, da die Magnetflüsse, die von den Vorspannmagneten 22, 23 erzeugt werden, durch Pfade ähnlich zu den in Fig. 11 gezeigten verlaufen, die Flüsse, die durch die Luftspalte zwischen den Steuermagnetpolen 24, 25 auf der festen Achse 12 und den Rotormagnetpolen 28, 29 des Rotors 11 hindurchgehen, in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt. Somit wird der in dem Rotor 11 erzeugte Wirbelstrom auf einem extrem niedrigen Wert gedrückt.
• Die Elektromagnete 18, 19, die die Steuerflüsse erzeugen, sind senkrecht zu den radialen Steuerachsen angeordnet, wie in den Fig.en 7 und 10(b) gezeigt ist, um die radiale Größe zu vermindern, so daß sie angewandt werden können auf einen Fall, in dem es einen begrenzten Raum in der Radialrichtung der festen Achse 12 gibt. In einem solchen Fall ist auch die Dimension der Querschnittsfläche der Elektromagnetjochs 18' und 19' begrenzt und eine Sättigung der Magnetflüsse kann verursacht werden. Um dieses Problem zu lösen, werden die Jochs 18', 19' so ausgebildet, daß sie eine Querschnittsfläche besitzen, die eine gerade Seite und eine bogenförmige Seite umfaßt, wie in den Fig.en 16(a) und 16(b) gezeigt ist. Auf diese Weise kann das Oberflächengebiet für den Magnetpfad in einem begrenzten Raum erhöht werden. Da es schwierig ist, solche Elektromagnetjochs aus Silizium-Stahlplatten herzustellen, kann ein leicht formbares Material, wie beispielsweise magnetisch weiches Eisen, Permalloy oder ähnliches verwendet werden. In dem Magnetlagersystem werden die Vorspannmagnetflüsse durch die Vorspannmagnete 22, 23 geliefert, die aus Elektromagneten oder Permanentmagneten bestehen. Die Flußdichte dieser Flüsse in den Luftspalten ist eingestellt auf 0,4 (T) - 0,6 (T) an den Steuermagnetpolen 24, 25 und auf 0,8 (T) - 1,2 (T) an den nicht-steuernden Magnetpolen 26, 27. Dies ermöglicht, die durch die Elektromagnete an den Steuerpolen 24, 25 erzeugten Flußdichten in einem Bereich von -0,5 (T) - +0,5 (T) zu steuern, und ein im wesentlichen gesättigter Zustand wird am oberen Ende der nicht-steuernden Magnetpole 26, 27 erreicht, um die Ausgleichs bzw. Rückstellkräfte in der Schubachsenrichtung zu erhöhen bzw. zu verbessern. Eine solche Einstellung wird erreicht durch Verwendung von Parametern, wie beispielsweise dem Oberflächengebiet der Pole, der Länge der Magnetpfade, dem Spalt zwischen den Polen, der Koerzitivkraft der Magnete, der Remanenzflußdichte (im Fall der Verwendung von Permanentmagneten), und der magnetomotorischen Kraft bzw. der magnetischen Spannung (im Fall der Verwendung von Elektromagneten).
• Fig. 17 besteht aus Kennlinien, die die Ergebnissse von Berechnungen zeigen, welche die Verteilung der Flußdichte in dem Spalt angeben, und zeigt Veränderungen der Flußdichte in dem Fall, in dem kein Strom durch die Elektromagnete 18, 19 fließt, und in dem Fall, daß ein Strom dahindurchfließt und zwischen -2,0 (A) und +2,0 (A) ändert. Aus dieser Zeichnung ist erkennbar, daß eine Änderung eines Stroms, der durch die Elektromagnete 18, 19 fließt, die Flußdichte der nicht-steuernden Pole 26, 27 nicht beeinflußt, aber eine Änderung der Flußdichte in den Steuerpolen 24, 25 verursacht.
• Um zu verhindern, daß der steuernde Fluß zum Verändern der Flußdichte in benachbarte Steuerpole fließt, sind die Steuerpole 24, 25 mit radialen Kerben bzw. Nuten 24b (25b) ausgebildet, wie in Fig. 18 gezeigt ist, wodurch bewirkt wird, daß der Vorspannfluß in den Polteilen P zwischen den Steuerpolen gesättigt ist, um zu verhindern, daß der Steuerfluß in die benachbarten Pole fließt.
• In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des Magnetlagersystems sind Vorspannflüsse durch ringförmige Elektromagnete oder Permanentmagnete 22, 23 vorgesehen, aber die Permanentmagnete sind extrem empfindlich und brüchig und können bei der Handhabung Schmutz, wie beispielsweise Eisenpartikel, anziehen. Daher kann ein Ring aus nicht magnetischem Material, wie beispielsweise Aluminium, auf dem Außenumfang des Permanentmagneten 34 angebracht sein, um ihn zu schützen, wie in Fig. 19 gezeigt ist. Dies macht den Zusammenbau der Magnetlagervorrichtung leicht und vermindert das Risiko, daß Probleme auftreten. Da die Magnetlagervorrichtung eine relativ große Anzahl von Bauteilen aufweist, einschließlich der Jochs 20, 21, der Elektromagnete 18, 19, der Steuermagnetpole 24, 25, der Elektromagnete (Permanentmagnete) 22, 23 und der nicht-steuernden Magnetpole 26, 27, können sie durch eine Fixierstange 36 gemeinsam fixiert werden, wie in Fig. 20 gezeigt ist, um den Zusammenbau der Bauteile und deren Einbau in die Vorrichtung zu erleichtern. Dies verbessert nicht nur die Handhabung, sondern auch die Positionierung der Pole und die Genauigkeit ihrer Größe.
• Die vorliegende Erfindung sollte so verstanden werden, daß sie eine Magnetlagervorrichtung eines Innenrotortyps und ein System zu ihrer Verwendung umfaßt, weil Magnetlager des Innenrotortyps und des Außenrotortyps äquivalent sind.

