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WO2014113829A1 - Vorrichtung und verfahren zur magnetischen axiallagerung eines rotors - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur magnetischen axiallagerung eines rotors Download PDF

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Publication number
WO2014113829A1
WO2014113829A1 PCT/AT2014/050017 AT2014050017W WO2014113829A1 WO 2014113829 A1 WO2014113829 A1 WO 2014113829A1 AT 2014050017 W AT2014050017 W AT 2014050017W WO 2014113829 A1 WO2014113829 A1 WO 2014113829A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pole
bearing
coils
magnetic
rotor
Prior art date
Application number
PCT/AT2014/050017
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Schulz
Harald Sima
Thomas HINTERDORFER
Johann Wassermann
Manfred Neumann
Original Assignee
Technische Universität Wien
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 Technische Universität Wien filed Critical Technische Universität Wien
Priority to EP14706265.7A priority Critical patent/EP2948689A1/de
Priority to US14/762,688 priority patent/US20150362015A1/en
Publication of WO2014113829A1 publication Critical patent/WO2014113829A1/de

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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels
    • H02K7/025—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels for power storage
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    • F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0485—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of three degrees of freedom

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the magnetic axial bearing of a, connected to him Axialla ⁇ gerplatte having rotor in a Axialmagnetlager with at least two independently controllable bearing branches, each having at least one coil.
  • the speed limit conven tional ⁇ stock, for a given shaft diameter is substantially below that of magnetic bearings, which is limited only by the strength of the rotating parts.
  • the non- contact ⁇ unit allows the use of magnetic bearings even in vacuum applications.
  • a magnetic bearing with a plurality of coils ge shows, wherein the stator arranged on the stator cantilever can have more than one coil.
  • two coils are arranged in an annular core having an E-shaped profile, so that the middle part of the core is at the same time the inner pole of the outer coil and the outer pole of the inner coil.
  • a disadvantage of the sem and similar magnetic bearings is the non-monotonous force curve at non-uniform energization and the required diameter of the thrust bearing plates and thereby achieved due to the limited mechanical strength relatively low Ma ⁇ ximalwindiere.
  • the bearings shown in US Pat. No. 5,969,451 as well as bearings constructed in a fundamentally similar manner, a considerable outlay for assembly and disassembly is also to be expected.
  • WO 2012/135586 A2 describes an axial magnetic bearing, wherein the Reduction of eddy currents of both the stator and the rotor are composed of layers or lamellae of soft magnetic material.
  • a nikförmi ⁇ ge arrangement of several kidney-shaped joints is provided, in which coils are mounted.
  • a Redukti ⁇ on is achieved by eddy currents
  • the dimensions of the axial bearing plate remain essentially unchanged.
  • a further disadvantage of the coil arrangement shown here is that in the circumferential direction between the coils, a magnetic field which is inverted with respect to the interior of the coils is generated.
  • the rotating Axiallagerplat ⁇ te is thus a magnetic field with alternating signs out ⁇ sets, which induces eddy currents, and thus exerts a braking effect on the rotor.
  • the maximum speed is further reduced in comparison with embodiments of solid material due to the lower strength of the sentlich ⁇ we constructed laminated rotor.
  • DE 32 40 809 AI shows a device for supporting an annular rotor between two magnetic bearings, each with four bearing branches formed by U-shaped Statorringsegmente.
  • the CH 646 547 A5 discloses an X-ray tube with a Drehan ⁇ ode, wherein a connected to the rotary anode in rotor by 120 ° apart C-shaped magnet yokes corresponding electromagnets solenoid coils is supported magnetically.
  • a ma ⁇ gnetician flow separation of the bearing branches wherein the flow separation consists in that at least two of the bearing branches are arranged sequentially in the circumferential direction and have a single common pole, which has a circularly closed circumference, the Center is arranged on the axis of rotation of the rotor (ie, the common pole is arranged with the center concentric with the axis of rotation), wherein the coils surrounded with the common pole connected pole segments (not segments in the geometric sense are meant, but generally portions of the composite yoke) and the common pole either radially inside or radially outside ⁇ the pole segments is arranged, and / or in that the thrust bearing plate is divided into at least two coaxial, each one La ⁇ gerzweig associated plate members, which by non-ferromagnetic Mater ial are separated, the bearing parts associated with the plate parts are arranged coaxially partially in one another or overlapping.
  • the flow separation is achieved via an azimuthal separation of the bearing branches and
  • the single common pole is disposed in the azimuthal separation of La ⁇ gerzweige only on one side of the coil arrangement and not on both sides, the magnetic flux on ei ⁇ ner particularly small area is concentrated. This applies in particular in a radially arranged within the pole segments the Common ⁇ men Pol.
  • a thrust bearing plate can be used with small radial dimensions. This is advantageous in order to achieve a reduced mechanical load on the axial bearing plate compared with the prior art and thus a higher maximum rotational speed.
  • the magnetic bearing can be compact, without sacrificing the reliability and reliability guaranteed by several coils.
  • the coils are not in arranged one another, but further connected to only one common pole, so that along this common pole an azimuthal, ie in the circumferential direction, substantially homogeneous magnetic field is generated. This also minimizes core losses in the thrust bearing plate.
  • By surrounding the coils with pole segments connected to the common pole stray fluxes are reduced or avoided and the magnetic flux lines are concentrated in the common pole.
  • the pole segments thus form the coil cores, the coils in the best case are applied directly to the pole segments or are wound around these, so that the entire magnetic flux generated by the coils passes through the pole segments. Since the pole segments are connected to the common pole, most of the magnetic flux can be directed through the single common pole.
  • the flow separation according to the invention can be achieved by means of a division or separation of the thrust bearing plate in the case of bearing branches arranged coaxially, partly in one another or overlapping.
  • This stray flux and Wech ⁇ selvieren can choose between the bearing branches, especially between the separately controlled electromagnet on the axial bearing, which could lead to non-monotonic force curves at differing ⁇ chen current deliveries, reduced or avoided.
  • a (also) axial separation is particularly advantageous because the plate parts in this case, each directly with a shaft of the rotor verbun ⁇ can be.
  • the diameters of the plate parts may be smaller than in a purely radial separation.
  • the common pole has a single, continuous circular or (full) circular pole surface and describe the coils substantially with the Polflä ⁇ che concentric circular arcs.
  • the pole face is enes surface of the pole which faces an axial bearing plate and separated from the axial bearing plate only by a gap, preferably kon ⁇ stant width.
  • the coils are preferably so ⁇ be considered that the coils in the circumferential direction substantially unmit- following one another, ie essentially forming a continuous circle and covering approximately the entire angular range of 360 °.
  • the pole segments have substantially concentric, nikbogenför ⁇ shaped pole faces with the pole face of the common pole. As a result, an approximately homogeneous distribution of the flux lines emanating from the pole segments over the entire angular range can be achieved.
  • the azimuthal homogeneity of the magnetic field can be further improved and the dimensions of the axial magnetic bearing can be further reduced if the pole faces of the pole segments in the circumferential direction substantially directly adjoin one another.
  • the thus directly circumferentially consecutive pole faces allow a uniform distribution of the magnetic field and prevent between the pole segments gaps with less or even effectively reversed poled current induce eddy currents in the thrust plate and ultimately exert a braking effect.
  • the inside diameter of the outer bearing branch is greater for the partially intermeshing or overlapping arranged bearing Two ⁇ gen than the outer diameter of the associated inner bearing branch plate portion of the axial bearing plate.
  • the advantage of such an embodiment is the easy removability of the rotor of the axial magnetic bearing and the strongly simplified assembly and Demonta ⁇ ge of the entire arrangement.
  • a particularly low required Axiallagerplatten preparation can be achieved when the distance between an inner pole and pole segment (the “pole”) and an outer pole segment or pole (the “outer pole") of at least one bearing branch with increas ⁇ mendem distance from the axial bearing plate is greater , (That is, the poles or pole segments are, starting from the axial bearing plate at ⁇ least partially divergent.)
  • the formation of leakage flux on the one hand to counteract the other hand the properties for Availability checked ⁇ supply space for the coil (s) is increased.
  • An additional reduction of the required Axiallagerplatten- surface can be achieved by a decreasing in the direction of the thrust bearing plate distance between the inner and outer contour of at least one pole or pole segment, which both annular poles or pole rings as well as pole segments are meant reach.
  • the flux density in the region of the pole faces can be increased and thus better material utilization with regard to flux distribution can be achieved.
  • the resulting possible reduction flow ⁇ density leads to a reduction in core losses.
  • the pole segments below the coil in particular in a region between coil and pole face, have a projection in the circumferential direction , wherein the length of the projection corresponds approximately to the Ab ⁇ stand between the end faces of the pole segments, so that no or only a minimal gap between the Polflä ⁇ chen arises with regard to low flow gradients in the rotating thrust bearing plate, or in terms of the best possible separation of the flows of the magnetic branches the greatest possible distance makes sense, a compromise between the achieved flow separation and the avoidance of re-magnetization losses is selected.
  • symmetry is meant in this context a single or multiple mirror symmetry.
  • n-fold rotational symmetries ⁇ where n is any integer value greater than two can take (n> 2).
  • n is any integer value greater than two can take (n> 2).
  • the reliability of the magnetic bearing can be further increased if the Axialmagnetlager has an additional, substantially annular coil which interacts with a different part of the Axial ⁇ mounting plate than the circumferentially successive coils. It has turned out to be particularly favorable ⁇ when the annular coil has a full-surface In ⁇ nenpol, wherein the inner pole opposite part of the thrust bearing plate forms a full-surface disc, which is arranged at the end of the rotor. With this arrangement, the diameter of the thrust bearing plate part can be kept small for a given area or predetermined magnetic flux density.
  • the energy efficiency of the axial magnetic bearing is particularly advantageous ⁇ way, when the axial magnetic bearing comprises at least one permanent magnet, preferably at least a hybrid magnet with a permanent magnet and an electromagnet, comprising.
  • the axial magnetic bearing comprises at least one permanent magnet, preferably at least a hybrid magnet with a permanent magnet and an electromagnet, comprising.
  • the axial magnetic bearing may be sized to the Perma ⁇ nentmagnet that the expected applied by ⁇ -sectional bearing forces of the permanent magnet and the coils are only used for stabilization or for corrections.
  • At least one of the coils has a larger dimension in the axial direction than in the radial direction, the axial magnetic bearing can be compact, especially in the radial direction, and the overall length of the coil can be reduced to reduce electrical losses.
  • at least one of the coils can have a cross section which converges toward the axial bearing plate and / or a decreasing radius. This is particularly in connection with decreasing to a pole face or in the converging towards radius pole pieces advantageous because empty spaces and resulting in leakage fluxes can be reduced and the maximum rotor ⁇ number increases due to the potential lower plate diameter.
  • the Axial ⁇ magnetic bearing has at least two position sensors, which are each Weil ⁇ assigned different bearing branches.
  • the positi ⁇ onssensoren can be, for example eddy current sensors.
  • the coils can be controlled by decoupled control systems ⁇ and on failure of a coil, the coils can be reproduced verblei ⁇ take over the storage and stabilization of the rotor in particular.
  • the coils Preferably may thus - with the exception of the rotor - fully ⁇ constantly separately operating control circuits may be provided for driving the coils so that in case of failure of an element, for example a coil, a position sensor or a Re ⁇ gelungselektronik, only the respective control loop is affected and the bearing can be further stabilized by the remaining control loop.
  • FIG. 1 shows a device with an axial magnetic bearing with two semicircular coils in a sectional view transversely to a rotation axis;
  • Fig. 2 is a perspective view of the axial magnetic bearing ge ⁇ Frankfurtss Fig. 1;
  • Fig. 3 shows schematically a radial section of a coil of a Axialmagnetlagers of Figure 2 with a thrust bearing plate and egg ⁇ nem possible course of the magnetic field lines.
  • FIG. 4 shows a magnetically supported shaft with a Axialma ⁇ gnetlager according to Figures 1 to 3 at each end of the shaft in a sectional view taken along a rotation axis ..;
  • FIG. 5 shows a device with an axial magnetic bearing with two semicircular coils and with a central bearing branch in a sectional view transversely to a rotation axis;
  • Fig. 6 shows schematically a radial section of the central bearing arm according to FIG 5 with a possible course of the magneti ⁇ field lines.
  • FIG. 7 shows a magnetically supported shaft with a Axialma ⁇ gnetlager according to Figures 1 to 3 at one end of the shaft and a Axialmagnetlager shown in Figure 5 at the other end of the shaft in a sectional view along the axis of rotation ..;
  • FIG. 8 shows a variant of the magnetically supported shaft according to FIG. 7 without a permanent magnet
  • FIG. 9 shows a further variant of the magnetically supported shaft according to FIG. 7 with convergent semicircular coils
  • FIG. 10 shows a further variant of the magnetically supported shaft according to FIG. 7 with rounded bobbins and non-linearly converging pole rings;
  • Figure 11 is a schematic block diagram of a regulation ⁇ circuit for one of the devices according to Figure 7 to 10..;
  • FIG. 12 shows an axial magnetic bearing with three coils arranged in the shape of a circular ring segment in a sectional view transversely to the axis of rotation;
  • FIG. 13 shows an axial magnetic bearing according to FIG. 12 in a sectional view along the axis of rotation according to the line XIII-XIII in FIG
  • FIG. 14 is a perspective view of the axial magnetic bearing according to FIGS. 12 and 13; FIG.
  • Fig. 15 is a magnetically mounted shaft with a Axialma ⁇ gnetlager of FIG. 1 at one end of the shaft and a Axialmagnetlager shown in FIG. 12 at the other end of the shaft in a
  • FIG. 16 is a FESS external rotor having two axial magnetic bearings (FESS - Flywheel Energy Storage System - flywheel Energyspei ⁇ chersystem); and
  • 17 is a magnetically supported shaft with Axialmagnetla like at both ends of the shaft in a sectional view along the rotation axis;
  • Fig. 1 is a section through a device 1 for magnetic axial bearing of a rotor is shown.
  • the device 1 has an axial magnetic bearing 2 with two bearing branches 3, 4, each having a substantially semicircular coil 5. Since the coils 5 naturally have a closed course, arise depending coil 5, two semicircular sections 6, which are connected to the at ⁇ the ends via radially extending portions.
