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WO2009000711A2 - Lagereinrichtung zur berührungsfreien lagerung eines rotors gegen einen stator - Google Patents

Lagereinrichtung zur berührungsfreien lagerung eines rotors gegen einen stator Download PDF

Info

Publication number
WO2009000711A2
WO2009000711A2 PCT/EP2008/057647 EP2008057647W WO2009000711A2 WO 2009000711 A2 WO2009000711 A2 WO 2009000711A2 EP 2008057647 W EP2008057647 W EP 2008057647W WO 2009000711 A2 WO2009000711 A2 WO 2009000711A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bearing
rotor
stator
air
disks
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/057647
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009000711A3 (de
Inventor
Peter Kummeth
Martino Leghissa
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP08761128A priority Critical patent/EP2160519A2/de
Priority to CN200880021189A priority patent/CN101688557A/zh
Priority to US12/665,592 priority patent/US20100201216A1/en
Publication of WO2009000711A2 publication Critical patent/WO2009000711A2/de
Publication of WO2009000711A3 publication Critical patent/WO2009000711A3/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0603—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion
    • F16C32/0614—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion the gas being supplied under pressure, e.g. aerostatic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0402—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means combined with other supporting means, e.g. hybrid bearings with both magnetic and fluid supporting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/0408—Passive magnetic bearings
    • F16C32/041—Passive magnetic bearings with permanent magnets on one part attracting the other part
    • F16C32/0412—Passive magnetic bearings with permanent magnets on one part attracting the other part for radial load mainly
    • F16C32/0414—Passive magnetic bearings with permanent magnets on one part attracting the other part for radial load mainly with facing axial projections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0681—Construction or mounting aspects of hydrostatic bearings, for exclusively rotary movement, related to the direction of load
    • F16C32/0692—Construction or mounting aspects of hydrostatic bearings, for exclusively rotary movement, related to the direction of load for axial load only

Definitions

  • Bearing device for non-contact mounting of a rotor against a stator
  • the invention relates to a bearing device for non-contact mounting of a rotor against a stator.
  • the rotor has at least one shaft rotatable about an axis, wherein at least one rotor disk is mechanically connected to the shaft.
  • the stator has at least two stator disks spaced apart in the axial direction to form a gap. The at least one rotor disk protrudes into the intermediate space while forming a bearing gap.
  • Such a storage device is apparent, for example from DE 10 2005 028 209 Al.
  • Storage facilities for non-contact storage of a rotor against a stator allow a contact and wear-free storage of the rotor, require no lubricant and can be designed friction or virtually frictionless.
  • Such storage facilities may be magnetic bearings, for example.
  • Magnetic bearing devices may be constructed using permanent magnetic elements, magnetic field generating windings or as superconducting magnetic bearings.
  • Magnetic bearings can be actively controlled or partially self-stable designed.
  • Active controlled magnetic bearings have a control device, with which the magnetic bearing forces are controlled according to an active stabilization of the rotor.
  • An active control typically involves complex control electronics, and is therefore expensive.
  • active controlled magnetic bearings have additional mechanical backup bearings.
  • An additional mechanical Fishing camp represents an increased design effort for the magnetic bearing and therefore causes additional costs.
  • Partially inherently stable magnetic bearings can be intrinsically stable in the radial direction or axial direction to the axis of rotation of the rotor. If such a bearing is intrinsically stable, for example in the radial direction, it has, for example, a ferrofluid bearing or a needle bearing for the axial stabilization of the rotor. In contrast to the non-contact designed magnetic bearing part causes the mechanical bearing part friction losses.
  • Such partially self-stable storage facilities go, for example, M. Siebert et. al. : A Passive Magnetic Bearing Flywheel. NASA / TM-2002-211159, 2001.
  • Another in the radial direction inherently stable magnetic bearing which additionally has a high bearing force, for example, from DE 10 2005 028 209 Al shows.
  • a radially inherently stable magnetic bearing which has an active control for axial stabilization, is evident, for example, from DE 10 2005 030 139 A1.
  • the object of the present invention is to provide a self-stable bearing device for non-contact mounting of a rotor against a stator, which is improved in relation to the technical problems existing in the prior art.
  • the bearing device should dispense with mechanical bearing components as well as an active electronic control of a magnetic bearing part.
  • the aforementioned object is achieved with the measures specified in claim 1 or claim 4.
  • the invention is based on the idea of additionally providing a bearing device, which has a magnetically stable magnetic bearing part in the radial direction, with an air bearing which stabilizes the rotor, which is magnetically mounted in relation to the stator, in an axial direction.
  • the axial stabilization of the rotor by means of an air bearing can be carried out both on one side as well as in both axial directions.
  • the magnetic bearing part of the bearing device according to the invention is designed such that the rotor experiences a permanent magnetic force in an axial preferred direction. In this way, the rotor must be supported only against this preferred direction by means of an air bearing device.
  • the bearing device for non-contact mounting of a rotor against a stator according to claim 1, the following features.
  • the bearing device for contactless mounting of a rotor against a stator comprises a rotor, a stator, a magnetic bearing part and an air bearing part.
  • the rotor has at least one shaft rotatable about an axis, with which at least one rotor disk is mechanically connected.
  • the stator has at least two stator disks spaced apart from one another in the axial direction under the formation of a gap, wherein the at least one rotor disk protrudes into the intermediate space while forming a bearing gap.
  • the magnetic bearing part serves to support the rotor in a radial direction to the axis
  • the air bearing part serves to support the rotor in an axial direction to the axis.
  • the rotor or the stator contains magnetic field generating means for generating a magnetic holding flux, which is directed between the at least one rotor disk and the stator disks substantially in an axial direction.
  • the stator has at least one bearing surface whose surface normal is oriented substantially in an axial direction.
  • the rotor has at least one bearing body, which is spaced from the bearing surface to form an air bearing gap. The bearing body is mounted relative to the bearing surface by an existing in the air bearing gap air cushion.
  • the storage device according to the invention can have the following features according to claim 4:
  • the bearing device for contactless mounting of a stator against a rotor comprises a rotor, a stator, a magnetic bearing part and an air bearing part.
  • the rotor has at least one shaft rotatable about an axis, wherein at least two rotor disks spaced apart in the direction of the axis with the formation of an intermediate space are mechanically connected to the shaft.
  • the stator has at least one stator disk, which protrudes into the intermediate space while forming a bearing gap.
  • the magnetic bearing part serves to support the rotor in a radial direction to the axis
  • the air bearing part serves to support the rotor in an axial direction to the axis.
  • the at least two rotor disks and the at least one stator disk are provided on their mutually facing sides with annular tooth-like projections, which each face one another over a bearing gap. Furthermore, the rotor or the stator contains magnetic field generating means for generating a magnetic holding flux which is directed between the at least one stator disk and the at least two rotor disks substantially in an axial direction.
  • the stator has at least one bearing surface whose surface normal is oriented substantially in an axial direction.
  • the rotor has at least one bearing body which is spaced apart from the bearing surface to form an air bearing gap and which is mounted relative to the bearing surface by an air cushion present in the air-bearing gap.
  • the bearing device enables completely contact-free mounting of a rotor in relation to a stator.
  • the bearing device is easy to construct, and allows a completely intrinsically stable bearing of the rotor relative to the stator.
  • the storage device may still have the following features:
  • the bearing device can have n> 2 stator disks, which are spaced apart in the direction of the axis with the formation of intermediate spaces, wherein rotor disks protrude into these intermediate spaces in each case with the formation of bearing gaps n-1.
  • the bearing device can have n> 2 rotor disks, which are spaced apart in the direction of the axis with the formation of intermediate spaces, wherein n-1 stator disks protrude into the spaces thus formed, forming bearing gaps.
