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Diese Erfindung betrifft magnetische Lager und ist insbesondere beschäftigt
mit Axialdrucklagern zum Gebrauch in Verbindung mit drehenden Wellen.
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Es ist wohl bekannt, eine drehbare Welle mittels eines magnetischen Lagers
zu stützen. Es ist ebenfalls bekannt, die axiale Versetzung solch einer Welle
mittels eines magnetischen Axialdrucklagers zu steuern, im Gegensatz zu
einem konventionellen Axialdruckgang. Ein magnetisches Axialdrucklager
umfaßt einen Rotor, welcher auf der drehbaren Welle befestigt ist, deren
axiale Versetzung zu regeln ist, und zumindest ein befestigtes Statorelement,
welches an der zugeordneten Hardware befestigt ist. Das Statorelement hat
mit sich zugeordnete energiezuführende Windungen bzw. Wicklungen, wobei
die Positionssteuerungskraft typischerweise unter der Steuerung von
elektronischen
Erfassungs/Positionierschaltkreisen generiert und geregelt wird. Es
ist üblich, die Rotorkomponente aus festen Eisenbasislegierungen
herzustellen, und dasselbe Material kann verwendet werden für das Statorelement
oder die Elemente. Dies ist annehmbar, wo die Axialdrucklast praktisch
statisch ist und die Flußveränderungsrate keinen signifikanten Faktor darstellt.
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Dauermagnetkomponenten sind jedoch unerwünscht bzw. ungeeignet bei
dynamischen Lastveränderungen, begleitet durch eine hohe Veränderungsrate
des Flusses wegen der entwickelten Wirbelströme. Diese resultieren in hohem
Kraftverlust und sehr beachtlicher Erhitzung der Lagerkomponenten.
Dementsprechend wird für solche Anwendungen eine Laminat- bzw.
Schichtkonstruktion bevorzugt.
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Aus der FR-A-2,574,880 ist bekannt, ein Statorelement eines Magnetlagers
aus Schichten von geeignetem magnetischen Material zu bilden. Die
Schichten weisen individuelle gleichförmige Dicken auf und sind in parallelseitige
Stapel oder Klötze zusammengeführt, wobei die Stapel um die Rotationsachse
eines zugeordneten Rotors angeordnet sind. Es wird verstanden werden, daß
auch, wenn jeder Stapel mit benachbarten Schichten magnetisch effizient ist,
Lücken zwischen den Klötzen bestehen, welche sich in der umfänglichen
Breite bzw. Weite erhöhen, bei einer Erhöhung des radialen Abstandes von
der Rotationsachse. Der Rotor ist ein homogener Körper und wird nicht durch
die Lücken bzw. Hohlräume in einer magnetischen Kupplung beeinflußt (in der
umfänglichen Richtung) bezüglich jeglicher besonderen umfänglichen
angenommenen Positionen durch den Rotor eingenommen, obwohl solch ein
Rotor Wirbelströmen darin unterliegt.
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Wenn es gewünscht ist, die Wirkungen von Rotorwirbelströmen zu
reduzieren, ist der Rotor bevorzugt ebenfalls beschichtet.
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Aber wenn eine solche Konstruktion wirksam sein soll, sind einfache radial
ausgerichtete Schichten unbefriedigend, wegen der Reduktion des
magnetischen
Oberflächenbereiches in der radial progressiven auswärtigen Richtung.
Es wird angemerkt werden, daß eine typische Schichtdicke in der
Grössenordnung von 0,1 bis 0,25 mm liegt. Keilförmige Schichten sind keine
zufriedenstellende Lösung aufgrund dieser Tatsache. Eine vorgeschlagene
Lösung ist es, den Durchmesser der zusammenwirkenden Komponenten zu
erhöhen, obwohl dies nicht wirklich die weiteren Probleme angeht, welche
entstehen, wenn die jeweiligen Rotor- und Statorschichten nicht an ihrer
äußeren Peripherie miteinander ausgerichtet sind. Wo keine Ausrichtung ist,
wird ein hohes Widerstreben bzw. ein hoher Widerstand vorhanden sind,
während bei einer Ausrichtung ein geringer Widerstand auftritt. Der
Gesamteffekt ist entweder eine schnelle Veränderung, welche zu höheren
Windungsbzw. Wickel- bzw. Spulverlusten führen oder die Erzeugung von
Hochfrequenzübergängen in den Windungen bzw. Wicklungen.
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Es ist ein Ziel dieser Erfindung, diese Probleme zu minimieren.