  • the two bearing branches 3, 4 are arranged successively in the circumferential direction and arranged opposite one another with respect to an axis of rotation 8 in the center of the Axialma ⁇ gnetlagers 2, wherein the Ab ⁇ sections 7 at the coil ends of the adjacent coils 5 of the bearing branches 3, 4 are substantially parallel to each other ,
  • the axial magnetic bearing 2 has only one common, closed pole in the form of a pole ring 9.
  • the single common pole ring 9 has a continuous annular
  • Sectional surface 10 and is substantially concentric with the coils 5, arranged radially inwardly of the bearing branches 3, 4, wherein the center of the cutting surface 10 is located on the axis of rotation 8.
  • the circumferentially successively arranged bearing branches 3, 4 surround the entire pole ring 9 and cover the entire angular range of 360 ° substantially completely. Since the two coils 5 are preferably constructed identically, the two La ⁇ gerzweige 3, 4 bearing branches of the axial magnetic bearing 2 in Wesentli ⁇ chen identical and cover each about half of the pole ring 9 from.
  • FIG. 2 a part of the device 1 is shown in FIG. 1, wherein for better visibility of the coil 5 among others ⁇ rem the jacket 12 is not shown.
  • the pole faces 17 of the pole segments 11 form a concentric to the pole face 16 of the pole ring 9 at the visible underside 15 of the Axialmagnetlagers Annular ring, which is interrupted only at the two abutting surfaces of the pole segments 11.
  • the pole segments 11 are spaced apart in the region of the coils 5, as in particular ⁇ special with reference to the sectional surface in Fig.
  • pole segments 11 close the pole faces 17 of the pole segments 11 in the circumferential direction directly to each other by the pole segments 11 below the Spu ⁇ len in the circumferential direction have protruding projections 18.
  • a distance 19 is provided, which is larger in the example shown than the distance 20 of the pole faces 16, 17 to a thrust bearing plate 21 (see FIG .. 3).
  • the pole segments 11 point a to the respective pole face 17 towards decreasing radius, ie they extend below the coil 5 radially inward, to the axis of rotation 8 back, or they are formed to the pole faces 17 towards tapered tapered.
  • the common pole ring 9 has a decreasing over the entire height radius or is tapering over the entire height tapered. Thus, it is ⁇ enough that the pole faces 16, 17 have a smaller radius and are smaller than the sectional areas of the pole ring 9 and the Polringsegmente 11 shown in Fig. 1 11 in the coil 5.
  • the pole face 16 of the pole ring 9 is radially slightly wider as the pole faces 17 of the two pole segments 11, so that the Polflä ⁇ che 16 of the pole ring 9 corresponds approximately to the sum of the pole faces 17 of the two pole segments 11.
  • Fig. 3 is a radial cross section of the axial magnetic bearing 2 according to the line III-III in Fig. 1 with a thrust bearing plate 21 is shown. It schematically shows a possible course of magnetic field lines 22 in order to illustrate the magnetic flux density.
  • the field lines 22 correspond to the equipotential lines of the magnetic flux.
  • the arrow size of the illustrated directional arrows 23 on the field lines 22 is approximately proportional to the local flux density.
  • a current flows in the radially inner, lying between the pole ring 9 and the pole segment or Polringsegment 11 coil portion 24 in the direction of the drawing plane and in the radially outer coil portion 25 in the direction of the drawing plane.
  • Both the pole ring 9 and the lowermost portion 26 of the pole segment 11 has a cross-section converging to the pole face 16 or 17, whereby the flux density in the region of the pole faces 16, 17 is increased in relation to the flux density in the region of the coil 5.
  • the radius of both pole bodies 9, 11 referred to collectively as the pole ring 9 and the pole segments 11 and generally all pole elements forming a magnetic core
  • the thrust bearing plate 21 may have a correspondingly small radius and cross section and it can be the acting at high speeds mechanical loads compared to larger thrust bearing plates can be reduced.
  • the thrust bearing plate 21 may have a correspondingly small radius and cross section and it can be the acting at high speeds mechanical loads compared to larger thrust bearing plates can be reduced.
  • FIG. 4 shows a device 27 with a magnetically supported shaft 28. For the sake of simplicity, only the
  • the shaft 28 is shown shortened with a schematic interruption 31 (similar also in Fig. 7, 8, etc.), to indicate that the length of the shaft 28 is not shown here proportionally.
  • the axial magnetic bearings 29, 30 correspond to those in FIG.
  • the Axialmagnetlager 29, 30 each interact with a disc-shaped thrust bearing plate 32, 33, wherein the thrust bearing plates 32, 33 in the region of one end arranged the shaft 28 and rotatably connected to the shaft 28, for example screwed, are.
  • the shaft 28 may also be made in one piece with the thrust bearing plates 32, 33, for example entirely made of soft magnetic iron or steel.
  • such a shaft could also have a constant diameter, so that instead of the offset thrust bearing plates 32, 33, the shaft would have only one axial bearing plate surface at each end or the shaft would correspond to a single, very thick axial bearing plate.
  • the diameter of the Axiallagerplatten 32, 33 is selected so that the radius of Axiallagerplatten 32, 33 is slightly larger than the outer radius of the pole face 17 of pole segments 11, so that the pole 17 of the pole segments ⁇ surfaces 11 of the Axiallagerplatten 32, 33 are completely covered.
  • distance sensors 34 Radial inside the annular axial magnetic bearings 29, 30, in addition to two axial bearing plates 32, 33, distance sensors 34, for example eddy-current sensors, are arranged.
  • the Ab ⁇ level sensors 34 are disposed away from the axis of rotation 35 and detect the own distance from the axial bearing 32, 33 and so ⁇ with the relative position of the axial bearing 32, 33 and the shaft 28 in the axial magnetic bearings 29, 30. Starting measured by the location the coils 5 of the axial magnetic bearings 29, 30 are driven so that the rotor (only partially shown) remains centered between the Axialma ⁇ gnetlagern 29, 30 or is.
  • the distance sensors shown in Fig. 4 may be 34 is inserted.
  • the axial distance of the rotor relative to the stator at both ends of the rotor is detected by means of the distance sensors 34, and the signals Zi and Z 2 are for example as follows for the He ⁇ averaging of the set position used:
  • the axial magnetic bearings 29, 30 are each mounted on a carrier unit 36 and surrounded by a jacket 12, which example ⁇ consists of aluminum or non-ferromagnetic stainless steel.
  • the carrier units 36 each have a circular recess 37, in which the respective thrust bearing plate 32, 33 is arranged substantially centered.
  • the coats 12 extend like a cover on the Axialmagnetlager 29, 30 and close with the carrier units 37.
  • the polar bodies 9, 11 are connected, for example screwed, to the sheaths 12, wherein three screws 13 per pole segment 11 (see FIG. 1) pass through the sheath 12 and the pole ring 9 and are anchored in the pole segments 11.
  • Horizontal portions 38 of the pole rings 9 are in each case flat on the inside of the coats 12.
  • the pole segments 11 are shaped so that the coils 5 can be easily plugged and fixed by means of the horizontal Ab ⁇ section 38 of the respective pole ring 9 on the pole segments 11.
  • Both coats 12 have a removable central part 39, which closes in the manner of a cover the respec ⁇ gene coat 12 from above or below the center.
  • the distance sensors 34 are arranged, which extend within the shell 12 to close to the respective axial bearing ⁇ plate 32., 33
  • the nominal distance between the distance sensors 34 and the thrust bearing plates 32, 33 corresponds approximately to the nominal distance between the pole faces 16, 17 and the thrust bearing plates 32, 33.
  • Fig. 5 a with the device 1 in FIG. 1, similar device 40 is shown, which comprises in addition to the two opposite bearing arms 3, 4 is a central storage branch 41 with an annular coil 42 (hereinafter referred to ring coil 42 ge ⁇ Nannt).
  • the illustrated section transverse to the axis of rotation 8 corresponds to the line VV in Fig. 7.
  • the toroid 42 of zentra ⁇ len bearing branch 41 (hereinafter also called central warehouse 41) ⁇ gives a cylindrical inner pole 43 and is in turn surrounded by an outer pole ring 44 (not to be confused with the single common pole ring 9 of the opposing coils 5).
  • a cylindrical inner contour of the annular coil 42 favors a simple production and minimizes any We ⁇ belstrom caused by rotation.
  • the magnetic circuit of the central bearing 41 formed by the annular coil 42, the inner pole 43 and the outer pole ring 44 is closed by its own plate part 46 of the axial bearing plate 32 (see FIG. Fig. 7).
  • the inner pole 43 is essentially solid and has a central recess 47 on a side facing the axial bearing plate 32, which serves to receive fastening elements 48 projecting from the plate part 46 for fixing the plate part 46 to a shaft 49.
  • the central bearing 41 is a hybrid bearing, which in addition to the use of the toroidal coil 42 fabric ⁇ th electromagnet a permanent magnet 51 (in the form of a perma ⁇ nentmagnetician portion 51) of the inner pole 43 and the permanent magnetic is superimposed on the electromagnetic flux.
  • the permanent magnetic section 51 or permanent magnet 51 generates a parallel to the axis of rotation 35 aligned magnetic ⁇ field, which can be amplified or attenuated by the electromagnet.
  • the permanent magnet 51 is preferably so ⁇ been considered that its magnetic field carries the weight of the rotor at a nomi ⁇ dimensional air gap alone.
  • F G m ⁇ lg rotor.
  • the design of the annular coil 42 is such that at maximum current density in the toroidal coil 42, both the increase and the reduction of the static force F G corresponding to a fraction of the total control force F ges , which of the number n of independently controllable thrust bearing branches 3, 4, 41 depends (F ges / n) is possible.
  • the entire control force F ges all storage classes 3, 4, 41 is vorzugswei ⁇ se at least large enough in case of failure of a bearing arm 3, 4, to enable 41 to the other bearing branches 3, 4, 41 is a storage and stabilization of the structure.
  • the total control force F ges may correspond to three times the gravitational force acting on the rotor, ie ( ⁇ 3g).
  • Ring coil 42 of the hybrid bearing 41 to the pole face 52 out.
  • the inner pole ring 43 of the coil 42 generally may be shaped to a truncated cone-shaped axial bearing plate 32 and the plate portion 46. zulau ⁇ fend, but a cylindrical shape is preferred due to the ease of manufacturing.
  • the outer pole ring 44 of the hybrid bearing 41 can taper radially towards the axial bearing plate 32.
  • the compact construction described for the hybrid bearing 41 can also be used without a permanent magnet 51, ie for a purely electromagnetic bearing branch (compare FIG. 8).
  • a device 53 is shown with a magnetically mounted shaft 49, and here - as in Fig. 4 - for the sake of simplicity, only the Axialmagnetlager 30, 54, but no radial bearings are shown and shortens the shaft 49, with a schematic Interrupt 55 is shown.
  • the shaft 49 has a tapered section, onto which the lower axial bearing plate 33 is plugged and with the end face 57 of which a sensor plate 58 is connected. Between the thrust bearing plate 33 and the sensor plate 58, a spacer ring 59 is disposed of non-magnetic material.
  • the shaft 49 at least in the region of the axial magnetic bearings 30, 54 made of non-magnetic material.
  • the distance sensors 34 are here not arranged opposite to the axial bearing plate 33, but opposite to the sensor plate 58 provided for this purpose.
  • the structure of the axial magnetic bearing 30 is otherwise identical ⁇ table, which is why - to avoid repetition - reference is made in this regard to the above statements.
  • the upper end of the shaft 49 is mounted in a device 40 according to FIG. 5, the view in FIG. 5 corresponding to a sectional view along the line VV in FIG. 7.
  • the device 40 shown here is at the upper end an axially separate thrust bearing plate 32 angeord ⁇ net, which has two axially separated by a spacer ring 60 of Vietnamese-ma ⁇ gneticianm material plate portions 46, 61 to a decoupling of the magnetic fluxes or a flux separation of the magnetic branches 3, 4, 41 and a greater distance between the stator, ie in this case between the outer bearing branches 3, 4 and the inner, central bearing arm 41 to achieve.
  • the central bearing branch 41 coaxially partially within or overlapping the two outer La ⁇ gerzweigen 3, 4 is arranged.
  • the larger of the two plate parts 61 which is closer to the center of the shaft 49, is magnetically supported by the outer circumferentially successive bearing branches 3, 4 with opposite coils 5.
  • the smaller diameter plate member 46 is disposed at the upper end of the shaft 49 and supported on a hybrid bearing of FIG. 5 and FIG. 6 forming the inner and central bearing arms 41, respectively.
  • the hybrid bearing 41 consists of an outer pole ring 44, which encloses a toroid 42 of converging cross section.
  • a solid cylindrical inner pole 43 is angeord ⁇ net, which is divided in the direction of the rotation axis 35 in two soft magnetic portions 62 and the permanent magnetic portion 51 therebetween.
  • the inner pole 43 is on one of the Axialla ⁇ gerplatte 32 opposite side of the toroidal coil 42 with the outer pole ring 44 in contact.
  • the pole bodies 43, 44 are separated up to the plate part 46 by the toroid 42, ie one side of the toroid 42 substantially terminates with the pole faces 52, 63.
  • a cavity 64 or spacing 45 (cf., Fig. 5) is provided in order to avoid stray fluxes and transverse effects between the bearing branches 3, 4, 41.
  • the distance 45 between the outer pole ring 44 of the central hybrid bearing 41 and the inner, common pole ring 9 of the outer bearing branches 3, 4 is greater than the distance between the two pole bodies 9 and 11 and 43 and 44 of each bearing branch 3, 4, 41st.
  • the distance between the bearing branches 3, 4, 41 or the radial cross section of the cavity 64 increases the plate members 46, 61 out because several bearing elements have a to the plate members 46, 61 towards decreasing radius.
  • the Axialmagnetlager 54 also has a flow separation between the outer bearing branches 3, 4 and the inner bearing arm 41, wherein the inner bearing arm 41 is a separate from the other plate members 61 plate member 46 of the thrust bearing plate 32 assigned.