Claims (7)

1. Magnetlagervorrichtung (10) zum drehbaren Aufhängen eines Rotor (11) bezüglich eines Stators und ohne diesen zu kontaktieren sowie zum Steuern der Position des Rotors auf mindestens einer Steuerachse, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

mindestens zwei Magnetlager (13, 14), welche in einem vorbestimmten Abstand bzw. Intervall entlang der Achse des Rotors (11) angeordnet sind, wobei jedes der Magnetlager (13, 14) Steuermagnetmittel (18, 19), Vorspannmagnetmittel (22, 23), einen Steuermagnetpol (24, 25), nicht-steuernde Magnetpolmittel (26, 27) sowie Rotormagnetpolmittel (28, 29) aufweist; und

eine Steuervorrichtung bzw. einen Controller mit einem Versetzungssensor (16, 17) zum Abfühlen der Radialposition des Rotors (11), um die Steuermagnetmittel (18, 19) ansprechend auf die Ausgabegröße des Versetzungssensors (16, 17) zu steuern;

wobei

der Steuermagnetpol (24, 25) an einem Umfangsteil des Stators befestigt ist und einen magnetischen Fluß erzeugt, um eine Magnetkraft auf den Rotor (11) auszuüben, um den Rotor (11) in einer Neutralposition zu halten;

die nicht-steuernden Magnetpolmittel (26, 27) am Umfangsteil des Stators befestigt sind;

die Vorspannmagnetmittel (22, 23) an dem Stator befestigt sind und zwischen dem Steuermagnetpol (24, 25) und den nicht-steuernden Magnetpolmitteln (26, 27) positioniert sind und einen vorspannenden magnetischen Fluß erzeugen und an den Steuermagnetpol (24, 25) liefern, um eine Steuerung einer Position des Rotors (11) zu linearisieren;

die nicht-steuernden Magnetpolmittel (26, 27) mindestens zwei erste Zähne (26a, 27a) auf einer Außenoberfläche besitzen;

die Steuermagnetmittel (18, 19) einen steuernden magnetischen Fluß erzeugen, der durch den Steuermagnetpol (24, 25) fließt, um dadurch den Rotor (11) in dessen Radialrichtung anzuziehen;

die Vorspannmagnetmittel (22, 23) einen vorspannenden magnetischen Fluß erzeugen, der durch den Steuermagnetpol (24, 25) und die nicht- steuernden Magnetpolmittel (26, 27) fließt und eine Kraft erzeugt, durch die der Rotor (11) seine Position in der Richtung einer Schubachse bzw. in Axialrichtung wiedererlangt; und

die Rotormagnetpolmittel (28, 29) zu den nicht- steuernden Magnetpolmitteln (26, 27) und dem Steuermagnetpol (24, 25) weisen und mindestens zwei zweite Zähne (28a, 29a) aufweisen, die zu den ersten Zähnen (26a, 27a) weisen.

2. Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei magnetische Flüsse, die von den Steuermagnetmitteln (18, 19) und den Vorspannmagnetmitteln (22, 23) erzeugt werden, an dem Steuermagnetpol (24, 25) kombiniert sind.

3. Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 2, wobei der Steuermagnetpol (24, 25), die Vorspannmagnetmittel (22, 23) und die nicht-steuernden Magnetpolmittel (26, 27) ringförmig sind.

4. Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die Steuermagnetmittel (18, 19) eine derartige Form besitzen, daß der Querschnitt davon eine gerade Linie und eine bogenförmige Seite umfaßt, welche die Enden der geraden Linie verbindet.

5. Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei die Vorspannmagnetmittel (22, 23) einen ringförmigen Permanentmagneten aufweisen.

6. Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 51 wobei eine Seitenoberfläche des Permanentmagneten ein nicht-magnetisches Glied aufweist, um den Permanentmagneten zu schützen.

7. Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei die Vorspannmagnetmittel (22, 23) einen ringförmigen Elektromagneten aufweisen.