  • the bearing device can have two or more stator disk pairs which are spaced apart from one another in the direction of the axis and which are each formed from two stator disks. Between the stator disks, which form a pair of stator disks, there is in each case an intermediate space into which in each case a rotor disk protrudes to form a bearing gap. alternative two or more pairs of rotor disks spaced apart from one another in the direction of the axis may be formed by two rotor disks each. The rotor disks forming the pairs of rotor disks each have an intermediate space between each other, in each of which a stator disk protrudes to form a bearing gap.
  • the axial extent of the bearing gap may be less in a preferred direction than in a direction opposite thereto.
  • the air bearing part of the bearing device may be connected at the end face to an end part of the shaft which, starting from the magnetic bearing part, lies in the direction of the preferred direction.
  • the bearing surface of the air bearing part may be formed by the partial surfaces of the tooth-like extensions of at least one stator disc, wherein only those partial surfaces of the tooth-like extensions form the bearing surface of the air bearing part whose surface normals point in an axial direction. Furthermore, only those parts of the tooth-like extensions are used as a bearing surface for the air bearing part, which are based on the associated rotor disk in the direction of the preferred direction. According to the aforementioned embodiment, the bearing surface used for air storage is realized in the region of the tooth-like extensions of the stator disks. In this way, a space-saving and compact storage facility can be specified.
  • the air bearing part may be connected to the end face of both end portions of the shaft.
  • the bearing surface of the air bearing part can from those part surfaces of the tooth-like extensions at least two
  • a bearing which is inherently stable in both axial directions can be specified, which furthermore can be made particularly compact by integrating the air bearing surfaces in the region of the tooth-like extensions of the bearing disks.
  • the stator may comprise magnetic field generating means in the form of permanent magnets or the winding of an electromagnet
  • the rotor may comprise magnetic field generating means in the form of permanent magnets.
  • the air bearing part may be formed in the manner of a Folienluftla- gers.
  • a film air bearing allows non-contact storage of moving components, without the need for an external compressed air supply.
  • the stator may be connected to a compressed air supply to produce the air cushion, wherein the compressed air supply comprises a buffer volume for temporary maintenance of the air cushion.
  • the bearing device according to the above embodiment can be secured against the failure of the compressed air supply. In this way, the reliability of the bearing device can be increased.
  • FIGS. 1 to 6 bearing arrangements whose rotor is supported on one side by means of an air bearing
  • FIG. 1 shows a bearing device 100 for the contact-free mounting of a rotor against a stator 101.
  • the rotor has at least one shaft 102 rotatably mounted about an axis A, with which a rotor disk 103 is mechanically connected.
  • the stator 101 has two in the direction of the axis A with the formation of a gap 104 spaced stator disks 105, 106.
  • the stator disks 105, 106 are connected at their radially outer regions with a yoke body 115.
  • the stator 101 at least partially surrounds the rotor.
  • stator 101 with the stator disks 105, 106 form a U-profile-shaped component, viewed in cross-section, which fully encloses the rotor disk 103 in the circumferential direction. constantly surrounds.
  • the rotor disk 103 protrudes to form a bearing gap 107 in the intermediate space 104 between the stator disks 105, 106.
  • the rotor disk 103, as well as the stator disks 105, 106 have tooth-like extensions 108 which face one another on their mutually facing sides.
  • the tooth-like extensions 108 can each be designed as annular projections with respect to the axis A.
  • the stator 101 comprises as a magnetic field generating means a permanent magnet 109, which may be formed in particular as an annular, the rotor in the circumferential direction enclosing part of the stator 101.
  • a magnetic flux is to be generated, which is directed in the region of the bearing gap 107 between the tooth-like extensions of the stator disks 105, 106 and the rotor disk 103 substantially in an axial direction.
  • the magnetic flux is closed via the yoke body 115, which is part of the stator 101.
  • the bearing device 100 furthermore has an air bearing 110 connected to an end part of the shaft 102.
  • the air bearing 110 comprises a bearing surface 111 which is mechanically connected to the stator 101.
  • the bearing surface 111 is oriented in such a way that its surface normal is oriented substantially parallel to the axis A.
  • the bearing surface 111 can in particular be provided with inlet nozzles, have inflow chambers, and / or be provided with various channels, microchannels or even micro-nozzles.
  • the bearing surface 111 may further be a porous, sintered surface through which the compressed air necessary for the air bearing 110 can flow into the air bearing gap 112.
  • the bearing surface 111 is part of the static part of the air bearing 110 and is connected to the compressed air supply via a supply line 113 to a compressed air supply.
  • the air bearing 110 further comprises a bearing body 114, which is part of the rotor, or is mechanically connected thereto.
  • a bearing body 114 For storage of the bearing body 114 against the bearing surface 111, an air cushion is generated by means of compressed air in the air bearing gap 112.
  • the air bearing part can be designed in the manner of a film air bearing (foil air bearing).
  • film air bearing allows the contact-free storage of a moving shaft 102 by a self-building air cushion.
  • an air cushion is hydrodynamically constructed by the rotation of the shaft 102 in the air bearing gap 112.
  • a foil air bearing typically dispenses with additional mechanical backup bearings. When starting / accelerating the shaft 102, the film air bearing works first in the manner of a plain bearing, until a hydrodynamic a correspondingly viable air cushion has built up in the air bearing gap 112.
  • the bearing device 100 according to FIG. 1 is configured in such a way that the bearing gap 107, viewed from the rotor disk 103, has a smaller extent in an axial preferred direction B than counter to the preferred direction B. Consequently, the part 107a of the bearing gap 107 which extends between the bearing gap 107 Rotor disk 103 and the rotor disk 105 facing the air bearing 110 is smaller in the axial direction than the part 107b of the bearing gap 107 which is located between the rotor disk 103 and the stator disk 106 facing away from the air bearing 110. Due to the different axial sizes of the bearing gaps 107a, 107b, the shaft 102 permanently experiences a magnetic force action in the direction of the preferred direction B. This permanent magnetic force acting on the rotor is supported by the air bearing 110 provided on the end region of the shaft 102.
  • FIG. 2 shows a further bearing device 100 whose stator 101 has two stator disk pairs 201a, 201b, 202a, 202b.
  • the bearing device 100 further comprises two rotor disks 203, 204, which respectively project into the intermediate space 104 existing between the pairs of stator disks 201a, 201b or 202a, 202b, forming a bearing gap 107.
  • the further bearing device 100 shown in FIG. 2 like the bearing device 100 shown in FIG. 1, has bearing gaps 107a, 107b which have a different size in an axial direction. As a result, in the direction of the preferred direction B, the shaft 102 experiences a force effect, which is supported by the air bearing 110 attached to the end of the shaft 102.
  • the bearing device 100 can, without this being shown in FIG. 2, likewise have further stator disk pairs 201a, 201b, 202a, 202b, so that the bearing device 100 has an increased bearing force.
  • FIG. 3 shows a further bearing device 100, which can be constructed analogously to the bearing device 100 shown in FIG. Only the magnetic field generating means in the form of a permanent magnet 109 are formed as part of the rotor disk 103.
  • the magnetic field generating means may, if they are part of the stator 101, be formed by permanent magnets and / or by the winding of an electromagnet. If the magnetic field generating means are part of the rotor, then they can likewise be formed by permanent magnets and / or by the winding of an electromagnet.
  • FIG. 4 shows a further bearing device 100, which has two magnetic partial bearings 401, 402.
  • Each of the magnetic part bearings 401, 402 has two rotor disks 403, 404 and 405, 406 connected to the shaft 102, respectively, which project in a gap 104 between the respective stator disks 407 to 412.