  • the sheath arrangement 65, 66 of the device 40 is in a radially outer sheath 65 for carrying and optionally for shielding tion of the bearing segment 67 formed by the outer bearing branches 3, 4 and a radially inner casing 66 for supporting and, where appropriate, ⁇ divided for screening the hybrid bearing 41st
  • the nere in ⁇ jacket 66 is thereby disposed in a central opening 68 of the outer sleeve 65 and projects beyond it accordingly.
  • the height of the device 40 ie the extension in the direction of the axis of rotation 35, is greatest in the area of the hybrid bearing 41, since on the one hand the plate member 46 mounted on the hybrid bearing 41 is axially offset from the plate bearing 61 mounted on the segment bearing 67 on the shaft 49 and On the other hand, the hybrid bearing 41 in the direction of the axis of rotation 35 in the example shown is higher than the segment bearing 67.
  • the common pole ring 9 of the segment bearing 67 is connected to the inner shell 66, the inner pole 43 of the hybrid bearing 41 with the inside of the outer shell 66th connected, in particular screwed.
  • links 70 approximately at half the radius of the inner pole 43 is provided. These additional links 70 serve to transfer the load of the rotor, which is always worn due to the oriented permanent ⁇ gnets 51 to a large part of the hybrid bearing 41, as directly as possible on the mantle 66 to the mechanical loading of the pole body 43, 44 low to hold.
  • FIG. 8 a similar device is shown as 71 in Fig. 7, with the difference that here a central branch bearing or Zen ⁇ trallager 72 is inserted without a permanent magnet 51.
  • the bearing forces must therefore always be exercised by the electromagnetic bearing branches 3, 4, 72.
  • the central bearing 72 is preferably active with small forces required.
  • the device 53 described above thus results in a lower efficiency of the central warehouse 72, but it allows lower manufacturing costs, since the supporting inner pole 73 of the central bearing 72 has no permanent magne ⁇ table section.
  • the rest of the structure is identical to the device 53 described above, so reference is made here to avoid repetition of the above statements. .
  • the device 74 shown in Figure 9 has in relation to the operation is also very similar to that described in conjunction ⁇ hang with Figure 7 device 53.
  • the outer bearing branches 3, 4 of the axial magnetic bearing 75, 76 geometrically structured differently here.
  • only the common pole ring 9, wel ⁇ cher forms the radially inner, common pole is unchanged.
  • the radially inner portions 77 of the successive coils 78 are over the entire height of the pole ring 9, up to the Axi ⁇ allagerplatte 33 and the plate member 61 on the radial outer side of the respective pole ring 9 and the end surfaces 79 of the coils 78 on the side the thrust bearing plate 33 and the plate ⁇ part 61 close with the pole face 16 of the pole ring 9 from.
  • ⁇ additionally to the cross-section of the coils 78 to the respectively associated axial bearing plate 33 and to plate portion 61 converges where ⁇ is lower in the dimension in the radial direction than the dimension in the axial direction.
  • pole ring segments 80 Arranged inside the coils 78 are pole ring segments 80 which have a decreasing radius and a converging cross section, the cross section of the pole ring segments 80 being approximately equal to that of the radially inner coil section 77.
  • the lower axial magnetic bearing 76 is constructed symmetrically with respect to the outer bearing branches 3, 4 of the upper axial magnetic bearing 75 and un ⁇ differs from that described in connection with FIG. 7 lower axial magnetic bearing 30 further characterized in that the sensor plate 82 is in contact with the axial bearing plate 33rd In this case, no spacer ring is provided between the sensor plate 82 and the thrust bearing plate 33.
  • FIG. 8 A further variant of a device 83 with a shaft 49 magnetically mounted on axial magnetic bearings 84, 85 according to the invention is shown in FIG.
  • the elements and the basic structure of the axial magnetic bearings 84, 85 substantially correspond the device 27 or 53 described in connection with Fig. 4 and Fig. 7, which is why at this point only the differences and otherwise referred to the above statements.
  • the plate parts 86, 87 mounted on the outer bearing branches 3, 4 each have a rounded outer edge 88 on a side facing the shaft 49.
  • Fig. 11 contains a schematic block diagram 98 for illus ⁇ tration of a control circuit or a control method for controlling one or more axial magnetic bearing for stabilization of a rotor, for example, in a device 53, 71, 74, 83 according to any one of Figures 7 to 10.
  • the block diagram 98 for illus ⁇ tration of a control circuit or a control method for controlling one or more axial magnetic bearing for stabilization of a rotor, for example, in a device 53, 71, 74, 83 according to any one of Figures 7 to 10.
  • control unit 99 shows three independently operating and energized control units 99, 100, 101, wherein the first control unit 99 provides a single regulated output current I i during the two other control units 100, 101 each provide two independently controlled output currents I Za , I Lb.
  • the control units 100, 101 with two output currents are preferably designed to control two opposing bearing branches 3, 4.
  • the Re ⁇ gelillon 99, 100, 101 control the output currents Ii, I 2a, I 2b, I 3, I 3b in response to a signal Si, S 2, S 3 are each a Po ⁇ sitionssensors 104 and a predetermined setpoint Si SO n , S2, S oii / S 3 , soii of the respective signal Si, S 2 , S 3 , for example, the distance between the position sensor 104 and a sensor plate and the predetermined, desired distance.
  • other sensors for detecting the actual state for example current sensors or temperature sensors, may also be connected to the control units 99, 100, 101 together with the respectively applicable nominal values.
  • the position sensors 104 are preferably arranged and evaluated in a differential sensor arrangement, as already explained in greater detail in connection with FIGS. 4 and 7.
  • the sensor signals Si, S 2, S 3 can be transferred to analog-to-digital converter, after filtering and Si ⁇ gnalanpassung (for example anti-aliasing filter, level and offset adjustment).
  • the corresponding signal processing can for example be integrated directly in a micro-controller, which can also integrate some of the following units.
  • the control unit 99 (the same applies analogously to the other control units 100, 101, which is expressed by the index i, which according to consider ⁇ ter control unit the value 1, 2 or 3 assumes) determines a Po ⁇ sitionsabweichung e ⁇ and supplies this a position controller 102, 103 on.
  • the position deviations e ⁇ in the threshold value switches 105 are evaluated in the other two control units 100, 101.
  • the two threshold value switches 105 are connected to the position controllers 103 of the respective control unit 100, 101 and are set up in such a way that they disable or enable Governor 103; ie, if a threshold value preconfigured in a threshold switch 105 is not exceeded, the respectively assigned position regulator 103 operate as if the position deviation e were ⁇ zero, ie
  • the position controller 102 or 103 determines, from the positional deviation e ⁇ obtained, a required force F lf SO n in order to move the rotor back into a desired position if necessary. From this force F lf SOll and the measured position S ⁇ , a conversion unit 106 determines the corresponding desired currents I lai SoU , I i b , so ii for the coils of the axial magnetic bearing. For this use the conver ⁇ -drying unit 106, a map I i (F lf shall S ⁇ ) of the coil or the bearing branches which indicates the current function of the gewünsch ⁇ th action of force and the position of the rotor.
  • the map I ⁇ (F lf gene, S ⁇ ) can be determined, for example, in advance empirically or calculated from the coil characteristics and pole forms.
  • the thus determined desired currents I la , so II, I i b , so ii are transmitted to independent current control units 107, which are each associated with an output current I 1 or I 2a , I 2b and I 3a , I 3b .
  • the current regulation units 107 have a difference unit 108, a current regulator 109, a limiter 110, a pulse width modulator 111, an H-bridge power converter 112, and a current sensor 113.
  • the current sensor 113 in particular a Hall effect sensor, Hall effect sensor according to the Flußkompensations- principle or a magneto-resistive sensor measures, for example, in the case of the control unit 104 an output current I 2a of the current control ⁇ units 107, so that the difference unit 108 a Stromabwei ⁇ deviation ei, 2a between the output current I 2a and target current I 2a, So ii ermit ⁇ stuffs can.
  • the determined current deviation e I, 2a uses the
  • the pulse width modulator 111 generates a switching signal in a manner known per se, which controls the output current of the power converter 112.
  • the control unit 99 with a single output current I 1 for a single coil operates in Essentially identical, wherein the conversion unit 106 determines only a desired current I liSOll and the control unit 99 demzufol ⁇ ge only has a current control unit 107.
  • the control units 99, 100, 101 are each part of a Axialla ⁇ gerzweig control system, in which case ideally each control system has an independent power supply and own sensors, in particular its own position sensor 104.
  • the bearing branches controlled by the independent control systems are preferably balanced in such a way that each bearing branch can apply the same maximum or minimum bearing force. In normal operation, for example, only one of the control unit 99 associated hybrid bearing be in use, with small disturbing forces without the üb ⁇ rigen bearing branches, in particular without any segment bearings, can be ⁇ out.
  • a monitoring of certain operating conditions for example with regard to exceeding a predefined maximum deflection and / or deflection speed, for example in the form of the threshold switch 105 may be set and be provided upon occurrence of such operating condition, an automatic activation of the respective bearing branch.
  • Figures 12 to 14 show an advantageous three-segment hybrid bearing 114.
  • the three coils 115 of the hybrid bearing 114 which each form an independent La ⁇ gerzweig, each other with respect the rotation axis 116 arranged opposite one another or in the circumferential direction one behind the other and surround a common pole body 117.
  • the arranged between the coil 115 portion of the pole body 117 is cylindrical and thus has a circularly closed perimeter, wherein the
  • Longitudinal axis of the cylinder is arranged substantially on the axis of rotation 116 of the rotor.
  • the common center lies on the axis of rotation 116. Consequently follow the turns of the Coils 115 a circular arc-shaped course, which is closed via radial connecting portions 119 at the end faces of the pole ring segments 118 (see Fig .. 12).
  • Fig. 13 (corresponding to the line XIII-XIII in Fig. 12) it can be seen that both the coils 115 and the Polringsegmente 118 for example, have a one to one axial bearing plate 120 toward, for example, kon ⁇ vergierenden cross section.
  • the inner surface of each coil 115 is preferably arranged adjacent to the outer surface of the Polringsegments 118 so that the Polringsegment 118 and the radially outer coil portion 121 have a plate for Axiallager ⁇ decreasing towards 120 radius.
  • the radius of the axial bearing plate 120 is slightly larger than the outer radius of the pole ⁇ surface 122 of Polringsegments 118 and is thus smaller than the radius of Polringsegments 118 in the region of the coil 115.
  • the pole ⁇ ring segment 118 has a permanent magnet 123, whereby the hybrid bearings 114 generates a magnetic field in the non-energized state of the coils 115.
  • An equipotential line 124 schematically ⁇ shows the course of the magnetic circuit which is closed via the axial bearing plate 120th In contrast to previous illustrations, the arrow sizes are not proportional to the magnetic flux density.
  • the line XII-XII in Fig. 13 indicates the axial position of the cross section shown in Fig. 12.
  • the diagrammatic representation of the three-segment hybrid bearing 114 in FIG. 14 shows the reason for the circumferential distance 125 between the coils 115 shown in FIG. 12: owing to the converging coil cross-section, the coils 115 do not fill the entire distance below their top side 126 arranged parallel to the axis end surfaces 127 of the Polringsegmente 118, since this distance depends on the maximum coil cross-section at the top 126.
  • 118 have the Polringsegmente below the coil 115, that is, ei ⁇ nem region between coil 115 and pole face 122 in the circumferential direction, a projection 128 on ,
  • the length of the projection 128 ent ⁇ speaks approximately the distance between the end surfaces 127 of the pole ring segments 118, so that with respect to low flow gradients in the rotating thrust bearing plate no or only a minimal gap between the pole faces 122 is formed, or in terms of the best possible separation of the flows of the magnetic branches as large a distance makes sense, with a compromise between the achieved flow separation and avoidance of magnetization losses is selected.
  • FIG. 15 shows a device 131 with a magnetically supported shaft 132 with two axial magnetic bearings 30, 114.
  • the lower axial magnetic bearing 30 corresponds to an arrangement already described in connection with FIG. 4, for which reason reference is made to earlier descriptions in this regard.
  • the upper axial magnetic bearing 114 is a three-segment hybrid bearing 114 according to FIGS. 12 to 14, which is connected to a jacket 130, wherein the jacket 130 is mounted on a carrier unit 133.
  • the hybrid bearing 114 is adapted to carry the static load and to regulate accelerations of the rotor, the maximum negative force acting on the rotor by the bearing resulting in complete compensation of the permanent magnetic flux, thus in the best case correspondingly -lg effective Acceleration on the rotor.
  • the lower axial magnetic bearing 30 is also activated. If the means of the axial bearing to be compensated from ⁇ solutbetrag the acceleration is less than the gravitational force acting on the rotor can be dispensed with the lower axial magnetic bearing 30th
  • FIG. 16 shows a device 134 with a magnetically supported external rotor construction 135.
  • the flywheel rotor 136 is mounted in a manner known per se on a plurality of radial magnetic bearings 137 and enclosed in a sheath 138.
  • an annular thrust bearing plate 140 is arranged, which each Weil ⁇ with a built in principle similar to the bearing 29 of FIG. 4
  • Axialmagnetlager 141 in magnetic interaction stands.
  • the two Axialmagnetlager 141 are the same.
  • Each Axialmagnetlager 141 has two with respect to the rotation axis 139 opposite or circumferentially successively arranged bearing branches 142, 143, each with a coil 144 and only a single common pole 145, which pole 145 is arranged radially on the outside of the bearing branches 142, 143. Accordingly, there is no magnetic material between the bearing branches 142, 143, so that a flow separation of the bearing branches 142, 143 is achieved.
  • the common terminal 145 is annular having an L-shaped cross section, one side wall 146 in ⁇ We sentlichen parallel to the rotation axis 139 and a base 147 is arranged perpendicular to the axis of rotation 139th
  • the side wall 146 has a cross-section converging towards the thrust bearing plate 140, wherein the outside 148 is substantially cylindrical.
  • the coils 144 are disposed on the radially inner side of the side wall 146 and penetrated by pole segments 149.