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Gemäß dieser Erfindung ist ein Satz von geschichteten Stator- und
Rotorkomponenten für ein magnetisches Axialdrucklager vorgesehen, wobei jede
Komponente eine Vielzahl von Schichten umfaßt, welche generell radial
gerichtet sind zu einer Nabe oder einer anderen Stütze bzw. Auflage, welche
eine Rotationsachse einer Welle umgibt, welche durch das Lager in einer
radialen Entfernung bzw. Beabstandung angeordnet ist, deren Füße bzw.
Fußpunkte sich an der Nabe entlang der Richtung der Achse erstrecken, und
welche radial entfernt von den Wurzeln progressiv gedreht bzw. verdreht sind
relativ zu der Achsenrichtung derart, daß in einer umfänglichen Richtung die
effektive Breite einer jeden Schicht an einer gegebenen radialen Entfernung
von dem Fuß nicht geringer ist als eine Teilung zwischen ihr und einer
benachbarten Schicht in dieser Entfernung.
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Durch ein progressives Drehen der einzelnen Schichten um ihren
Befestigungspunkt an einer zentralen bzw. Mittelnabe oder anderen Stützung,
welche die Rotationsachse der Welle umgibt, wird die Lücke zwischen ihnen,
bei ansteigender radialer Entfernung von der Achse, enthalten und kann
gegen Anwachsen geschützt werden, ohne ein Anwachsen ihrer Dicke. In
anderen Worten, die effektive Fläche bzw. der effektive Bereich von Metall,
wie es in axialer Richtung gesehen wird, ist maximiert im Gegensatz zu dem,
was durch radial ausgerichtete flache Schichten erreicht wird. Bevorzugt sind
die Schichten des Statorelementes in der entgegengesetzten Richtung
verdreht zu jenen des Rotors, um ihre gegenseitige Ausrichtung im Gebrauch zu
erhöhen.
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Damit die Erfindung besser verstanden wird, wird nun eine Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei:
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Figuren 1, 2 und 3 Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik
darstellen, und
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Figur 4 und Figuren 4A bis 4D die vorliegende Erfindung erläutern.
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Figur 1 ist eine Seitenansicht eines Ganzmetallaxialdruckringes 1. Im
Gebrauch wird er auf einer zentralen Welle 2 befestigt und zwischen einem Paar
von entsprechend geformten Statorelementen angeordnet, welche mit
energiezuführenden Windungen bzw. Wicklungen (nicht gezeigt oder im weiteren
behandelt) versehen sind. Die Statorelemente sind in diesem Fall ebenfalls aus
Vollmetall und mit ringförmigen Aushöhlungen bzw. Aussparungen für die
Wicklungen versehen. Solch eine Anordnung kann verwendet werden für
Leichtlastanwendungen, insbesondere dort, wo stabile bzw. konstante und
relativ geringe axiale Axialdruckkräfte erzeugt werden.
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Figur 2 zeigt einen einfachen beschichteten Axialdruckring 2 entsprechend zu
Figur 1, jedoch mit einer Vielzahl von radialen Schichten 3, welche gestützt
sind durch eine zentrale Nabe 4. Es wird angemerkt, daß die radial äußersten
Spitzen bzw. Enden dieser Schichten getrennt sind durch generell dreieckige
Lücken 5, welche in der Praxis mit einem magnetisch inerten Material gefüllt
werden, wie z.B. Epoxy oder Phenolharzzusammensetzungen.
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Figur 3 stellt dar, wie der Ring von Figur 2 im Umfang anwachsen müßte, um
denselben effektiven magnetischen Bereich zu erreichen, wie der des festen
bzw. Körperringes von Figur 1. Nachdem nur der Durchmesser verändert ist,
wurden dieselben Bezugszeichen wie in Figur 2 verwendet.
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Figur 4 ist eine Aufsicht eines Bestandteiles bzw. einer Komponente des
Satzes gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein geschichteter bzw.
beschichteter Axialdruckring gezeigt ist, in Relation mit einer Nabe, welche
eine Welle für eine Rotorkomponente ist oder die Welle für eine
Statorkomponente umgibt. Der Ring hat per se eine Ebene, die sich senkrecht zu der
Achse der Wellenrotation erstreckt. Details der Komponentenstruktur sind in
den Figuren 4A bis 4D gezeigt.
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Figur 4A ist eine Ansicht entland der Rotationsachse in der Art der Figuren 1
bis 3, wobei eine Seitenansicht der Nabe und des beschichteten Ringes und
den radialen Beziehungen zwischen ihnen gezeigt ist.
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Figuren 4B bis 4D inklusive sind Schnittansichten des beschichteten Ringes
von Figur 4A, aber gesehen bei unterschiedlichen radialen Versetzungen von
der Rotationsachse.