  • each of the partial bearings 401, 402 each have a permanent magnet 109.
  • End of the shaft 102 is a Air bearing 110, with which the shaft 102 is supported in the preferred direction B.
  • the bearing gaps 107 formed between the stator disks 407 to 412 and the rotor disks 403 to 406 are smaller in the direction of the preferred direction B as viewed from the rotor disks 403 to 406 in the direction of the stator disks 407 to 412 as opposed to the preferred direction B.
  • the force exerted on the shaft 102 in the preferred direction B is supported by the existing at one end of the shaft 102 Heilla- ger 110.
  • FIG. 5 shows a further bearing device 100 with a rotor which is rotatably mounted about an axis A.
  • the rotor comprises a shaft 102 to which rotor disks 501 to 503 are mechanically connected.
  • the stator 101 comprises two stator disks 504, 505, which protrude into the intermediate space 104 present between the rotor disks 501 to 503.
  • the stator 101 surrounds the rotor in the circumferential direction at least partially. In the axial direction, the stator disks 504, 505 are enclosed by the rotor disks 101 to 103.
  • the bearing gaps 107 formed between the rotor disks 501 to 503 and the stator disks 504, 505 are designed such that the bearing gap, starting from a stator disk 504, 505 in a preferred direction B, has a smaller size than counter to the preferred direction B.
  • Bearing gap 107a between the rotor disk 501 and the stator 504 smaller than the bearing gap 107b between the stator 504 and the rotor disk 502. The resulting by the different size of the bearing gaps 107a, 107b force in the direction of the preferred direction B is connected from one end to the shaft 102 Air bearing 110 supported.
  • the bearing device shown in Figure 5 100 permanent magnets 109, which are each a part of the rotor disks 501 to 503.
  • a magnetic holding flux M is generated, which between the tooth-like extensions 108 of the rotor Washers 501 to 503 and the stator disks 504, 505 is directed substantially in an axial direction.
  • the magnetic holding flux M is closed over parts of the shaft 102.
  • FIG. 6 shows a further bearing device 100, which is comparable with respect to its magnetic part with the bearing device shown in FIG.
  • the rotor disks 103 connected to the shaft 102 each protrude into spaces 104 formed between the stator disks 105, 106.
  • the bearing gaps 107a, 107b formed between the rotor disks 103 and the stator disks 105, 106 have different sizes in the axial direction. Due to the different size of the bearing gaps 107a, 107b, the shaft 102 experiences a force action in the direction of the preferred direction B.
  • the air bearing part of the bearing device 100 shown in FIG. 6 is integrated into the tooth-like extensions 601 of a rotor disk.
  • the tooth-like extensions 108 of the stator disc 105 have nozzles or outlets, so that in the bearing gap 107 a an air cushion with the effect of
  • the specially shaped tooth-like extensions 601 of the stator disk 105 can be configured in the same way as the bearing surface 111 on their surfaces whose surface normals extend substantially parallel to the axis A.
  • the special tooth-like extensions 601 may be provided with nozzles, channels, recesses, micro nozzles or other measures to produce an air cushion for air storage in the bearing gap 107a.
  • the special tooth-like extensions 601 can furthermore be made of a porous, air-permeable sintered material.
  • the bearing device 100 has a bearing disk 105, which is configured in such a way that its tooth-like extensions 601 serve to generate an air cushion in the bearing gap 107a.
  • the bearing device can furthermore be configured in such a way that further bearing disks 105 have correspondingly designed tooth-like extensions 601.
  • FIG. 7 shows a further bearing device 100.
  • a rotor disk 103 connected to the shaft 102 projects into the intermediate space 104 between the stator disks 105, 106, forming a bearing gap 107.
  • the stator disks 105, 106 are on their tooth-like extensions 601 with air outlets, comparable to an air bearing , Mistake.
  • stator discs 105, 106 are connected for the purpose of air storage by a supply line 113 to a compressed air supply.
  • FIG. 8 essentially shows the bearing device 100 known from FIG. 7.
  • the further bearing device 100 shown in FIG. 8 has two partial bearings 801, 802.
  • one or both of the partial bearings 801, 802 may contribute to the magnetic bearing of the shaft 102 as well as to the magnetic and air bearing of the shaft 102.
  • one or both partial bearings 801, 802 can optionally have tooth-like extensions 601, which are designed to generate an air cushion in the bearing gap 107 with nozzles or other suitable measures.
  • FIG. 9 shows a bearing device 100, wherein two rotor disks 105, 106 are connected to a shaft 102 which is rotatably mounted about an axis A and which each have a permanent magnet 109 as magnetic field-generating means.
  • the rotor is at least partially enclosed in the circumferential direction by a stator 101.
  • the stator 901 is enclosed by the rotor disks 902, 903.
  • the stator disc 901 is provided with air outlets on its tooth-like extensions 601, so that the rotor discs 902, 903 can be held in both axial directions with an air cushion formed between the tooth-like extensions.
  • FIG. 10 shows a part of an air bearing 110, which is connected at the end to a shaft 102.
  • the air bearing 110 is connected via a supply line 113 to a compressed air supply 1000.
  • the compressed air supply 1000 is fed by means of a pump 1001.
  • the compressed air supply 1000 is further connected to a buffer volume 1002.
  • the compressed air supply 1000 can be fed by means of the buffer volume 1002.
  • the buffer volume 1002 may further be dimensioned such that the compressed air supply 1000 can be fed by the buffer volume 1002 so long that, for example, the pump 1001 can be repaired, replaced or otherwise put back into operation within a supply time achievable in this way.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

Lagereinrichtung (100) zur berührungsfreien Lagerung eines Rotors gegen einen Stator (101). Die Lagereinrichtung (100) weist einen Rotor mit einer Welle (102) und zumindest einer Rotorscheibe (103) sowie einen Stator (101) mit zumindest zwei Statorscheiben (105, 106) auf, wobei der Stator (101) den Rotor unter gegenseitiger Beabstandung zumindest teilweise umgibt und die Rotorscheibe (103) unter Ausbildung eines Lagerspalts (107) in den Zwischenraum (104) zwischen den Rotorscheiben (105, 106) ragt. Die Lagereinrichtung (100) weist weiterhin ein Magnetlagerteil zu einer radialen Lagerung des Rotors und einen Luftlagerteil zu einer axialen Lagerung des Rotors auf.

Description

Beschreibung
Lagereinrichtung zur berührungsfreien Lagerung eines Rotors gegen einen Stator
Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung zur berührungsfreien Lagerung eines Rotors gegen einen Stator. Der Rotor weist zumindest eine um eine Achse drehbare Welle auf, wobei zumindest eine Rotorscheibe mit der Welle mechanisch verbun- den ist. Der Stator weist zumindest zwei in axialer Richtung unter Ausbildung eines Zwischenraums beabstandete Statorscheiben auf. Die zumindest eine Rotorscheibe ragt unter Ausbildung eines Lagerspalts in den Zwischenraum. Eine derartige Lagereinrichtung geht beispielsweise aus der DE 10 2005 028 209 Al hervor.
Lagereinrichtungen zur berührungsfreien Lagerung eines Rotors gegen einen Stator erlauben eine berührungs- und verschleißfreie Lagerung des Rotors, benötigen keine Schmiermittel und können reibungsarm oder nahezu reibungsfrei konstruiert werden. Derartige Lagereinrichtungen können beispielsweise Magnetlager sein. Magnetlagereinrichtungen können unter Verwendung von permanentmagnetischen Elementen, magnetfelderzeugenden Wicklungen oder auch als supraleitende Magnetlager kon- struiert sein.
Magnetlager können aktiv geregelt sein oder teilweise eigenstabil ausgelegt sein.