  • the pole ⁇ segments or Polringsegmente 149 extend from the base ⁇ surface 147 of the common pole 145 parallel to the axis of rotation 139 through the coil 144 through to the opposite side, where they extend radially outwardly, and finally at about 45 ° to the axial bearing plate 140 branch off to form a nikringseg- ment-shaped pole face 150, which is arranged concentrically within ⁇ and in a plane with a pole face 151 of the common pole 145.
  • a portion 152 of the pole ring segments 149 is permanently magnetic or has a permanent magnet and thus generates a constant magnetic field even without current.
  • the thrust bearing plate 140 may have a small radial extent and surface perpendicular to the axis of rotation 139, which is in particular smaller than the side surfaces of the coils 144 perpendicular to the axis of rotation 139.
  • the coils 144 in this Example have an approximately square cross-section, which allows easy production.
  • the low surface of the axial bearing plate 140 allows a total of particularly small dimen ⁇ solutions, in particular a comparatively large réelle penmes ⁇ ser, and thereby enables the one hand bility a slight Assemblier- and on the other hand, a large outer diameter of the inner mandrel 153, whereby its rigidity is increased and thus higher rotor speeds below the first natural frequency of the spine possible be lent.
  • a device 154 is shown, whose basic structure has some similarity with the device 53 shown in Fig. 7, which is why similar parts are designated by like reference numerals in the following.
  • the thrust bearing plate 32 at the upper end of the shaft 49 has two axially separate plate ⁇ parts 46, 61, which are mounted in a Axialmagnetlager 155. Between the plate members 46, 61, a spacer ring 60 is disposed of non-magnetic material whose diameter is slightly smaller than that of the smaller of the adjacent plate members 46.
  • the side surfaces of both plate members 46, 61 are cylindrical and parallel to the axis of rotation 35.
  • the Axialmagnet ⁇ camp 155 has two bearing branches 156, 157, which are arranged coaxially partially in one another or overlapping each other.
  • the inner bearing branch 156 is formed by a hybrid bearing 41 and the outer bearing branch 157 by an annular bearing, hereinafter referred to as ring bearing 158. Accordingly, the upper, smaller plate portion 46 of the axial bearing plate is associated with the Hy ⁇ bridlager 41 32nd
  • the hybrid bearing 41 consists of an outer pole ring 44, which encloses an annular coil 42 with a rectangular cross-section.
  • a solid zy ⁇ lindrischer inner pole 43 is arranged, which is divided in the direction of the axis of rotation 35 in two soft magnetic portions 62 and in between, a permanent magnet 51st
  • the pole 43 stands on ei ⁇ ner the plate member 46 opposite side of the annular coil 42 to the outer cylindrical pole ring 44 in contact.
  • the pole bodies 43, 44 are separated up to the plate part 46 by the toroid 42, ie a side of the toroid 42 facing the axial bearing plate 32 substantially closes with the pole faces 52, 63 of the hybrid bearing 41.
  • the larger of the two plate parts 61 is on the ring bearing 158, which has a single, concentric annular coil 159, ge ⁇ outsourced.
  • the annular coil 159 surrounds an inner pole ring 160 and is in turn surrounded by an outer pole ring 161, wherein the two pole rings 160, 161 are connected to each other in an operative state of the annular bearing 158. Due to the concentric, completely annular structure of the ring bearing 158, the magnetic field generated for the storage of the associated plate part 61 has a continuous azimuthal homogeneous flux density and consequently an approximately eddy current-free position ⁇ tion can be achieved.
  • the profiles of the pole rings and the pole pieces 160, 161 have in this example, no inclined relative to the axis, but exclu ⁇ Lich parallel or perpendicular lines, ie are given generally rectangular cross-sectional shapes. This does not change the basic functionality of the bearing shown and the advantage of such pole pieces 160, 161 lies above all in the simple and inexpensive production.
  • the axial magnetic bearing 155 also has a flow separation between the bearing branches 156, 157, which is characterized by the complete separation of the bearings 41, 158 and at the same time subdivision of the axial bearing plate 32 into the plate parts 46, 61. as well as magnetic separation of the plate parts 46, 61 he ⁇ aims.
  • the inner diameter of the outer bearing arm 157 and of the ring bearing 158 is particularly clear 17 larger than the outer diameter of the inner bearing branch 156 associated with the plate member 46, so that a simple be dismantled ⁇ bility of the device is achieved 154th
  • the invention relates to the kom ⁇ compact pole shapes, even if only a single coil is used.
  • poled forms of axial magnetic bearings are thereby meant in a very general sense, which have a cross-section which converges linearly or non-linearly in the direction of a thrust bearing plate and / or a radial pole distance which decreases from a spool to a thrust bearing plate.

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Abstract

Vorrichtung (40) zur magnetischen Axiallagerung eines, eine mit ihm verbundene Axiallagerplatte (32) aufweisenden Rotors in einem Axialmagnetlager (54) mit zumindest zwei unabhängig ansteuerbaren Lagerzweigen (3, 4, 41), welche jeweils zumindest eine Spule (5, 42) aufweisen, wobei eine magnetische Flusstrennung der Lagerzweige (3, 4, 41) vorgesehen ist, welche Flusstrennung darin besteht, dass zumindest zwei der Lagerzweige (3, 4) in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind und einen einzigen gemeinsamen Pol (9) aufweisen, welcher einen kreisförmig geschlossenen Umfang aufweist, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse (35) des Rotors angeordnet ist, wobei die Spulen (5) mit dem gemeinsamen Pol (9) verbundene Polsegmente (11) umgeben und der gemeinsame Pol (9) entweder radial innenseitig oder radial außenseitig der Polsegmente (11) angeordnet ist, und/oder darin, dass die Axiallagerplatte (32) in zumindest zwei koaxiale, jeweils unterschiedlichen Lagerzweigen (3, 4 bzw. 41) zugeordnete Plattenteile (46, 61) geteilt ist, welche durch einen nicht-magnetischen Werkstoff, beispielsweise in Form eines Distanzrings (60), getrennt sind, wobei die den Plattenteilen (46, 61) zugeordneten Lagerzweige (3, 4 bzw. 41) koaxial teilweise ineinander bzw. überlappend angeordnet sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur magnetischen Axiallaqerunq eines
Rotors
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur magnetischen Axiallagerung eines, eine mit ihm verbundene Axialla¬ gerplatte aufweisenden Rotors in einem Axialmagnetlager mit zumindest zwei unabhängig ansteuerbaren Lagerzweigen, welche jeweils zumindest eine Spule aufweisen.
Die berührungsfreie Lagerung von Rotoren mittels Magnetlagern weist gegenüber konventionellen Wälzkörper- oder Gleitlagern mehrere Vorteile auf. Aufgrund der Berührungsfreiheit sind die im Betrieb auftretenden Verluste selbst bei Drehzahlen über
100.000 U/min vergleichsweise gering. Die Drehzahlgrenze konven¬ tioneller Lager, bei einem gegebenen Wellendurchmesser, liegt wesentlich unterhalb der von Magnetlagern, die nur durch die Festigkeit der rotierenden Teile limitiert ist. Die Berührungsfrei¬ heit ermöglicht den Einsatz von Magnetlagern auch bei Vakuumanwendungen .
Stand der Technik
In der US 5 969 451 A ist ein Magnetlager mit mehreren Spulen ge zeigt, wobei die am Stator angeordneten Statorausleger mehr als eine Spule aufweisen können. Beispielsweise sind zwei Spulen in einem ringförmigen Kern mit E-förmigem Profil angeordnet, so das der mittlere Teil des Kerns zugleich der Innenpol der äußeren Spule und der Außenpol der inneren Spule ist. Nachteilig bei die sem und ähnlichen Magnetlagern ist der nicht monotone Kraftverlauf bei ungleichförmiger Bestromung sowie der erforderliche Durchmesser der Axiallagerplatten und die dadurch aufgrund der begrenzten mechanischen Festigkeit erzielte relativ niedrige Ma¬ ximaldrehzahl. Bei den in der US 5 969 451 A gezeigten, sowie grundsätzlich ähnlich aufgebauten Lagern ist außerdem mit einem erheblichen Montageaufwand beim Ein- und Ausbau zu rechnen.
Die WO 2012/135586 A2 beschreibt ein Axialmagnetlager, wobei zur Reduktion von Wirbelströmen sowohl der Stator als auch der Rotor aus Schichten bzw. Lamellen von weichmagnetischem Material zusammengesetzt sind. Auf einer Seite des Stators ist eine kreisförmi¬ ge Anordnung mehrerer nierenförmiger Fugen vorgesehen, in denen Spulen angebracht sind. Auch wenn mit diesem Aufbau eine Redukti¬ on von Wirbelströmen erzielt wird, bleiben die Abmessungen der Axiallagerplatte im Wesentlichen unverändert. Ein weiterer Nachteil der hier gezeigten Spulenanordnung ist, dass in Umfangsrich- tung zwischen den Spulen ein gegenüber dem Inneren der Spulen umgekehrtes Magnetfeld erzeugt wird. Die rotierende Axiallagerplat¬ te ist somit einem Magnetfeld mit wechselndem Vorzeichen ausge¬ setzt, was Wirbelströme induziert, und somit eine Bremswirkung auf den Rotor ausübt. Die Maximaldrehzahl ist aufgrund der we¬ sentlich geringeren Festigkeit des geblecht aufgebauten Rotors gegenüber Ausführungen aus Vollmaterial weiter reduziert.
Die DE 32 40 809 AI zeigt ein Vorrichtung zur Lagerung eines ringförmigen Rotors zwischen zwei Magnetlagern mit jeweils vier durch u-förmige Statorringsegmente gebildeten Lagerzweigen.
Die CH 646 547 A5 beschreibt eine Röntgenröhre mit einer Drehan¬ ode, wobei ein mit der Drehanode verbundener Läufer in drei um 120° versetzten C-förmigen Magnetjochen entsprechender Elektroma- gnete magnetisch gelagert ist.
In der JPS 57-73 223 A ist ein Magnetlager mit in Umfangsrichtung segmentierten Lagerzweigen gezeigt, wobei die beiden Pole der Lagerzweige durch geschlossene Ringscheiben zusammengeschlossen sind .
Zusammenfassung der Erfindung
Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist es Aufgabe der Erfindung, bei zumindest vergleichbarer Zuverlässig¬ keit und Sicherheit eine höhere Maximaldrehzahl zu erzielen, was insbesondere für Schwungrad-Energiespeicher (Flywheel Energy Sto- rage System, FESS) von Vorteil wäre. Außerdem soll eine hohe Energieeffizienz und eine einfach Montage bzw. Demontage der Vorrichtung mit höchster Maßhaltigkeit und Stabilität erreicht wer- den .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine ma¬ gnetische Flusstrennung der Lagerzweige vorgesehen ist, wobei die Flusstrennung darin besteht, dass zumindest zwei der Lagerzweige in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind und einen einzigen gemeinsamen Pol aufweisen, welcher einen kreisförmig geschlossenen Umfang aufweist, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse des Rotors angeordnet ist (d.h. der gemeinsame Pol ist mit dem Mittelpunkt konzentrisch zur Drehachse angeordnet) , wobei die Spulen mit dem gemeinsamen Pol verbundene Polsegmente umgeben (wobei nicht Segmente im geometrischen Sinn gemeint sind, sondern generell Abschnitte bzw. Teile des zusammengesetzten Jochs) und der gemeinsame Pol entweder radial innenseitig oder radial außen¬ seitig der Polsegmente angeordnet ist, und/oder darin, dass die Axiallagerplatte in zumindest zwei koaxiale, jeweils einem La¬ gerzweig zugeordnete Plattenteile geteilt ist, welche durch nicht-ferromagnetisches Material getrennt sind, wobei die den Plattenteilen zugeordneten Lagerzweige koaxial teilweise ineinander bzw. überlappend angeordnet sind. Vereinfacht gesagt wird die Flusstrennung über eine azimutale Trennung der Lagerzweige und/oder eine radiale bzw. axiale Trennung der Axiallagerplatte erzielt .
Da der einzige gemeinsame Pol bei der azimutalen Trennung der La¬ gerzweige nur auf einer Seite der Spulenanordnung und nicht auf beiden Seiten angeordnet ist, wird der magnetische Fluss auf ei¬ ner besonders kleinen Fläche konzentriert. Dies gilt insbesondere bei einem radial innerhalb der Polsegmente angeordneten gemeinsa¬ men Pol. Sowohl bei einer radial innenseitigen als auch bei einer radial außenseitigen Anordnung des gemeinsamen Pols kann eine Axiallagerplatte mit geringen radialen Abmessungen eingesetzt werden. Dies ist vorteilhaft, um eine gegenüber dem Stand der Technik verringerte mechanische Belastung der Axiallagerplatte und somit eine höhere Maximaldrehzahl zu erzielen. Aufgrund der Anordnung gemäß einer Unterteilung in Umfangsrichtung anstelle einer radialen Unterteilung kann das Magnetlager kompakt sein, ohne auf die durch mehrere Spulen erzielte Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit zu verzichten. Dabei sind die Spulen nicht in- einander angeordnet, aber weiterhin mit nur einem gemeinsamen Pol verbunden, so dass entlang dieses gemeinsamen Pols ein azimutal, d.h. in Umfangsrichtung, weitgehend homogenes Magnetfeld erzeugt wird. Dadurch werden außerdem Ummagnetisierungsverluste in der Axiallagerplatte minimiert. Indem die Spulen mit dem gemeinsamen Pol verbundene Polsegmente umgeben, werden Streuflüsse reduziert bzw. vermieden und die magnetischen Flusslinien im gemeinsamen Pol konzentriert. Die Polsegmente bilden somit die Spulenkerne, wobei die Spulen im besten Fall direkt an den Polsegmenten anliegen bzw. um diese gewickelt sind, so dass der gesamte von den Spulen erzeugte magnetische Fluss durch die Polsegmente verläuft. Da die Polsegmente mit dem gemeinsamen Pol verbunden sind, kann der größte Teil des magnetischen Flusses durch den einzigen gemeinsamen Pol gelenkt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Flusstrennung bei koaxial teilweise ineinander bzw. überlappend angeordne¬ ten Lagerzweigen mithilfe einer Teilung bzw. Trennung der Axiallagerplatte erzielt werden. Dadurch können Streuflüsse und Wech¬ selwirkungen zwischen den Lagerzweigen, insbesondere zwischen den getrennt angesteuerten Elektromagneten, über die Axiallagerplatte, welche zu nicht monotonen Kraftverläufen bei unterschiedli¬ chen Bestromungen führen könnten, reduziert oder vermieden werden. Das vereinfacht die Regelung der Spulenansteuerungen und trägt zur Energieeffizienz des Magnetlagers bei. Hierbei ist eine (auch) axiale Trennung besonders vorteilhaft, da die Plattenteile in diesem Fall jeweils direkt mit einer Welle des Rotors verbun¬ den sein können. Außerdem können die Durchmesser der Plattenteile kleiner sein als bei einer rein radialen Trennung.