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Bezugnehmend ebenfalls auf Figur 4B, ist dort eine einzelne Schicht 10
gezeigt, welche eine von einer Vielzahl von Schichten repräsentiert, welche
um die Rotationsachse angeordnet sind, um den Ring zu umfassen. Die (und
jede) Schicht ist parallelseitig und von gleichförmiger Breite t, zwischen den
Seiten. Die Schicht erstreckt sich generell radial bezüglich zu der
Rotationsachse von einem Fuß bei einer radialen Entfernung Ra von der Achse der
Wellenrotation und des Fußes der Ebene, wobei sich die Schicht entlang der
Richtung der Achse erstreckt.
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Folglich ist in Figur 4B, bei einer radialen Entfernung Ra (in Figur 4A als Rs
gezeigt), die Breite der Schicht (in einer umfänglichen Richtung) t, und in
einer konventionellen Schicht würde ihr effektiver magnetischer Bereich t
multipliziert mit (Rc - Ra), die radiale Tiefe von der Nabe 12 zu dem äußeren
Rand sein. Figur 4C zeigt die selbe Schicht, jedoch diesmal in Schnittansicht
entlang der Linie BB bei einem radialen Abstand Rb. In diesem Fall und gemäß
dieser Erfindung ist die Schicht zwischen der Wurzel und der radial äußersten
Spitze bzw. dem radial äußersten Ende progressiv verdreht bezüglich der
Richtung der Rotationsachse von der in Figur 4B gezeigten Anordnung, und
zwar als eine Funktion des radialen Abstandes. Die effektive Breite t' bei Rb
ist nun t/sin x, wobei x der Winkel relativ zu der Ebene ist, in welcher der
Ring liegt und ebenfalls die Fläche des Ringes. Es wird erkannt werden, daß
t gleich t ist. Rb/Ra, der effektive Bereich wird über den des in Figur 4B
gezeigten erhöht, und zwar um den Faktor Rb/Ra.
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An dem radial äußersten Punkt, wie es in Figur 4D zu sehen ist, entlang der
Linie CC ist der finale Drehwinkel bzw. Verdrehungswinkel relativ zu der
Ebene des Ringes y, und der Wert von t' ist nun t.Rc/Ra.
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Rc ist sowohl größer als Ra als auch Rb, so daß die effektive Breite des
Schichtendes in einer umfänglichen Richtung, d.h. gesehen entlang der
Rotationsachse, mit der radialen Entfernung erhöht wird, wobei der effektive
Bereich des Schichtendes größer ist, und dementsprechend die
Gesamtleistung erreicht durch das progressive Verdrehen viel näher an dem eines
Vollkörpers bzw. Festringes ist, z.B. dem von Figur 1, als die einer einfachen
flachen radialen Anordnung von Figur 2.
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Der Satz von Stator- und Rotorkomponenten ist beabsichtigt zum Gebrauch
mit den Endflächen der Ringe, welche einander in einer axialen Richtung
gegenüberliegen, und zwar derart, daß die magnetischen Flüsse zwischen
ihnen koppeln für alle Rotorpositionen. Zusätzlich zu der verbesserten
Kopplung, welche erhalten wird durch effektives Erhöhen der Bereiche der
Schichten,
können die Schichten der Rotorkomponente verdreht bzw. gedreht sein
bezüglich des Fußes, um die Achsen richtung in einer entgegengesetzt
gerichteten Richtung zu jenen der Statorkomponenten zum Maximieren
gegenseitiger Ausrichtung der Schichten zwischen den Ringen der Komponenten.
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Es wird erkannt werden, daß in der Anordnung von Figur 4, obwohl die
Fußbreite durch die Nabendimension festgelegt ist bzw. gegeben ist, ein
Verdrehen die axiale Dicke des Ringes radial außerhalb der Schichtfüße
reduziert, wenn jede Schicht dieselbe Länge zwischen ihren Enden aufweist,
wie an dem Fuß. Schichten, welche in der Seitenansicht keilförmig sind,
können zum Entgegenwirken verwendet werden. Figur 4 geht von der
Annahme aus, daß diese besondere Konstruktion verwendet wird.
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Es wird aus den Figuren 4B und 4D gesehen, daß die Länge der Schicht
zwischen ihren Enden in der Ebene der Schicht, bei Ra geringer ist, als die
Länge der Schicht in ihrer Ebene bei Rc, so daß die Länge an dem Fuß geteilt
durch die Länge an der Spitze gleich ist zu (sin Y) und somit gleich dem
radialen Abstand von der Rotationsachse zu dem Fuß geteilt durch den
radialen Abstand zu der Spitze, das ist, Sin Y = (Ra/Rc) ist.