Aktive geregelte Magnetlager weisen eine Regelvorrichtung auf, mit welcher die magnetischen Lagerkräfte zu einer aktiven Stabilisierung des Rotors entsprechend geregelt werden. Eine aktive Regelung beinhaltet typischerweise eine aufwändige Regelungselektronik, und ist daher kostenintensiv. Um einen Absturz des Rotors bei Versagen der Regelungselektronik zu vermeiden, weisen aktive geregelte Magnetlager zusätzliche mechanische Fanglager auf. Ein zusätzliches mechanisches Fanglager stellt einen erhöhten Konstruktionsaufwand für das Magnetlagers dar und verursacht daher zusätzliche Kosten.
Teilweise eigenstabile Magnetlager können in Radialrichtung oder Axialrichtung zur Drehachse des Rotors eigenstabil sein. Ist ein solches Lager beispielsweise in radialer Richtung eigenstabil, so weist es zur axialen Stabilisierung des Rotors beispielsweise ein Ferrofluidlager oder ein Nadellager auf. Im Gegensatz zu dem berührungslos ausgelegten magneti- sehen Lagerteil verursacht der mechanische Lagerteil Reibungsverluste. Derartige teilweise eigenstabile Lagereinrichtungen gehen beispielsweise aus M. Siebert et. al . : A Passive Magnetic Bearing Flywheel. NASA/TM-2002-211159, 2001. hervor. Ein weiteres in radialer Richtung eigenstabiles Magnetlager, welches zusätzlich eine hohe Lagerkraft aufweist, geht beispielsweise aus der DE 10 2005 028 209 Al hervor.
Ein radial eigenstabiles Magnetlager, welches eine aktive Regelung zur axialen Stabilisierung aufweist, geht beispiels- weise aus der DE 10 2005 030 139 Al hervor.
Sowohl ein aktiv geregeltes Magnetlager, wie auch ein mechanisch stabilisiertes, teilweise eigenstabiles Magnetlager, setzen die eigentlichen Vorteile eines Magnetlagers nur teil- weise um.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine eigenstabile Lagereinrichtung zur berührungsfreien Lagerung eines Rotors gegen einen Stator anzugeben, die in Bezug auf die in dem Stand der Technik vorhandenen technischen Probleme verbessert ist. Insbesondere soll die Lagereinrichtung auf mechanische Lagerkomponenten sowie auf eine aktive elektronische Regelung eines Magnetlagerteils verzichten.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 oder Anspruch 4 angegebenen Maßnahmen gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, eine Lagereinrichtung, welche einen in radialer Richtung eigenstabilen Magnetlagerteil aufweist, zusätzlich mit einem Luftlager zu versehen, welches den magnetisch gegenüber dem Stator ge- lagerten Rotor in eine axiale Richtung stabilisiert. Die axiale Stabilisierung des Rotors mittels eines Luftlagers kann sowohl einseitig wie auch in beide axiale Richtungen erfolgen. Zu einer einseitigen Stabilisierung des Rotors wird der Magnetlagerteil der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung derart ausgelegt, dass der Rotor in eine axiale Vorzugsrichtung eine permanente magnetische Kraft erfährt. Auf diese Weise muss der Rotor lediglich entgegen dieser Vorzugsrichtung mittels einer Luftlagereinrichtung abgestützt werden.
Erfindungsgemäß soll die Lagereinrichtung zur berührungsfreien Lagerung eines Rotors gegen einen Stator nach Anspruch 1 die folgenden Merkmale aufweisen.
Die Lagereinrichtung zur berührungsfreien Lagerung eines Ro- tors gegen einen Stator umfasst einen Rotor, einen Stator, einen Magnetlagerteil und einen Luftlagerteil. Der Rotor weist zumindest eine um eine Achse drehbare Welle auf, mit der zumindest eine Rotorscheibe mechanisch verbunden ist. Der Stator weist zumindest zwei in axialer Richtung unter Ausbil- düng eines Zwischenraumes beabstandete Statorscheiben auf, wobei die zumindest eine Rotorscheibe unter Ausbildung eines Lagerspalts in den Zwischenraum ragt. Der Magnetlagerteil dient zu einer Lagerung des Rotors in eine radiale Richtung zu der Achse, der Luftlagerteil dient zu einer Lagerung des Rotors in eine axiale Richtung zu der Achse. Als Teil des
Magnetlagerteils weisen die zumindest eine Rotorscheibe und die Statorscheiben auf ihren einander zugewandten Seiten ringförmige, sich über einen Lagerspalt gegenüberstehende, zahnartige Fortsätze auf. Weiterhin enthält der Rotor oder der Stator magnetfelderzeugende Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Halteflusses, der zwischen der zumindest einen Rotorscheibe und den Statorscheiben im Wesentlichen in eine axiale Richtung gerichtet ist. Als Teil des Luftlagerteils weist der Stator zumindest eine Lagerfläche auf, deren Flächennormale im Wesentlichen in eine axiale Richtung orientiert ist. Weiterhin weist der Rotor zumindest einen Lagerkörper auf, welcher von der Lagerfläche unter Ausbildung ei- nes Luftlagerspaltes beabstandet ist. Der Lagerkörper ist gegenüber der Lagerfläche durch ein in dem Luftlagerspalt vorhandenes Luftpolster gelagert.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Lagereinrichtung nach Anspruch 4 die folgenden Merkmale aufweisen:
Die Lagereinrichtung zur berührungsfreien Lagerung eines Stators gegen einen Rotor umfasst einen Rotor, einen Stator, einen Magnetlagerteil und einen Luftlagerteil. Der Rotor weist zumindest eine um eine Achse drehbare Welle auf, wobei zumindest zwei in Richtung der Achse unter Ausbildung eines Zwischenraumes beabstandete Rotorscheiben mit der Welle mechanisch verbunden sind. Der Stator weist zumindest eine Statorscheibe auf, die unter Ausbildung eines Lagerspalts in den Zwischenraum ragt. Der Magnetlagerteil dient zu einer Lagerung des Rotors in eine radiale Richtung zu der Achse, der Luftlagerteil dient zu einer Lagerung des Rotors in eine axiale Richtung zu der Achse. Als Teil des Magnetlagerteils sind die zumindest zwei Rotorscheiben und die zumindest eine Sta- torscheibe auf ihren einander zugewandten Seiten mit ringförmigen, sich jeweils über einen Lagerspalt gegenüberstehenden zahnartigen Fortsätzen versehen. Weiterhin enthält der Rotor oder der Stator magnetfelderzeugende Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Halteflusses, der zwischen der zumindest einen Statorscheibe und den zumindest zwei Rotorscheiben im Wesentlichen in eine axiale Richtung gerichtet ist. Als Teil des Luftlagerteils weist der Stator zumindest eine Lagerfläche auf, deren Flächennormale im Wesentlichen in eine axiale Richtung orientiert ist. Der Rotor weist zumindest einen von der Lagerfläche unter Ausbildung eines Luftlagerspaltes be- abstandeten Lagerkörper auf, der gegenüber der Lagerfläche durch ein in dem Luftlagerspalt vorhandenes Luftpolster gelagert ist. Die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass die Lagereinrichtung eine vollständig berührungsfreie Lagerung eines Rotors gegen- über einem Stator ermöglicht. Die Lagereinrichtung ist einfach zu konstruieren, und erlaubt eine vollständig eigenstabile Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lagerein- richtung gehen aus den von Anspruch 1 und 4 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Ausführungsformen nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 4 mit den Merkmalen eines, insbesondere mit denen mehrerer Unteransprüche kombiniert werden.