Um eine besonders vorteilhafte azimutale Homogenität des Magnet¬ felds zu erzielen, ist es günstig, wenn der gemeinsame Pol eine einzige, durchgehende kreisförmige oder (voll) kreisringförmige Polfläche aufweist und die Spulen im Wesentlichen mit der Polflä¬ che konzentrische Kreisbögen beschreiben. Die Polfläche ist dabei ene Fläche des Pols, welche einer Axiallagerplatte zugewandt und von der Axiallagerplatte nur durch einen Spalt, vorzugsweise kon¬ stanter Breite, getrennt ist. Bevorzugt sind die Spulen so ausge¬ legt, dass die Spulen in Umfangsrichtung im Wesentlichen unmit- telbar aufeinander folgen, d.h. im Wesentlichen einen durchgehenden Kreis bilden und annähernd den gesamten Winkelbereich von 360° abdecken.
Außerdem ist es günstig, wenn die Polsegmente im Wesentlichen mit der Polfläche des gemeinsamen Pols konzentrische, kreisbogenför¬ mige Polflächen aufweisen. Dadurch kann eine annähernd homogene Verteilung der von den Polsegmenten ausgehenden Flusslinien über den gesamten Winkelbereich erzielt werden.
Die azimutale Homogenität des Magnetfelds kann weiter verbessert und die Abmessungen des Axialmagnetlagers können weiter verringert werden, wenn die Polflächen der Polsegmente in Umfangsrich- tung im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließen. Die somit in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinander folgenden Polflächen ermöglichen eine Gleichverteilung des magnetischen Felds und verhindern, dass zwischen den Polsegmenten Lücken mit geringerem oder gar effektiv umgekehrt gepoltem Strom Wirbelströme in der Axiallagerplatte induzieren und letztlich eine Bremswirkung ausüben .
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn bei den teilweise ineinander bzw. überlappend angeordneten Lagerzwei¬ gen der Innendurchmesser des äußeren Lagerzweigs größer ist als der Außendurchmesser des dem inneren Lagerzweig zugeordneten Plattenteils der Axiallagerplatte. Der Vorteil einer derartigen Ausführung ist die einfache Entnehmbarkeit des Rotors aus dem Axialmagnetlager bzw. die stark vereinfachte Montage und Demonta¬ ge der gesamten Anordnung.
Eine besonders geringe erforderliche Axiallagerplattenfläche lässt sich erzielen, wenn der Abstand zwischen einem inneren Pol bzw. Polsegment (dem „Innenpol") und einem äußeren Polsegment bzw. Pol (dem „Außenpol") zumindest eines Lagerzweigs mit zuneh¬ mendem Abstand zur Axiallagerplatte größer wird. (D.h. die Pole bzw. Polsegmente sind ausgehend von der Axiallagerplatte zumin¬ dest teilweise divergent.) Dadurch wird einerseits der Bildung von Streuflüssen entgegengewirkt und andererseits der zur Verfü¬ gung stehende Bauraum für die Spule (n) vergrößert. Eine zusätzliche Reduktion der erforderlichen Axiallagerplatten- fläche lässt sich durch einen in Richtung der Axiallagerplatte hin abnehmenden Abstand zwischen Innen- und Außenkontur zumindest eines Pols oder Polsegments, womit sowohl ringförmige Pole bzw. Polringe wie auch Polsegmente gemeint sind, erreichen. Dadurch kann die Flussdichte im Bereich der Polflächen erhöht und somit eine bessere Materialausnutzung hinsichtlich Flussverteilung erzielt werden. Die daraus resultierende mögliche Reduktion Fluss¬ dichte führt zu einer Reduktion der Ummagnetisierungsverluste .
Um auch bei einem Abstand zwischen den Polsegmenten ein in Um- fangsrichtung möglichst homogenes Magnetfeld zu erzeugen und Feldgradienten in Umfangsrichtung zu vermeiden, ist es günstig, wenn die Polsegmente unterhalb der Spule, insbesondere in einem Bereich zwischen Spule und Polfläche, in Umfangsrichtung einen Vorsprung aufweisen, wobei die Länge des Vorsprungs etwa dem Ab¬ stand zwischen den Endflächen der Polsegmente entspricht, so dass hinsichtlich geringer Flussgradienten in der rotierenden Axiallagerplatte keine oder nur eine minimale Lücke zwischen den Polflä¬ chen entsteht, bzw. hinsichtlich bestmöglicher Trennung der Flüsse der Magnetzweige ein möglichst großer Abstand sinnvoll ist, wobei ein Kompromiss zwischen der erzielten Flusstrennung und der Vermeidung von Ummagnetisierungsverlusten gewählt wird.
Die Vorteile der bisher beschriebenen Ausbildungen lassen sich besonders effektiv nutzen, wenn die Fläche der Axiallagerplatte in einer Ebene senkrecht zur Drehachse kleiner ist als die Summe der Flächen der Spulen und Pole und Polsegmente in einer Ebene senkrecht zur Drehachse. Aufgrund der verhältnismäßig kleinen Axiallagerplatte können gegenüber größeren Axiallagerplatten des gleichen Materials höhere Maximaldrehzahlen verwendet werden, da die mechanische Belastung der kleineren Axiallagerplatte bei gleichem Werkstoff (d.h. gleicher Dichte und Festigkeit) und gleicher Drehzahl geringer ist.
Um ein Kräftegleichgewicht bezüglich der Drehachse selbst bei un¬ gleichmäßiger Bestromung der unabhängigen Spulenzweige zu erzielen und etwaige senkrecht zur Drehachse ausgerichtete Drehmomente zu vermeiden ist eine gerade Anzahl von symmetrisch zur Drehach- se angeordneten, bezüglich der Drehachse gegenüberliegenden Anordnung von jeweils gemeinsam angesteuerten Spulen vorteilhaft. Mit Symmetrie ist in diesem Zusammenhang eine einfache oder mehrfache Spiegelsymmetrie gemeint. Es sind aber auch n-zählige Dreh¬ symmetrien gemeint, wobei n einen beliebigen ganzzahligen Wert größer zwei annehmen kann (n>2) . Hierbei können im allgemeinen ein oder zwei Spulen einer Spule gegenüberliegen, so dass bei Ausfall einer Spule entweder eine Spule deaktiviert werden kann oder zwei Spulen mit geringerem Strom gespeist werden können.
In Zusammenhang mit der Unterteilung der Axiallagerplatte kann die Zuverlässigkeit des Magnetlagers weiter erhöht werden, wenn das Axialmagnetlager eine zusätzliche, im Wesentlichen kreisringförmige Spule aufweist, welche mit einem anderen Teil der Axial¬ lagerplatte als die in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Spulen wechselwirkt. Es hat sich dabei als besonders günstig heraus¬ gestellt, wenn die kreisringförmige Spule einen vollflächigen In¬ nenpol aufweist, wobei der dem Innenpol gegenüberliegende Teil der Axiallagerplatte eine vollflächige Scheibe bildet, welche am Ende des Rotors angeordnet ist. Bei dieser Anordnung kann bei vorgegebener Fläche bzw. vorgegebener magnetischer Flussdichte der Durchmesser des Axiallagerplattenteils gering gehalten werden .
Die Energieeffizienz des Axialmagnetlagers ist besonders vorteil¬ haft, wenn das Axialmagnetlager zumindest einen Permanentmagnet, bevorzugt zumindest einen Hybridmagnet mit einem Permanentmagnet und einem Elektromagnet, aufweist. Insbesondere kann der Perma¬ nentmagnet so dimensioniert sein, dass die erwarteten durch¬ schnittlichen Lagerkräfte von dem Permanentmagnet aufgebracht und die Spulen lediglich zur Stabilisierung bzw. für Korrekturen eingesetzt werden.
Wenn zumindest eine der Spulen in Axialrichtung eine größere Abmessung aufweist als in Radialrichtung, kann das Axialmagnetlager besonders in radialer Richtung kompakt sein und die Gesamtlänge der Spule kann zur Reduktion von elektrische Verlusten verkleinert werden. Um eine besonders gute Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums zu erreichen, kann zumindest eine der Spulen einen zur Axiallagerplatte hin konvergierenden Querschnitt und/oder abnehmenden Radius aufweist. Dies ist insbesondere in Verbindung mit zu einer Polfläche hin konvergierenden bzw. im Radius abnehmenden Polschuhen vorteilhaft, da somit Freiräume und darin entstehende Streuflüsse reduziert werden können und die maximale Rotordreh¬ zahl aufgrund des möglichen geringeren Plattendurchmessers steigt .
Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Axialmagnetlagers und zur Sicherstellung der Lagerfunktionalität trotz eines etwaigen Ausfalls eines Lagerzweigs kann vorgesehen sein, dass das Axial¬ magnetlager zumindest zwei Positionssensoren aufweist, welche je¬ weils unterschiedlichen Lagerzweigen zugeordnet sind. Die Positi¬ onssensoren können beispielsweise Wirbelstromsensoren sein.
Die Spulen können insbesondere durch entkoppelte Regelsysteme an¬ gesteuert werden und bei Ausfall einer Spule können die verblei¬ benden Spulen die Lagerung und Stabilisierung des Rotors übernehmen. Bevorzugt können somit - mit Ausnahme des Rotors - voll¬ ständig getrennt arbeitende Regelungskreise zur Ansteuerung der Spulen vorgesehen sein, so dass bei Ausfällen eines Elements, beispielsweise einer Spule, eines Positionssensors oder einer Re¬ gelungselektronik, nur der jeweiligen Regelkreis betroffen ist und das Lager von dem verbleibenden Regelkreis weiterhin stabilisiert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläu¬ tert. In der Zeichnung zeigen dabei im Einzelnen: Fig. 1 ein Vorrichtung mit einem Axialmagnetlager mit zwei halbkreisförmigen Spulen in einer Schnittansicht quer zu einer Drehachse;
Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht des Axialmagnetlagers ge¬ mäß Fig. 1 ;
Fig. 3 schematisch einen radialen Schnitt einer Spule eines Axialmagnetlagers gemäß Fig. 2 mit einer Axiallagerplatte und ei¬ nem möglichen Verlauf der magnetischen Feldlinien;
Fig. 4 eine magnetisch gelagerte Welle mit einem Axialma¬ gnetlager gemäß Fig. 1 bis 3 an jedem Ende der Welle in einer Schnittansicht entlang einer Drehachse;
Fig. 5 eine Vorrichtung mit einem Axialmagnetlager mit zwei halbkreisförmigen Spulen und mit einem zentralen Lagerzweig in einer Schnittansicht quer zu einer Drehachse;
Fig. 6 schematisch einen radialen Schnitt des zentralen Lagerzweigs gemäß Fig. 5 mit einem möglichen Verlauf der magneti¬ schen Feldlinien;
Fig. 7 eine magnetisch gelagerte Welle mit einem Axialma¬ gnetlager gemäß Fig. 1 bis 3 an einem Ende der Welle und einem Axialmagnetlager gemäß Fig. 5 am anderen Ende der Welle in einer Schnittansicht entlang der Drehachse;
Fig. 8 eine Variante der magnetisch gelagerten Welle gemäß Fig. 7 ohne einen Permanentmagnet;
Fig. 9 eine weitere Variante der magnetisch gelagerten Welle gemäß Fig. 7 mit konvergierenden halbkreisförmigen Spulen;
Fig. 10 noch eine weitere Variante der magnetisch gelagerten Welle gemäß Fig. 7 mit abgerundeten Spulenkörpern und nichtlinear konvergierenden Polringen;
Fig. 11 ein schematisches Blockschaltbild einer Regelungs¬ schaltung für eine der Vorrichtungen gemäß Fig. 7 bis 10;
Fig. 12 ein Axialmagnetlager mit drei kreisringsegmentförmig angeordneten Spulen in einer Schnittansicht quer zur Drehachse;
Fig. 13 ein Axialmagnetlager gemäß Fig. 12 in einer Schnittansicht entlang der Drehachse gemäß der Linie XIII-XIII in
Fig. 12;
Fig. 14 eine schaubildliche Ansicht des Axialmagnetlagers gemäß Fig. 12 und 13;
Fig. 15 eine magnetisch gelagerte Welle mit einem Axialma¬ gnetlager gemäß Fig. 1 an einem Ende der Welle und einem Axialmagnetlager gemäß Fig. 12 am anderen Ende der Welle in einer
Schnittansicht entlang der Drehachse;
Fig. 16 einen FESS-Außenläufer mit zwei Axialmagnetlagern (FESS - Flywheel Energy Storage System - Schwungrad-Energiespei¬ chersystem) ; und
Fig. 17 eine magnetisch gelagerte Welle mit Axialmagnetla- gern an beiden Enden der Welle in einer Schnittansicht entlang der Drehachse;
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Vorrichtung 1 zur magnetischen Axiallagerung eines Rotors gezeigt. Die Vorrichtung 1 weist ein Axialmagnetlager 2 mit zwei Lagerzweigen 3, 4 mit jeweils einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Spule 5 auf. Da die Spulen 5 naturgemäß einen geschlossenen Verlauf aufweisen, ergeben sich je Spule 5 zwei halbkreisförmige Abschnitte 6, welche an den bei¬ den Enden über radial verlaufende Abschnitte 7 verbunden sind. Die beiden Lagerzweige 3, 4 sind in Umfangsrichtung aufeinander folgend und bezüglich einer Drehachse 8 im Zentrum des Axialma¬ gnetlagers 2 einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Ab¬ schnitte 7 an den Spulenenden der benachbarten Spulen 5 der Lagerzweige 3, 4 im Wesentlichen zueinander parallel sind. Zwischen den Lagerzweigen 3, 4 bzw. an einer radialen Innenseite der Lagerzweige 3, 4 weist das Axialmagnetlager 2 nur einen gemeinsamen, geschlossenen Pol in Form eines Polrings 9 auf. Der einzige gemeinsame Polring 9 hat eine durchgehende kreisringförmige
Schnittfläche 10 und ist im Wesentlichen konzentrisch zu den Spulen 5, radial innenseitig der Lagerzweige 3, 4 angeordnet, wobei der Mittelpunkt der Schnittfläche 10 auf der Drehachse 8 liegt. Die in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Lagerzweige 3, 4 umgeben den gesamten Polring 9 bzw. decken den gesamten Winkelbereich von 360° im Wesentlichen vollständig ab. Da die beiden Spulen 5 bevorzugt identisch aufgebaut sind, sind die beiden La¬ gerzweige 3, 4 Lagerzweige des Axialmagnetlagers 2 im Wesentli¬ chen identisch und decken jeweils etwa eine Hälfte des Polrings 9 ab .