Demgemäß kann die Lagereinrichtung noch die folgenden Merkmale aufweisen:
Die Lagereinrichtung kann n>2 Statorscheiben aufweisen, die in Richtung der Achse unter Ausbildung von Zwischen- räumen beabstandet sind, wobei in diese Zwischenräume jeweils unter Ausbildung von Lagerspalten n-1 Rotorscheiben ragen. Alternativ und gleichwertig kann die Lagereinrichtung n>2 Rotorscheiben aufweisen, die in Richtung der Achse unter Ausbildung von Zwischenräumen beabstandet sind, wobei in die derart gebildeten Zwischenräume n-1 Statorscheiben unter Ausbildung von Lagerspalten ragen. Durch eine Ausgestaltung der Lagereinrichtung mit einer Vielzahl von Stator- und Rotorscheiben kann die Lagerkraft der Lagereinrichtung erhöht wer- den.
Die Lagereinrichtung kann zwei oder mehr in Richtung der Achse untereinander beabstandete Statorscheibenpaare aufweisen, welche jeweils aus zwei Statorscheiben gebil- det sind. Zwischen den Statorscheiben, welche ein Statorscheibenpaar ausbilden, befindet sich jeweils ein Zwischenraum, in welchen jeweils eine Rotorscheibe unter Ausbildung eines Lagerspaltes hineinragt. Alternativ können zwei oder mehr in Richtung der Achse untereinander beabstandete Rotorscheibenpaare durch jeweils zwei Rotorscheiben gebildet sein. Die die Rotorscheibenpaare bildenden Rotorscheiben weisen jeweils einen Zwischen- räum zwischen einander auf in welchen jeweils eine Statorscheibe unter Ausbildung eines Lagerspaltes hineinragt. Durch einen Aufbau der Lagereinrichtung mit Statorscheibenpaaren bzw. Rotorscheibenpaaren kann ein mo- dularer und somit fertigungstechnisch flexibler Aufbau der Lagereinrichtung angegeben werden.
Die axiale Ausdehnung des Lagerspalts kann in einer Vorzugsrichtung geringer als in eine dazu entgegengesetzte Richtung sein. Der Luftlagerteil der Lagereinrichtung kann stirnseitig mit einem Endteil der Welle verbunden sein, welches ausgehend von dem Magnetlagerteil in Richtung der Vorzugsrichtung liegt. Durch eine asymmetrische Ausgestaltung des Lagerspalts des Magnetlagerteils der Lagereinrichtung erfährt der magnetisch gelagerte Rotor in Vorzugsrichtung eine permanente magnetische Kraft. Entsprechend muss der Rotor lediglich entgegen dieser Vorzugsrichtung mittels eines Luftlagerteiles abgestützt werden. Eine derartige einseitige Lagerung des Rotors mittels eines Luftlagers stellt eine konstruktiv einfa- che und kostengünstige Lösung dar.
Die Lagerfläche des Luftlagerteils kann von den Teilflächen der zahnartigen Fortsätze zumindest einer Statorscheibe gebildet sein, wobei lediglich diejenigen Teil- flächen der zahnartigen Fortsätze die Lagerfläche des Luftlagerteils bilden, deren Flächennormalen in eine axiale Richtung zeigen. Weiterhin werden lediglich diejenigen Teile der zahnartigen Fortsätze als Lagerfläche für den Luftlagerteil verwendet, die ausgehend von der zugehörigen Rotorscheibe in Richtung der Vorzugsrichtung liegen. Gemäß dem vorgenannten Ausführungsbeispiel wird die zur Luftlagerung verwendete Lagerfläche im Bereich der zahnartigen Fortsätze der Statorscheiben realisiert. Auf diese Weise kann eine platzsparende und kompakte Lagereinrichtung angegeben werden.
Der Luftlagerteil kann stirnseitig mit beiden Endteilen der Welle verbunden sein. Durch eine beidseitige Luftlagerung des Rotors kann ein vollständig eigenstabiles Lager angegeben werden.
- Die Lagerfläche des Luftlagerteils kann von denjenigen Teilflächen der zahnartigen Fortsätze zumindest zweier
Statorscheiben gebildet sein, deren Flächennormalen in entgegengesetzte axiale Richtungen zeigen. Gemäß der vorgenannten Ausführungsform kann ein in beide axiale Richtungen eigenstabiles Lager angegeben werden, welches weiterhin durch Integration der Luftlagerflächen in den Bereich der zahnartigen Fortsätze der Lagerscheiben besonders kompakt ausgestaltet werden kann.
- Der Stator kann magnetfelderzeugende Mittel in Form von Permanentmagneten oder der Wicklung eines Elektromagneten umfassen, der Rotor kann magnetfelderzeugende Mittel in Form von Permanentmagneten umfassen. Durch eine flexible Auslegung der magnetfelderzeugenden Mittel, wahlweise als Teil des Stators oder des Rotors, kann eine flexible Anpassung der magnetischen Flussführung an weitere konstruktive Randbedingungen der Lagereinrichtung erfolgen .
- Der Luftlagerteil kann nach der Art eines Folienluftla- gers ausgebildet sein. Vorteilhaft erlaubt ein Folien- luftlager eine berührungsfreie Lagerung bewegter Bauteile, ohne dass eine externe Druckluftversorgung benötigt wird.
- Der Stator kann mit einer Druckluftversorgung zur Erzeugung des Luftpolsters verbunden sein, wobei die Druckluftversorgung ein Puffervolumen zur zeitlich begrenzten Aufrechterhaltung des Luftpolsters umfasst. Mittels eines Puffervolumens als Teil der Druckluftversorgung kann die Lagereinrichtung gemäß der vorstehenden Ausführungsform gegen den Ausfall der Druckluftversorgung abgesichert werden. Auf diese Weise kann die Zuverlässig- keit der Lagereinrichtung erhöht werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie insbesondere aus der Zeichnung her- vor. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung schematisch dargestellt sind. Dabei zeigt deren
Figur 1 bis 6 Lagereinrichtungen, deren Rotor einseitig mittels eines Luftlagers abgestützt sein,
Figur 7 bis 9 Lagereinrichtungen, deren Rotor in beide axiale Richtungen mittels einer Luftlagereinrichtung abgestützt ist und Figur 10 die Druckluftversorgung einer Luftlagereinrichtung.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemein bekannter Stand der Technik.
Figur 1 zeigt eine Lagereinrichtung 100 zur berührungsfreien Lagerung eines Rotors gegen einen Stator 101. Der Rotor weist zumindest eine um eine Achse A drehbar gelagerte Welle 102 auf, mit welcher eine Rotorscheibe 103 mechanisch verbunden ist. Der Stator 101 weist zwei in Richtung der Achse A unter Ausbildung eines Zwischenraumes 104 beabstandete Statorscheiben 105, 106 auf. Die Statorscheiben 105, 106 sind an ihren radial äußeren Bereichen mit einem Jochkörper 115 verbunden. Der Stator 101 umgibt den Rotor zumindest teilweise. Insbesondere kann der Stator 101 mit den Statorscheiben 105, 106 ein im Querschnitt betrachtet, U-profilförmiges Bauteil ausbilden, welches die Rotorscheibe 103 in Umfangsrichtung voll- ständig umgibt. Die Rotorscheibe 103 ragt unter Ausbildung eines Lagerspaltes 107 in den Zwischenraum 104 zwischen den Statorscheiben 105, 106. Die Rotorscheibe 103, sowie die Statorscheiben 105, 106 weisen auf ihren einander zugewandten Seiten sich gegenüberstehende zahnartige Fortsätze 108 auf. Die zahnartigen Fortsätze 108 können jeweils als bezüglich der Achse A ringförmige Fortsätze ausgebildet sein. Der Stator 101 umfasst als magnetfelderzeugendes Mittel einen Permanentmagneten 109, welcher insbesondere als ringförmiger, den Rotor in Umfangsrichtung umschließender Teil des Stators 101 ausgebildet sein kann. Mittels des Permanentmagneten 109 ist ein magnetischer Fluss zu erzeugen, welcher im Bereich des Lagerspalts 107 zwischen den zahnartigen Fortsätzen der Statorscheiben 105, 106 und der Rotorscheibe 103 im Wesentlichen in eine axiale Richtung gerichtet ist. Der magnetische Fluss wird über den Jochkörper 115, der Teil des Stators 101 ist, geschlossen .
Die Lagereinrichtung 100 weist weiterhin ein mit einem End- teil der Welle 102 verbundenes Luftlager 110 auf. Das Luftlager 110 umfasst eine mit dem Stator 101 mechanisch verbundene Lagerfläche 111. Die Lagerfläche 111 ist derart orientiert, dass ihre Flächennormale im Wesentlichen parallel zu der Achse A orientiert ist. Die Lagerfläche 111 kann insbesondere mit Einströmdüsen versehen sein, Einströmkammern aufweisen, und/oder mit diversen Kanälen, Mikrokanälen oder auch Mikro- düsen versehen sein. Bei der Lagerfläche 111 kann es sich weiterhin um eine poröse, gesinterte Fläche handeln, durch welche die für das Luftlager 110 notwendige Druckluft in den Luftlagerspalt 112 strömen kann. Die Lagerfläche 111 ist Teil des statischen Teils des Luftlagers 110 und ist zur Druckluftversorgung über eine Versorgungsleitung 113 mit einer Druckluftversorgung verbunden. Das Luftlager 110 umfasst weiterhin einen Lagerkörper 114, der Teil des Rotors ist, oder mit diesem mechanisch verbunden ist. Zur Lagerung des Lagerkörpers 114 gegen die Lagerfläche 111 wird mittels Druckluft in dem Luftlagerspalt 112 ein Luftpolster erzeugt. Alternativ kann der Luftlagerteil nach der Art eines Folien- luftlagers (foil air bearing) ausgestaltet sein. Ein derartiges Folienluftlager erlaubt die berührungsfreie Lagerung einer bewegten Welle 102 durch ein sich selbst aufbauendes Luftpolster. Bei einem Folienluftlager wird durch die Rotation der Welle 102 im Luftlagerspalt 112 hydrodynamisch ein Luftpolster aufgebaut. Ein Folienluftlager verzichtet typischerweise auf zusätzliche mechanische Fanglager. Beim Anlaufen/Beschleunigen der Welle 102 arbeitet das Folienluftlager zunächst nach der Art eines Gleitlagers, solange bis sich hydrodynamisch ein entsprechend tragfähiges Luftpolster in dem Luftlagerspalt 112 aufgebaut hat.
Die Lagereinrichtung 100 gemäß Figur 1 ist derart ausgestal- tet, dass der Lagerspalt 107 von der Rotorscheibe 103 aus betrachtet in einer axialen Vorzugsrichtung B eine geringere Ausdehnung aufweist als entgegen der Vorzugsrichtung B. Folglich ist der Teil 107a des Lagerspaltes 107, welcher sich zwischen der Rotorscheibe 103 und der dem Luftlager 110 zuge- wandten Rotorscheibe 105 befindet, in axialer Richtung kleiner als derjenige Teil 107b des Lagerspaltes 107, welcher sich zwischen der Rotorscheibe 103 und der dem Luftlager 110 abgewandten Statorscheibe 106 befindet. Aufgrund der unterschiedlichen axialen Größen der Lagerspalte 107a, 107b er- fährt die Welle 102 dauerhaft eine magnetische Kraftwirkung in Richtung der Vorzugsrichtung B. Diese dauerhaft auf den Rotor wirkende Magnetkraft wird durch das am Endbereich der Welle 102 vorhandene Luftlager 110 abgestützt.
Figur 2 zeigt eine weitere Lagereinrichtung 100, deren Stator 101 zwei Statorscheibenpaare 201a, 201b, 202a, 202b aufweist. Die Lagereinrichtung 100 umfasst weiterhin zwei Rotorscheiben 203, 204, welche jeweils in den zwischen den Statorscheibenpaaren 201a, 201b bzw. 202a, 202b vorhandenen Zwischenraum 104 unter Ausbildung eines Lagerspalts 107 hineinragen. Die Statorscheibenpaare 201a, 201b, 202a, 202b, die Teile des Stators 101 sind, weisen jeweils magnetfelderzeugende Mittel in Form von Permanentmagneten 109 auf.
Die in Figur 2 gezeigte weitere Lagereinrichtung 100 weist ebenso wie die in Figur 1 gezeigte Lagereinrichtung 100 Lagerspalte 107a, 107b auf, welche in eine axiale Richtung eine unterschiedliche Größe aufweisen. Die Welle 102 erfährt infolgedessen in Richtung der Vorzugsrichtung B eine Kraftwir- kung, die durch das endseitig der Welle 102 angebrachte Luftlager 110 abgestützt wird.
Die Lagereinrichtung 100 kann, ohne dass dies in Figur 2 gezeigt ist, ebenfalls weitere Statorscheibenpaare 201a, 201b, 202a, 202b aufweisen, so dass die Lagereinrichtung 100 eine erhöhte Lagerkraft aufweist.
Figur 3 zeigt eine weitere Lagereinrichtung 100, welche analog zu der in Figur 1 dargestellten Lagereinrichtung 100 auf- gebaut sein kann. Lediglich die magnetfelderzeugenden Mittel in Form eines Permanentmagneten 109 sind als Teil der Rotorscheibe 103 ausgebildet.
Die magnetfelderzeugenden Mittel können, wenn sie ein Teil des Stators 101 sind durch Permanentmagnete und/oder durch die Wicklung eines Elektromagneten gebildet sein. Sind die magnetfelderzeugenden Mittel Teil des Rotors, so können sie ebenfalls durch Permanentmagnete und/oder durch die Wicklung eines Elektromagneten gebildet sein.
Figur 4 zeigt eine weitere Lagereinrichtung 100, welche über zwei magnetische Teillager 401, 402 verfügt. Jedes der magnetischen Teillager 401, 402 weist jeweils zwei mit der Welle 102 verbundene Rotorscheiben 403, 404 bzw. 405, 406 auf, die in einem Zwischenraum 104 zwischen den jeweiligen Statorscheiben 407 bis 412 ragen. Als magnetfelderzeugende Mittel weist jedes der Teillager 401, 402 jeweils einen Permanentmagneten 109 auf. Endseitig der Welle 102 befindet sich ein Luftlager 110, mit welchem die Welle 102 in die Vorzugsrichtung B abgestützt ist. Analog zu den Ausführungen bezüglich der Figuren 1 bis 3 sind die zwischen den Statorscheiben 407 bis 412 und den Rotorscheiben 403 bis 406 ausgebildeten La- gerspalte 107 von den Rotorscheiben 403 bis 406 in Richtung der Statorscheiben 407 bis 412 betrachtet, in Richtung der Vorzugsrichtung B kleiner als entgegen der Vorzugsrichtung B. Die auf die Welle 102 ausgeübte Kraft in Vorzugsrichtung B wird durch das an einem Ende der Welle 102 vorhandene Luftla- ger 110 abgestützt.