Im Inneren der Spulen 5 sind jeweils im Wesentlichen halbkreisförmige Polsegmente 11 angeordnet, welche die Spulen 5 im Wesent¬ lichen ausfüllen, beispielsweise da die Spulen 5 um die Polseg¬ mente 11 gewickelt sind. Die Wicklungen der Spulen 5 liegen im dargestellten Beispiel in der Darstellungsebene, so dass das bei Stromfluss durch die Spulen 5 in den Polsegmenten 11 induzierte Magnetfeld zumindest abschnittsweise parallel zur Drehachse 8 ausgerichtet ist (vgl. Fig. 3) . Die Polsegmente 11 sind von dem gemeinsamen Polring 9 getrennt hergestellte Teile, welche im zu¬ sammengesetzten Zustand des Axialmagnetlagers 2 mit dem Polring 9 in Kontakt stehen und vorzugsweise mit diesem verbunden sind (vgl. Fig. 4) . Das Axialmagnetlager 2 ist von einem Mantel 12 umgeben (vgl. Fig. 1), welcher als Träger bzw. zur stabilen Montage und eventuell der Abschirmung magnetischer Streuflüsse dient. In den Polringsegmenten 11 und im Mantel 12 sind parallel zur Drehachse bzw. senkrecht auf die Zeichnungsebene Verbindungselemente 13 bzw. 14, beispielsweise Schrauben, zur Montage der Vorrichtung 1 vorgesehen.
Da zwischen den Spulen 5 kein magnetisches Material angeordnet ist, kann durch die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Anord¬ nung der Lagerzweige 3, 4 eine Flusstrennung zwischen den Lagerzweigen 3, 4 erzielt werden. Zugleich kann aufgrund des gemeinsamen Polrings 9 eine optimale azimutale Homogenität der ma¬ gnetischen Flussdichte, d.h. eine optimale Homogenität in Rotati¬ onsrichtung, erzielt werden und somit können Ummagnetisierungs- verluste in der Axiallagerplatte reduziert werden.
In Fig. 2 ist ein Teil der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 dargestellt, wobei zur besseren Sichtbarkeit der Spulen 5 unter ande¬ rem der Mantel 12 nicht gezeigt ist. An der hier sichtbaren Unterseite 15 des Axialmagnetlagers 2 ist die einzige kreisringför¬ mige Polfläche 16 des einzigen gemeinsamen Polrings 9 ebenso er¬ kennbar wie die Polflächen 17 der beiden Polsegmente 11. Die Polflächen 17 der Polsegmente 11 bilden einen zur Polfläche 16 des Polrings 9 konzentrischen Kreisring, welcher nur an den beiden Stoßflächen der Polsegmente 11 unterbrochen ist. Obwohl die Polsegmente 11 im Bereich der Spulen 5 beabstandet sind, wie insbe¬ sondere anhand der Schnittfläche in Fig. 1 ersichtlich ist, schließen die Polflächen 17 der Polsegmente 11 in Umfangsrichtung direkt aneinander an, indem die Polsegmente 11 unterhalb der Spu¬ len in Umfangsrichtung ragende Vorsprünge 18 aufweisen. Zwischen der Polfläche 16 des Polrings 9 und den Polflächen 17 der Polseg¬ mente 11 ist ein Abstand 19 vorgesehen, welcher im gezeigten Beispiel größer ist als der Abstand 20 der Polflächen 16, 17 zu einer Axiallagerplatte 21 (vgl. Fig. 3) . Die Polsegmente 11 weisen einen zur jeweiligen Polfläche 17 hin abnehmenden Radius auf, d.h. sie erstrecken sich unterhalb der Spulen 5 radial nach innen, zu der Drehachse 8 hin, bzw. sind sie zu den Polflächen 17 hin kegelstumpfförmig zulaufend geformt. Der gemeinsame Polring 9 weist einen über die gesamte Höhe abnehmenden Radius auf bzw. ist über die gesamte Höhe kegelstumpfförmig zulaufend. Somit wird er¬ reicht, dass die Polflächen 16, 17 einen kleineren Radius aufweisen und kleiner sind als die in Fig. 1 gezeigten Schnittflächen des Polrings 9 und der Polringsegmente 11 im Bereich der Spulen 5. Die Polfläche 16 des Polrings 9 ist radial etwas breiter als die Polflächen 17 der beiden Polsegmente 11, so dass die Polflä¬ che 16 des Polrings 9 etwa der Summe der Polflächen 17 der beiden Polsegmente 11 entspricht.
In Fig. 3 ist ein radialer Querschnitt des Axialmagnetlagers 2 entsprechend der Linie III-III in Fig. 1 mit einer Axiallagerplatte 21 gezeigt. Darin ist schematisch ein möglicher Verlauf magnetischer Feldlinien 22 eingezeichnet, um die magnetische Flussdichte zu illustrieren. Die Feldlinien 22 entsprechen den Äquipotentiallinien des magnetischen Flusses. Die Pfeilgröße der dargestellten Richtungspfeile 23 auf den Feldlinien 22 ist ungefähr proportional zur lokalen Flussdichte. Bei der eingezeichne¬ ten Richtung des Magnetfelds fließt ein Strom in dem radial innen, zwischen dem Polring 9 und dem Polsegment bzw. Polringsegment 11 liegenden Spulenabschnitt 24 in Richtung in die Zeichnungsebene und in dem radial außen liegenden Spulenabschnitt 25 in Richtung aus der Zeichnungsebene. Die magnetischen Feldlinien 22 sind über die Axiallagerplatte 21 geschlossen, wodurch diese magnetisch angezogen wird. Sowohl der Polring 9 als auch der unterste Abschnitt 26 des Polsegments 11 weist einen zur Polfläche 16 bzw. 17 konvergierenden Querschnitt auf, wodurch die Flussdichte im Bereich der Polflächen 16, 17 gegenüber der Flussdichte im Bereich der Spule 5 erhöht wird. Außerdem nimmt der Radius beider Polkörper 9, 11 (als Polkörper sind im Folgenden zusammenfassend der Polring 9 und die Polsegmente 11 bzw. im Allgemeinen sämtliche einen Magnetkern bildenden Polelemente bezeichnet) zu der Polflächen 16, 17 hin ab, was aufgrund des sich verringernden Umfangs zusätzlich zu einer Erhöhung der Flussdichte beiträgt. Aufgrund der relativ kleinen Polflächen 16, 17 und des geringen Abstands zwischen den Polflächen kann die Axiallagerplatte 21 einen entsprechend kleinen Radius und Querschnitt aufweisen und es können die bei hohen Drehzahlen wirkenden mechanischen Belastungen im Vergleich zu größeren Axiallagerplatten reduziert werden. Andererseits können durch die relativ geringe Flussdichte im Bereich der Spulen 5 eine geringere Magnetisierung und somit, aufgrund der bei realen weichmagnetischen Materialien nichtlinearen Beziehung zwischen Flussdichte und magnetischem Widerstand, ein geringerer magnetischer Widerstand der Polkörper 9, 11 und geringere Ummagnetisierungsverluste erhalten werden, was nützlich ist, um Streuflüsse außerhalb der Polkörper 9, 11 zu reduzieren.
In Fig. 4 ist eine Vorrichtung 27 mit einer magnetisch gelagerten Welle 28 gezeigt. Dabei sind der Einfachheit halber nur die
Axialmagnetlager 29, 30, jedoch keine Radiallager eingezeichnet. Die Welle 28 ist verkürzt mit einer schematischen Unterbrechung 31 dargestellt (ähnlich auch in Fig. 7, 8, usw.), um anzudeuten, dass die Länge der Welle 28 hier nicht proportional dargestellt ist. Die Axialmagnetlager 29, 30 entsprechen jeweils der in
Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 mit jeweils zwei halbkreisförmigen gegenüberliegenden Spulen 5 mit einem gemeinsamen Polring 9 und getrennten Polsegmenten 11. Die Axialmagnetlager 29, 30 wechselwirken jeweils mit je einer scheibenförmigen Axiallagerplatte 32, 33, wobei die Axiallagerplatten 32, 33 im Bereich je eines Endes der Welle 28 angeordnet und drehfest mit der Welle 28 verbunden, beispielsweise verschraubt, sind. Es ist jedoch für den Fachmann unmittelbar ersichtlich, dass die Welle 28 ebenso einstückig mit den Axiallagerplatten 32, 33, beispielsweise komplett aus weichmagnetischem Eisen bzw. Stahl, hergestellt sein kann. Darüber hinaus könnte eine solche Welle auch einen konstanten Durchmesser aufweisen, so dass die Welle anstelle der abgesetzten Axiallagerplatten 32, 33 an jedem Ende nur eine Axiallagerplattenfläche aufweisen würde bzw. die Welle einer einzigen, sehr dicken Axiallagerplatte entspräche.
Der Durchmesser der Axiallagerplatten 32, 33 ist so gewählt, dass der Radius der Axiallagerplatten 32, 33 etwas größer ist als der Außenradius der Polfläche 17 der Polsegmente 11, so dass die Pol¬ flächen 17 der Polsegmente 11 von den Axiallagerplatten 32, 33 gänzlich abgedeckt sind.
Radial innerhalb der ringförmigen Axialmagnetlager 29, 30 sind gegenüber beiden Axiallagerplatten 32, 33 außerdem Abstandssensoren 34, beispielsweise Wirbelstromsensoren, angeordnet. Die Ab¬ standssensoren 34 sind abseits der Drehachse 35 angeordnet und erfassen den eigenen Abstand zur Axiallagerplatte 32, 33 und so¬ mit die relative Lage der Axiallagerplatte 32, 33 bzw. der Welle 28 in den Axialmagnetlagern 29, 30. Ausgehend von der gemessenen Lage werden die Spulen 5 der Axialmagnetlager 29, 30 so angesteuert, dass der Rotor (nur teilweise gezeigt) zwischen den Axialma¬ gnetlagern 29, 30 zentriert bleibt bzw. wird.
Im Betrieb kommt es bei Änderungen der Betriebstemperatur typischerweise zu unterschiedlichen Wärmedehnungen von Rotor und Stator. Eine Erwärmung des Rotors, beispielsweise aufgrund der Ver¬ luste eines Motor-Läufers, führt hierbei zu einer Dehnung des Ro¬ tors. Andererseits führt eine Erhöhung der Rotordrehzahl aufgrund der wirkenden Fliehkräfte zu einer Reduktion der Rotorlänge. Um trotz dieser Effekte eine stabile axiale Lage des Rotors zu er¬ möglichen, kann vorzugsweise die in Fig. 4 gezeigte Differential¬ anordnung der Abstandssensoren 34 eingesetzt werden. Hierbei wird der axiale Abstand des Rotors gegenüber dem Stator an beiden Rotorenden mittels der Abstandssensoren 34 erfasst, und deren Signale Zi bzw. z2 werden beispielsweise folgendermaßen für die Er¬ mittlung der Sollposition herangezogen:
Sz , soll'
(1)
Die Axialmagnetlager 29, 30 sind jeweils auf einer Trägereinheit 36 angebracht und von einem Mantel 12 umgeben, welcher beispiels¬ weise aus Aluminium oder nicht-ferromagnetischem Edelstahl besteht. Die Trägereinheiten 36 weisen jeweils eine kreisförmige Ausnehmung 37 auf, in der die jeweilige Axiallagerplatte 32, 33 im Wesentlichen zentriert angeordnet ist. Die Spulen 5 und die Polkörper 9, 11 sind jeweils auf einer der Welle 28 gegenüberlie¬ genden Seite der Trägereinheit 37 angeordnet. Die Mäntel 12 er- strecken sich deckelartig über die Axialmagnetlager 29, 30 und schließen mit den Trägereinheiten 37 ab. Die Polkörper 9, 11 sind mit den Mänteln 12 verbunden, beispielsweise verschraubt, wobei jeweils drei Schrauben 13 pro Polsegment 11 (vgl. Fig. 1) durch den Mantel 12 und den Polring 9 durchtreten und in den Polsegmenten 11 verankert sind. Dabei liegen horizontale Abschnitte 38 der Polringe 9 jeweils flächig an der Innenseite der Mäntel 12 an. Die Polsegmente 11 sind so geformt, dass die Spulen 5 einfach aufgesteckt werden können und mithilfe des horizontalen Ab¬ schnitts 38 des jeweiligen Polrings 9 auf den Polsegmenten 11 fest angebracht sind. Beide Mäntel 12 weisen einen abnehmbaren Mittelteil 39 auf, welcher in der Art eines Deckels den jeweili¬ gen Mantel 12 von oben bzw. unten mittig verschließt. In dem Mit¬ telteil 39 sind die Abstandssensoren 34 angeordnet, welche sich innerhalb des Mantels 12 bis knapp an die jeweilige Axiallager¬ platte 32, 33 erstrecken. Der nominelle Abstand zwischen den Abstandssensoren 34 und den Axiallagerplatten 32, 33 entspricht dabei etwa dem nominellen Abstand zwischen den Polflächen 16, 17 und den Axiallagerplatten 32, 33.