Figur 5 zeigt eine weitere Lagereinrichtung 100 mit einem Rotor, welcher um eine Achse A drehbar gelagert ist. Der Rotor umfasst eine Welle 102 mit der mechanisch Rotorscheiben 501 bis 503 verbunden sind. Der Stator 101 umfasst zwei Statorscheiben 504, 505, welche in den zwischen den Rotorscheiben 501 bis 503 jeweils vorhandenen Zwischenraum 104 ragen. Der Stator 101 umgibt den Rotor in Umfangsrichtung zumindest teilweise. In axialer Richtung sind die Statorscheiben 504, 505 von den Rotorscheiben 101 bis 103 eingeschlossen. Die zwischen den Rotorscheiben 501 bis 503 und den Statorscheiben 504, 505 ausgebildeten Lagerspalte 107 sind derart ausgebildet, dass der Lagerspalt ausgehend von einer Statorscheibe 504, 505 in eine Vorzugsrichtung B, eine geringere Größe auf- weist als entgegen der Vorzugsrichtung B. So ist der Lagerspalt 107a zwischen der Rotorscheibe 501 und der Statorscheibe 504 kleiner als der Lagerspalt 107b zwischen der Statorscheibe 504 und der Rotorscheibe 502. Die durch die unterschiedliche Größe der Lagerspalte 107a, 107b entstehende Kraftwirkung in Richtung der Vorzugsrichtung B wird von einem endseitig mit der Welle 102 verbundenen Luftlager 110 abgestützt .
Als magnetfelderzeugende Mittel weist die in Figur 5 gezeigte Lagereinrichtung 100 Permanentmagnete 109 auf, welche jeweils ein Teil der Rotorscheiben 501 bis 503 sind. Mittels der Permanentmagnete 109 wird ein magnetischer Haltefluss M erzeugt, welcher zwischen den zahnartigen Fortsätzen 108 der Rotor- Scheiben 501 bis 503 und der Statorscheiben 504, 505 im Wesentlichen in eine axiale Richtung gerichtet ist. Gemäß dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der magnetische Haltefluss M über Teile der Welle 102 geschlossen.
Figur 6 zeigt eine weitere Lagereinrichtung 100, welche bezüglich ihres magnetischen Teils mit der in Figur 2 gezeigten Lagereinrichtung vergleichbar ist. Die mit der Welle 102 verbundenen Rotorscheiben 103 ragen jeweils in Zwischenräume 104, die zwischen den Statorscheiben 105, 106 ausgebildet sind. Die zwischen den Rotorscheiben 103 und den Statorscheiben 105, 106 gebildeten Lagerspalte 107a, 107b weisen in axialer Richtung unterschiedliche Größen auf. Aufgrund der unterschiedlichen Größe der Lagerspalte 107a, 107b erfährt die Welle 102 eine Kraftwirkung in Richtung der Vorzugsrichtung B. Der Luftlagerteil der in Figur 6 gezeigten Lagereinrichtung 100 ist in die zahnartigen Fortsätze 601 einer Rotorscheibe integriert. Die zahnartigen Fortsätze 108 der Statorscheibe 105 weisen Düsen oder Auslässe auf, so dass sich in dem Lagerspalt 107a ein Luftpolster mit der Wirkung eines
Luftlagers aufbauen kann. Die speziell ausgeformten zahnartigen Fortsätze 601 der Statorscheibe 105 können dabei auf ihren Flächen, deren Flächennormalen im Wesentlichen parallel zu der Achse A verlaufen, in gleicher Weise wie die Lagerflä- che 111 ausgestaltet sein. So können die speziellen zahnartigen Fortsätze 601 mit Düsen, Kanälen, Ausnehmungen, Mikrodü- sen oder weiteren Maßnahmen versehen sein, um ein Luftpolster zur Luftlagerung in dem Lagerspalt 107a zu erzeugen. Die besonderen zahnartigen Fortsätze 601 können weiterhin aus einem porösen, luftdurchlässigen Sintermaterial gefertigt sein.
Die Lagereinrichtung 100 gemäß Figur 6 weist eine Lagerscheibe 105 auf, die derart ausgestaltet ist, dass ihre zahnartigen Fortsätze 601 zur Erzeugung eines Luftpolsters in dem La- gerspalt 107a dienen. Die Lagereinrichtung kann weiterhin derart ausgestaltet sein, dass weitere Lagerscheiben 105 entsprechend ausgestaltete zahnartige Fortsätze 601 aufweisen. Figur 7 zeigt eine weitere Lagereinrichtung 100. Eine mit der Welle 102 verbundene Rotorscheibe 103 ragt unter Ausbildung eines Lagerspaltes 107 in den Zwischenraum 104 zwischen den Statorscheiben 105, 106. Die Statorscheiben 105, 106 sind an ihren zahnartigen Fortsätzen 601 mit Luftauslässen, vergleichbar einem Luftlager, versehen. Auf diese Weise kann der Lagerspalt 107 zwischen der Rotorscheibe 103 und beiden Statorscheiben 105, 106 gleich groß gehalten werden. Die Welle 102 bzw. die mit der Welle 102 verbundene Rotorscheibe 103 kann durch diese beidseitige Luftlagerung in axialer Richtung stabil gehalten werden. Beide Statorscheiben 105, 106 sind zum Zweck der Luftlagerung durch eine Versorgungsleitung 113 mit einer Druckluftversorgung verbunden.
Figur 8 zeigt im Wesentlichen die aus Figur 7 bekannte Lagereinrichtung 100. Die weitere in Figur 8 gezeigte Lagereinrichtung 100 weist zwei Teillager 801, 802 auf. Wahlweise kann bzw. können eins oder auch beide Teillager 801, 802 sowohl zur magnetischen Lagerung der Welle 102, wie auch zur magnetischen und zur Luftlagerung der Welle 102 beitragen.
Entsprechend kann wahlweise eins oder beide Teillager 801, 802 zahnartigen Fortsätze 601 aufweisen, die zur Erzeugung eines Luftpolsters in dem Lagerspalt 107 mit Düsen oder wei- teren geeigneten Maßnahmen ausgestaltet sind.
Figur 9 zeigt eine Lagereinrichtung 100, wobei mit einer um eine Achse A drehbar gelagerten Welle 102 zwei Rotorscheiben 105, 106 verbunden sind, welche als magnetfelderzeugende Mit- tel jeweils einen Permanentmagneten 109 aufweisen. Der Rotor wird in Umfangsrichtung von einem Stator 101 zumindest teilweise umschlossen. In axiale Richtung wird die Statorscheibe 901 von den Rotorscheiben 902, 903 eingeschlossen. Die Statorscheibe 901 ist an ihren zahnartigen Fortsätzen 601 mit Luftauslässen versehen, so dass die Rotorscheiben 902, 903 in beide axiale Richtungen mit einem zwischen den zahnartigen Fortsätzen entstehenden Luftpolster gehalten werden können. Figur 10 zeigt einen Teil eines Luftlagers 110, welches end- seitig mit einer Welle 102 verbunden ist. Das Luftlager 110 ist über eine Versorgungsleitung 113 mit einer Druckluftversorgung 1000 verbunden. Die Druckluftversorgung 1000 wird mittels einer Pumpe 1001 gespeist. Die Druckluftversorgung
1000 ist weiterhin mit einem Puffervolumen 1002 verbunden. So kann bei Ausfall der Pumpe 1001 die Druckluftversorgung 1000 mittels des Puffervolumens 1002 gespeist werden kann. Das Puffervolumen 1002 kann weiterhin derart dimensioniert sein, dass die Druckluftversorgung 1000 mittels des Puffervolumens 1002 derart lang gespeist werden kann, dass binnen einer auf diese Weise erreichbaren Versorgungszeit beispielsweise die Pumpe 1001 repariert, ausgetauscht oder auf andere Weise wieder in Funktion gesetzt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Lagereinrichtung (100) zur berührungsfreien Lagerung eines Rotors gegen einen Stator (101), umfassend: a) einem Rotor mit einer um eine Achse (A) drehbaren Welle (102) und zumindest einer mit der Welle (102) mechanisch verbundenen Rotorscheibe (103), b) einem Stator (101) mit zumindest zwei in axialer Richtung unter Ausbildung eines Zwischenraumes (104) beabstandeten Statorscheiben (105, 106), wobei die zumindest eine Rotor¬ scheibe (103) unter Ausbildung eines Lagerspalts (107) in den Zwischenraum (104) ragt, c) einen Magnetlagerteil zu einer Lagerung des Rotors in eine radiale Richtung zu der Achse (A) sowie d) einen Luftlagerteil zu einer Lagerung des Rotors in eine axiale Richtung zu der Achse (A) wobei e) als Teil des Magnetlagerteils - die zumindest eine Rotorscheibe (103) und die Stator¬ scheiben (105) auf ihren einander zugewandten Seiten mit ringförmigen, sich jeweils über den Lagerspalt (107) gegenüberstehenden zahnartigen Fortsätzen (108) versehen sind und
- der Rotor oder der Stator (101) magnetfelderzeugende Mittel (109) enthält, zur Erzeugung eines zwischen der zumindest einen Rotorscheibe (103) und den Statorschei¬ ben (105, 106) im Wesentlichen in eine axiale Richtung gerichteten magnetischen Halteflusses (M) und f) als Teil des Luftlagerteils
- der Stator (101) zumindest eine Lagerfläche (111), deren Flächennormale im Wesentlichen in eine axiale Richtung orientiert ist, aufweist und
- der Rotor zumindest einen von der Lagerfläche (111) unter Ausbildung eines Luftlagerspaltes (112) beabstande- ten Lagerkörper (114) aufweist, der gegenüber der Lagerfläche (111) durch ein in dem Luftlagerspalt (112) vorhandenes Luftpolster gelagert ist.
2. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch n>2 Statorscheiben (201a, 201b, 202a, 202b), die in Richtung der Achse (A) unter Ausbildung von Zwischenräumen (104) beabstandet sind, und n-1 Rotorscheiben (203, 204), die unter Ausbildung von Lagerspalten (107) in die Zwischenräume (104) ragen.
3. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei oder mehr in Richtung der Achse (A) untereinander beabstandete Statorscheibenpaare, gebildet aus jeweils zwei Statorscheiben (201a, 201b, 202a, 202b), wobei die die Sta¬ torscheibenpaare bildenden Statorscheiben (201a, 201b, 202a, 202b) paarweise Zwischenräume (104) ausbilden, in welche zwei oder mehr Rotorscheiben (203, 204), jeweils unter Ausbildung eines Lagerspaltes (107), hineinragen.
4. Lagereinrichtung (100) zur berührungsfreien Lagerung eines Rotors gegen einen Stator (101), umfassend: a) einen Rotor mit einer um eine Achse (A) drehbaren Welle (102) und zumindest zwei in Richtung der Achse (A) unter Ausbildung eines Zwischenraumes (104) beabstandeten, mit der Welle (102) mechanisch verbundenen Rotorscheiben (902, 903) und b) einem Stator (101) mit zumindest einer Statorscheibe (901), wobei die zumindest eine Statorscheibe (901) unter Ausbildung eines Lagerspalts (107) in den Zwischenraum (104) ragt, c) einen Magnetlagerteil zu einer Lagerung des Rotors in eine radiale Richtung zu der Achse (A) und d) einen Luftlagerteil zu einer Lagerung des Rotors in eine axiale Richtung zu der Achse (A) wobei e) als Teil des Magnetlagerteils - die zumindest zwei Rotorscheiben (902, 903) und die zumindest eine Statorscheibe (901) auf ihren einander zugewandten Seiten mit ringförmigen, sich jeweils über den Lagerspalt gegenüberstehenden zahnartigen Fortsätzen (108) versehen sind und
- der Rotor oder der Stator (101) magnetfelderzeugende Mittel (109) enthält, zur Erzeugung eines im Wesentlichen in eine axiale Richtung gerichteten magnetischen Halteflusses (M) zwischen der zumindest einen Statorscheibe (901) und den zumindest zwei Rotorscheiben (902, 903) und f) als Teil des Luftlagerteils - der Stator (101) zumindest eine Lagerfläche (111) aufweist, deren Flächennormale im Wesentlichen in eine axiale Richtung orientiert ist und
- der Rotor zumindest einen von der Lagerfläche (111) un- ter Ausbildung eines Luftlagerspaltes (112) beabstande- ten Lagerkörper (114) aufweist, der gegenüber der Lagerfläche (111) durch ein in dem Luftlagerspalt (112) vorhandenes Luftpolster gelagert ist.
5. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch n>2 Rotorscheiben (501, 502, 503), die in Richtung der Achse (A) unter Ausbildung von Zwischenräumen (104) beabstandet sind und n-1 Statorscheiben (504, 505), die unter Ausbildung von Lagerspalten (107) in die Zwischenräume (104) ragen.
6. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zwei oder mehr in Richtung der Achse (A) untereinander beabstandete Rotorscheibenpaare, gebildet aus jeweils zwei Rotorscheiben (902, 903), wobei die die Rotorscheibenpaare bildenden Rotorscheiben (902, 903) paarweise Zwischenräume (104) ausbilden, in welche zwei oder mehr Statorscheiben (901) unter Ausbildung eines Lagerspaltes (107) hineinragen.
7. Lagereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- die axiale Ausdehnung des Lagerspalts (107) in einer Vorzugsrichtung (B) geringer als in die dazu entgegen gesetzte Richtung ist und
- der Luftlagerteil stirnseitig mit einem Endteil der Welle verbunden ist, welches ausgehend von dem Magnetlagerteil in der Vorzugsrichtung (B) liegt.
8. Lagereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- die axiale Ausdehnung des Lagerspalts (107) in einer Vorzugsrichtung (B) geringer als in eine zu dieser entgegengesetzten Richtung ist und - die Lagerfläche (111) des Luftlagerteils von denjenigen
Teilflächen der zahnartigen Fortsätze (601) zumindest einer Statorscheibe (105) gebildet sind, deren Flächennormale in axiale Richtung (A) zeigt, wobei
- diejenigen Teilflächen der Statorscheibe (105) als Lager- fläche (111) dienen, die ausgehend von der zu der Statorscheibe (105) gehörigen Rotorscheibe (103) in Richtung der Vorzugsrichtung (B) liegen.
9. Lagereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Luftlagerteil stirnseitig mit beiden Endteilen der Welle (102) verbunden ist.
10. Lagereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Lagerfläche (111) des Luftlagerteils von denjenigen Teilflächen der zahnartigen Fortsätze ( 611) zumindest zweier Statorscheiben (105, 106) gebildet ist, deren Flächennormalen in entgegengesetzt axiale Richtungen zeigen.
11. Lagereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (101) magnetfelderzeugende Mittel umfasst.
12. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Mittel durch Permanentmagnete (109) oder die Wicklung eines Elektromagneten ge- bildet sind.
13. Lagereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor magnetfelderzeugende Mittel umfasst.
14. Lagereinrichtung (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Mittel durch Permanentmagnete (109) gebildet sind.
15. Lagereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (101) mit einer Druckluftversorgung (1000) zur Erzeugung des Luftpolsters in dem Luftlagerspalt (112) verbunden ist, wobei die Druckluftversorgung (1000) mit einem Puffervolumen (1002) zur zeitlich begrenzten Aufrechterhaltung des Luftpolsters verbunden ist.
16. Lagereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Luftlager- teils nach der Art eines Folienluftlagers .
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