In Fig. 5 ist eine mit der Vorrichtung 1 in Fig. 1 vergleichbare Vorrichtung 40 gezeigt, welche zusätzlich zu den beiden gegenüberliegenden Lagerzweigen 3, 4 einen zentralen Lagerzweig 41 mit einer kreisringförmigen Spule 42 (nachfolgend Ringspule 42 ge¬ nannt) aufweist. Der dargestellte Schnitt quer zur Drehachse 8 entspricht der Linie V-V in Fig. 7. Die Ringspule 42 des zentra¬ len Lagerzweigs 41 (nachfolgend auch Zentrallager 41 genannt) um¬ gibt einen zylindrischen Innenpol 43 und ist ihrerseits von einem äußeren Polring 44 umgeben (nicht zu verwechseln mit dem einzigen gemeinsamen Polring 9 der gegenüberliegenden Spulen 5) . Eine zylindrische Innenkontur der Ringspule 42 begünstigt eine einfache Fertigung und minimiert etwaige durch Rotation verursachte Wir¬ belströme. Zwischen dem äußeren Polring 44 der Ringspule 42 und dem gemeinsamen Polring 9 der gegenüberliegenden äußeren Lagerzweige 3, 4 ist ein Abstand 45 vorgesehen, um eine Flusstrennung der magnetischen Lagerzweige 3, 4, 41 zu erzielen. Der magnetische Kreis des von der Ringspule 42, dem Innenpol 43 und dem äußeren Polring 44 gebildeten Zentrallagers 41 ist über einen eigenen Plattenteil 46 der Axiallagerplatte 32 geschlossen (vgl. Fig. 7) . Der Innenpol 43 ist im Wesentlichen massiv und weist an einer der Axiallagerplatte 32 zugewandten Seite eine zentrale Ausnehmung 47 auf, welche der Aufnahme von aus dem Plattenteil 46 herausragenden Befestigungselementen 48 zur Fixierung des Plattenteils 46 an einer Welle 49 dient.
Wie in Fig. 6 anhand der entsprechenden Feldlinien 50 bzw. Äquipotentiallinien erkennbar, ist das Zentrallager 41 ein Hybridlager, welches zusätzlich zu dem mithilfe der Ringspule 42 gebilde¬ ten Elektromagnet einen Permanentmagnet 51 (in Form eines perma¬ nentmagnetischen Abschnitts 51) des Innenpols 43 aufweist und der permanentmagnetische dem elektromagnetischen Fluss überlagert ist. Der permanentmagnetische Abschnitt 51 bzw. Permanentmagnet 51 erzeugt ein parallel zur Drehachse 35 ausgerichtetes Magnet¬ feld, welches von dem Elektromagnet verstärkt oder abgeschwächt werden kann. Der Permanentmagnet 51 ist vorzugsweise so ausge¬ legt, dass sein Magnetfeld das Gewicht des Rotors bei einem nomi¬ nalen Luftspalt alleine trägt. Die vom Permanentmagnet 51 aufge¬ brachte magnetische Kraft FG entspricht dabei dem Produkt der Masse mRotor des Rotors mit der Erdbeschleunigung g: FG=mRotor · lg . Dadurch kann eine besonders hohe Energieeffizienz und Sicherheit bei geringem erforderlichem Baumraum erzielt werden. Die Auslegung der Ringspule 42 erfolgt so, dass bei maximaler Stromdichte in der Ringspule 42 sowohl die Erhöhung als auch die Reduktion der statischen Kraft FG entsprechend einem Bruchteil der gesamten Regelkraft Fges, welcher von der Anzahl n der unabhängig ansteuerbaren Axiallagerzweige 3, 4, 41 abhängt (Fges/n), möglich ist. Die gesamte Regelkraft Fges aller Lagerzweige 3, 4, 41 ist vorzugswei¬ se zumindest groß genug, um bei Ausfall eines Lagerzweigs 3, 4, 41 mit den übrigen Lagerzweigen 3, 4, 41 eine Lagerung und Stabilisierung der Struktur zu ermöglichen. Beispielsweise kann die gesamte Regelkraft Fges dem Dreifachen der auf den Rotor wirkenden Schwerkraft entsprechen, d.h.
Figure imgf000018_0001
(±3g) . In diesem Fall er¬ gibt sich die Regelkraft des zentralen, hybriden Lagerzweigs 41 als Fhybrld=FG+ Fges/n, bzw. bei drei unabhängigen Lagerzweigen 3, 4, 41 zu Fhybrld=FG+Fges/3, was bedeutet, dass bei maximaler Stromdichte in der Ringspule 42 die vom Permanentmagnet 51 ausgehende Kraft je nach Stromrichtung entweder verdoppelt oder aufgehoben werden kann. Die ausschließlich elektromagnetischen, äußeren Lagerzweige 3, 4 sind, analog zum elektromagnetischen Teil des Hybridlagers, so ausgelegt, dass sich die jeweilige Regelkraft zu FEM=Fges/n er¬ gibt .
Um ein möglichst kompaktes Zentrallager 41 und einen geringen Durchmesser des zugeordneten Plattenteils 46 zu erzielen, konvergiert der Querschnitt des äußeren Polrings 44 und/oder der
Ringspule 42 des Hybridlagers 41 zur Polfläche 52 hin. Obwohl auch der Innenpol 43 der Ringspule 42 grundsätzlich kegelstumpf- förmig zur Axiallagerplatte 32 bzw. zum Plattenteil 46 hin zulau¬ fend geformt sein kann, wird dafür aufgrund der einfacheren Fertigung eine zylindrische Form bevorzugt. Insbesondere der äußere Polring 44 des Hybridlagers 41 kann sich zur Axiallagerplatte 32 hin radial verjüngen. Der für das Hybridlager 41 beschriebene kompakte Aufbau kann selbstverständlich auch ohne Permanentmagnet 51, d.h. für einen rein elektromagnetischen Lagerzweig verwendet werden (vgl. Fig. 8) .
In Fig. 7 ist eine Vorrichtung 53 mit einer magnetisch gelagerten Welle 49 gezeigt, wobei auch hier - wie in Fig. 4 - der Einfachheit halber nur die Axialmagnetlager 30, 54, jedoch keine Radiallager eingezeichnet sind und die Welle 49 verkürzt, mit einer schematischen Unterbrechung 55 dargestellt ist. Im unteren Endbereich 56 weist die Welle 49 einen verjüngten Abschnitt auf, auf den die untere Axiallagerplatte 33 aufgesteckt und mit dessen Endfläche 57 eine Sensorplatte 58 verbunden ist. Zwischen der Axiallagerplatte 33 und der Sensorplatte 58 ist ein Distanzring 59 aus nicht-magnetischem Material angeordnet. Zusätzlich kann auch die Welle 49 zumindest im Bereich der Axialmagnetlager 30, 54 aus nicht-magnetischem Werkstoff bestehen. Im Unterschied zu der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung 27 sind die Abstandssensoren 34 hier nicht gegenüber der Axiallagerplatte 33, sondern gegenüber der eigens dafür vorgesehenen Sensorplatte 58 angeordnet. Der Aufbau des Axialmagnetlagers 30 ist jedoch ansonsten iden¬ tisch, weshalb - um Wiederholungen zu vermeiden - diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Das obere Ende der Welle 49 ist in einer Vorrichtung 40 gemäß Fig. 5 gelagert, wobei die Ansicht in Fig. 5 einer Schnittansicht entlang der Linie V-V in Fig. 7 entspricht. Bei der hier gezeigten Vorrichtung 40 ist am oberen Ende eine axial getrennte Axiallagerplatte 32 angeord¬ net, welche zwei axial durch einen Distanzring 60 aus nicht-ma¬ gnetischem Werkstoff getrennte Plattenteile 46, 61 aufweist, um eine Entkopplung der magnetischen Flüsse bzw. eine Flusstrennung der magnetischen Zweige 3, 4, 41 und einen größeren Abstand zwischen den Statoreinheiten, d.h. in diesem Fall zwischen den äußeren Lagerzweigen 3, 4 und dem inneren, zentralen Lagerzweig 41, zu erzielen. Somit können etwaige Flussdichtegradienten bei Rotation aufgrund der Regelströme im Hybridlager minimiert werden. Wie hier ersichtlich, ist der zentrale Lagerzweig 41 koaxial teilweise innerhalb bzw. überlappend den beiden äußeren La¬ gerzweigen 3, 4 angeordnet. Der größere der beiden Plattenteile 61, welcher der Mitte der Welle 49 näher ist, wird von den äußeren, in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Lagerzweigen 3, 4 mit gegenüberliegenden Spulen 5 magnetisch gelagert. Der Plattenteil 46 mit kleinerem Durchmesser ist am oberen Ende der Welle 49 angeordnet und an einem den inneren bzw. zentralen Lagerzweig 41 bildenden Hybridlager gemäß Fig. 5 und Fig. 6 gelagert. Das Hybridlager 41 besteht aus einem äußeren Polring 44, welcher eine Ringspule 42 mit konvergierendem Querschnitt umschließt. In der Ringspule 42 ist ein massiver zylindrischer Innenpol 43 angeord¬ net, der in Richtung der Drehachse 35 in zwei weichmagnetische Abschnitte 62 und dazwischen den permanentmagnetischen Abschnitt 51 unterteilt ist. Der Innenpol 43 steht auf einer der Axialla¬ gerplatte 32 gegenüberliegenden Seite der Ringspule 42 mit dem äußeren Polring 44 in Kontakt. Auf der Seite der Polflächen 52, 63 sind die Polkörper 43, 44 bis zum Plattenteil 46 durch die Ringspule 42 getrennt, d.h. eine Seite der Ringspule 42 schließt im Wesentlichen mit den Polflächen 52, 63 ab.
Zwischen den Lagerzweigen 3, 4, 41 des oberen Axialmagnetlagers 54 ist ein Hohlraum 64 bzw. Abstand 45 (vgl. Fig. 5) vorgesehen, um Streuflüsse und Querwirkungen zwischen den Lagerzweigen 3, 4, 41 zu vermeiden. Der Abstand 45 zwischen dem äußeren Polring 44 des zentralen Hybridlagers 41 und dem inneren, gemeinsamen Polring 9 der äußeren Lagerzweige 3, 4 ist dabei größer als der Abstand zwischen den beiden Polkörpern 9 und 11 bzw. 43 und 44 jedes Lagerzweigs 3, 4, 41. Der Abstand zwischen den Lagerzweigen 3, 4, 41 bzw. der radiale Querschnitt des Hohlraums 64 nimmt zu den Plattenteilen 46, 61 hin ab, da mehrere Lagerelemente einen zu den Plattenteilen 46, 61 hin abnehmenden Radius aufweisen. Das Axialmagnetlager 54 weist außerdem eine Flusstrennung zwischen den äußeren Lagerzweigen 3, 4 und dem inneren Lagerzweig 41 auf, wobei dem inneren Lagerzweig 41 ein von den übrigen Plattenteilen 61 getrennter Plattenteil 46 der Axiallagerplatte 32 zugeordnet ist .
Vergleichbar der in Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Differentialanordnung der Abstandssensoren 34 ist auch bei Anordnungen mit Hybridlager 41, eine differentielle Auswertung der gemessenen Abstände denkbar, beispielsweise mit einem Abstandssensor im Zentrum des Hybridlagers 41. Für minimale erforderliche Stellenergie im Hybridlager 41 wird die Sollposition für „normale" Betriebsbedingungen dahingehend gewählt, dass der permanentmagnetische Zweig bzw. der Permanentmagnet 51 des Hybridlagers 41 die Ge¬ wichtskraft des Rotors (sowie eventuelle, zusätzlich auf den Ro¬ tor wirkende statische Kräfte) kompensiert. Hierbei wird Zi als Sollgröße für die Regelung herangezogen, solange der Rotor am unteren Ende weit genug vom Stator entfernt ist. Für ene Betriebs¬ fälle, bei denen der gewünschte Minimalabstand zb zwischen Rotor und unterem Statorteil nicht gegeben ist, wird der Rotor bei¬ spielsweise in eine Lage gebracht, in der er den gleichen Abstand vom oberen und unteren Stator aufweist gebracht sz,
Figure imgf000021_0001
soii2 · Eine weitere Möglichkeit besteht in letzterem Fall darin, den Ro¬ tor in ene Lage sz,
Figure imgf000021_0002
soll2. zu bringen in der er gerade zb als Abstand gegenüber dem unteren Stator aufweist. Damit ist im Hybridlager 41 ein geringerer statischer Strom durch die Spule 42 erforderlich (vgl. Gleichungen (2) bis (4)) .
z , solll — z für z2^zb mit (2)
Figure imgf000021_0003
Die Mantel-Anordnung 65, 66 der Vorrichtung 40 ist in einen radial äußeren Mantel 65 zum Tragen und gegebenenfalls zur Abschir- mung des von den äußeren Lagerzweigen 3, 4 gebildeten Segmentlagers 67 und einen radial inneren Mantel 66 zum Tragen und gegebe¬ nenfalls zur Abschirmung des Hybridlagers 41 unterteilt. Der in¬ nere Mantel 66 ist dabei in einer zentralen Öffnung 68 des äußeren Mantels 65 angeordnet und überragt diesen entsprechend. Die Höhe der Vorrichtung 40, d.h. die Ausdehnung in Richtung der Drehachse 35, ist im Bereich des Hybridlagers 41 am größten, da einerseits der am Hybridlager 41 gelagerte Plattenteil 46 axial versetzt zu dem am Segmentlager 67 gelagerten Plattenteil 61 auf der Welle 49 angeordnet ist und andererseits das Hybridlager 41 in Richtung der Drehachse 35 im dargestellten Beispiel höher ist als das Segmentlager 67. Ebenso wie der gemeinsame Polring 9 des Segmentlagers 67 mit dem inneren Mantel 66 verbunden ist, ist der Innenpol 43 des Hybridlagers 41 mit der Innenseite des äußeren Mantels 66 verbunden, insbesondere verschraubt. Dabei sind zu¬ sätzlich zu den Verbindungen 69 radial außerhalb der Ringspule 42, welche den Mantel 66 mit dem Innenpol 43 und dem äußeren Pol¬ ring 44 verbinden, Verbindungen 70 etwa bei halbem Radius des Innenpols 43 vorgesehen. Diese zusätzlichen Verbindungen 70 dienen dazu, die Last des Rotors, welche aufgrund des Permanentma¬ gnets 51 immer zu einem Großteil von dem Hybridlager 41 getragen wird, möglichst direkt auf den Mantel 66 zu übertragen, um die mechanische Belastung der Polkörper 43, 44 gering zu halten.
In Fig. 8 ist eine ähnliche Vorrichtung 71 wie in Fig. 7 gezeigt, mit dem Unterschied, dass hier ein zentraler Lagerzweig bzw. Zen¬ trallager 72 ohne einen Permanentmagnet 51 eingesetzt wird. Die Lagerkräfte müssen demzufolge immer von den elektromagnetischen Lagerzweigen 3, 4, 72 ausgeübt werden. Zur Minimierung von Rotationsverlusten aufgrund von Ummagnetisierungen im Rotorteil ist bei kleinen erforderlichen Kräften vorzugsweise nur das Zentrallager 72 aktiv. Gegenüber der zuvor beschriebenen Vorrichtung 53 ergibt sich somit eine geringere Effizient des Zentrallagers 72, dafür aber werden geringere Herstellungskosten ermöglicht, da der tragende Innenpol 73 des Zentrallagers 72 keinen permanentmagne¬ tischen Abschnitt aufweist. Der übrige Aufbau ist mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung 53 identisch, weshalb hier zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird . Die in Fig. 9 gezeigte Vorrichtung 74 hat in Bezug auf die Funktionsweise ebenfalls eine große Ähnlichkeit mit der in Zusammen¬ hang mit Fig. 7 beschriebenen Vorrichtung 53. Allerdings sind die äußeren Lagerzweige 3, 4 der Axialmagnetlager 75, 76 hier geometrisch anders aufgebaut; lediglich der gemeinsame Polring 9, wel¬ cher den radial inneren, gemeinsamen Pol bildet, ist unverändert. Die radial inneren Abschnitte 77 der aufeinander folgenden Spulen 78 liegen über die gesamte Höhe des Polrings 9, bis hin zur Axi¬ allagerplatte 33 bzw. zum Plattenteil 61 an der radialen Außenseite des jeweiligen Polrings 9 an und die Endflächen 79 der Spulen 78 auf der Seite der Axiallagerplatte 33 bzw. des Platten¬ teils 61 schließen mit der Polfläche 16 des Polrings 9 ab. Zu¬ sätzlich konvergiert der Querschnitt der Spulen 78 zur jeweils zugeordneten Axiallagerplatte 33 bzw. zum Plattenteil 61 hin, wo¬ bei die Abmessung in radialer Richtung geringer als die Abmessung in axialer Richtung ist. Im Inneren der Spulen 78 sind Polringsegmente 80 angeordnet, die einen abnehmenden Radius und einen konvergierenden Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt der Polringsegmente 80 ungefähr dem des radial inneren Spulenabschnitts 77 entspricht. Dasselbe gilt für die radial äu¬ ßeren Abschnitte 81 der Spulen 78, so dass sich die Spulen 78 und die Polkörper 9, 80 im radialen Querschnitt fächerartig von der Axiallagerplatte 33 bzw. vom Plattenteil 61 weg erstrecken, wobei jeweils benachbarte Seitenflächen eines Polkörpers 9, 80 oder ei¬ nes Spulenabschnitts 77, 81 im radialen Querschnitt nicht paral¬ lel, sondern ebenfalls divergent sind.
Das untere Axialmagnetlager 76 ist symmetrisch zu den äußeren Lagerzweigen 3, 4 des oberen Axialmagnetlagers 75 aufgebaut und un¬ terscheidet sich von dem in Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebenen unteren Axialmagnetlager 30 außerdem dadurch, dass die Sensorplatte 82 mit der Axiallagerplatte 33 in Kontakt steht. Es ist in diesem Fall kein Distanzring zwischen der Sensorplatte 82 und der Axiallagerplatte 33 vorgesehen.
Eine weitere Variante einer Vorrichtung 83 mit einer magnetisch an erfindungsgemäßen Axialmagnetlagern 84, 85 gelagerten Welle 49 ist in Fig. 10 dargestellt. Die Elemente und der grundsätzliche Aufbau der Axialmagnetlager 84, 85 entsprechen im Wesentlichen der in Zusammenhang mit Fig. 4 bzw. Fig. 7 beschriebenen Vorrichtung 27 bzw. 53, weshalb an dieser Stelle lediglich auf die Unterschiede eingegangen und ansonsten auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Die an den äußeren Lagerzweigen 3, 4 gelagerten Plattenteile 86, 87 weisen auf einer der Welle 49 zugewandten Seite jeweils eine abgerundete Außenkante 88 auf. Die Seitenflä¬ che an den radial außen liegenden Seiten des äußeren Polrings 89 des inneren bzw. zentralen Lagerzweigs 90 des oberen Axialmagnet¬ lagers 84 und der gemeinsamen Polringe 91 der äußeren Lagerzweige 3, 4 weichen von einer Kegelstumpfform ab und weisen im Querschnitt einen geschwungenen Verlauf auf, d.h. die Kontur der genannten Polkörper 89, 91 ist nicht nur aus Geraden zusammengesetzt, sondern folgt auch Kurven höherer Ordnung. Demzufolge sind die Polkörper 89, 91 nicht streng linear konvergierend, sondern weisen eine nichtlineare Verjüngung auf. Außerdem weisen sowohl die gegenüberliegenden Spulen 92 der äußeren Lagerzweige 3, 4 als auch die Ringspule 93 des zentralen Lagerzweigs 90 an einer von den Plattenteilen 86, 87, 94 abgewandten Seite abgerundete Kanten 95 auf, wobei die benachbarten Polkörper 89, 91, 96, 97, d.h. der äußere Polring 89, die gemeinsamen Polringe 91, der Innenpol 96 der Zentrallagers 90 und die Polringsegmente 97, an den abgerun¬ deten Verlauf angepasst sind, so dass keine zusätzlichen Hohlräu¬ me zwischen Spulen 92, 93 und Polkörpern 89, 91, 96, 97 entstehen. Ebenso ist die Kontaktfläche zwischen den Polringsegmenten
97 und dem jeweiligen gemeinsamen Polring 91 abgerundet. Die dargestellten und beschriebenen Abrundungen bzw. die Vermeidung von Kanten unterstützt vorteilhaft die Minimierung von Streufeldern, indem die Profile jener Elemente, welche Teil eines magnetischen Kreises sind, an den Verlauf der magnetischen Flusslinien angepasst sind.
Fig. 11 enthält ein schematisches Blockschaltbild 98 zur Illus¬ tration einer Regelungsschaltung bzw. eines Regelungsverfahrens zur Steuerung eines oder mehrerer Axialmagnetlager zur Stabilisierung eines Rotors, beispielsweise bei einer Vorrichtung 53, 71, 74, 83 gemäß einer der Figuren 7 bis 10. Das Blockschaltbild
98 zeigt drei unabhängig arbeitende und mit Spannung versorgte Regeleinheiten 99, 100, 101, wobei die erste Regeleinheit 99 einen einzigen geregelten Ausgangsstrom I i bereitstellt, während die beiden anderen Regeleinheiten 100, 101 jeweils zwei unabhängig geregelte Ausgangsströme lZa, l l3b bereitstellen. Eine, vorzugsweise einem zentralen Lagerzweig, insbesondere einem zen¬ tralen Hybridlager zugeordnete, Regeleinheit 99 kann der Einfachheit und Robustheit halber mit einem PID-Positionsregler 102, die anderen, beispielsweise jeweils zwei äußeren Lagerzweigen 3, 4 zugeordneten Regeleinheiten 100, 101 mit einem PD-Positionsregler 103 mit unterlagertem P-Stromregler ausgestattet sein, wie im Folgenden noch genauer beschrieben wird. Die Regeleinheiten 100, 101 mit zwei Ausgangsströmen sind vorzugsweise zur Steuerung zweier gegenüberliegender Lagerzweige 3, 4 eingerichtet. Die Re¬ geleinheiten 99, 100, 101 steuern die Ausgangsströme Ii, I2a, I2b, I3a, I3b in Abhängigkeit eines Signals Si, S2, S3 jeweils eines Po¬ sitionssensors 104 und eines vorgegebenen Sollwerts Si;SOn, S2,Soii/ S3,soii des jeweiligen Signals Si, S2, S3, beispielsweise des Ab- stands zwischen dem Positionssensor 104 und einer Sensorplatte und des vorgegebenen, gewünschten Abstands. Es können aber auch weitere Sensoren zur Erfassung des Ist-Zustandes, beispielsweise Stromsensoren oder Temperatursensoren, gemeinsam mit den jeweils anzuwendenden Sollwerten mit den Regeleinheiten 99, 100, 101 verbunden sein. Die Positionssensoren 104 werden bevorzugt in einer Differentialsensoranordnung, wie in Zusammenhang mit Fig. 4 und Fig. 7 bereits genauer erläutert, angeordnet und ausgewertet.
Die Sensorsignale Si, S2, S3 können nach einer Filterung und Si¬ gnalanpassung (z.B. Anti-Aliasing-Filter , Pegel- und Offset-Anpassung) an Analog-Digital-Konverter weitergegeben werden. Die entsprechende Signalverarbeitung kann beispielsweise direkt in einem Mikro-Controller integriert sein, welcher auch einige der nachfolgenden Einheiten integrieren kann. Die Regeleinheit 99 (gleiches gilt analog für die anderen Regeleinheiten 100, 101, was durch den Index i ausgedrückt ist, welcher je nach betrachte¬ ter Regeleinheit den Wert 1, 2 oder 3 annimmt) ermittelt eine Po¬ sitionsabweichung e± und gibt diese an einen Positionsregler 102, 103 weiter. Außerdem werden bei den beiden weiteren Regeleinheiten 100, 101 die Positionsabweichungen e± in den Schwellenwertschaltern 105 ausgewertet. Die beiden Schwellenwertschalter 105 sind mit den Positionsreglern 103 der jeweiligen Regeleinheit 100, 101 verbunden und so eingerichtet, dass sie die Positions- regier 103 deaktivieren bzw. aktivieren; d.h. falls ein in einem Schwellenwertschaltern 105 vorkonfigurierter Grenzwert nicht überschritten ist, arbeiten der jeweils zugeordnete Positionsreg¬ ler 103 so, als ob die Positionsabweichung e± Null wäre, d.h.
F±, soll = 0.
Der Positionsregler 102 bzw. 103 (wenn der Grenzwert der Schwellenwertschaltern 105 überschritten ist) , ermittelt aus der erhaltenen Positionsabweichung e± eine erforderliche Kraft Flf SOn um den Rotor gegebenenfalls in eine Sollposition zurück zu bewegen. Aus dieser Kraft Fl f SOll und der gemessenen Position S± ermittelt eine Umrechnungseinheit 106 die entsprechenden Sollströme Ilai SoU , I ib, soii für die Spulen des Axialmagnetlagers. Dafür verwendet die Umrech¬ nungseinheit 106 ein Kennfeld I i ( Flf SOll , S±) der Spulen bzw. der Lagerzweige, welches den Strom in Abhängigkeit von der gewünsch¬ ten Kraftwirkung und der Position des Rotors angibt. Das Kennfeld I ± ( Flf gen, S±) kann beispielsweise vorab empirisch ermittelt werden oder aus den Spulenkenndaten und den Polformen berechnet werden. Die so ermittelten Sollströme I la, soii , I ib, soii werden an unabhängige Stromregelungseinheiten 107 übermittelt, welche jeweils einem Ausgangsstrom I 1 bzw. I2a, I 2b bzw. I3a, I3b zugeordnet sind.
Die Stromregelungseinheiten 107 weisen eine Differenzeinheit 108, einen Stromregler 109, einen Begrenzer 110, einen Pulsweitenmodulator 111, einen Leistungskonverter 112 mit H-Brücke und einen Stromsensor 113 auf. Der Stromsensor 113, insbesondere ein Hall- Effekt-Sensor, Hall-Effekt-Sensor nach dem Flusskompensations- prinzip oder ein magneto-resistiver Sensor, misst z.B. im Fall der Regeleinheit 104 einen Ausgangsstrom I2a der Stromregelungs¬ einheiten 107, so dass die Differenzeinheit 108 eine Stromabwei¬ chung ei,2a zwischen Ausgangsstrom I2a und Sollstrom I2a , Soii ermit¬ teln kann. Die ermittelte Stromabweichung eI;2a verwendet der
Stromregler 109 zur Ansteuerung des Pulsweitenmodulators 111, wobei der dazwischen geschaltete Begrenzer 110 dafür sorgt, dass beispielsweise ein bestimmter Maximalstrom nicht überschritten werden kann. Der Pulsweitenmodulator 111 generiert in an sich bekannter Weise ein Schaltsignal, welches den Ausgangsstrom des Leistungskonverters 112 steuert. Die Regeleinheit 99 mit einem einzelnen Ausgangsstrom I 1 für eine einzelne Spule arbeitet im Wesentlichen identisch, wobei die Umrechnungseinheit 106 nur einen Sollstrom IliSOll ermittelt und die Regeleinheit 99 demzufol¬ ge nur eine Stromregelungseinheit 107 aufweist.
Die Regeleinheiten 99, 100, 101 sind jeweils Teil eines Axialla¬ gerzweig-Regelsystems, wobei im Idealfall jedes Regelsystem eine unabhängige Spannungsversorgung und eigene Sensoren, insbesondere einen eigenen Positionssensor 104 aufweist. Wie bereits in Zusammenhang mit der Auslegung der Lagerkräfte geschildert, sind die von den unabhängigen Regelsystemen gesteuerten Lagerzweige bevorzugt so ausbalanciert, dass jeder Lagerzweig die gleiche maximale bzw. minimale Lagerkraft aufbringen kann. Im normalen Betriebsfall kann beispielsweise nur ein der Regeleinheit 99 zugeordnetes Hybridlager im Einsatz sein, wobei kleine Störkräfte ohne die üb¬ rigen Lagerzweige, insbesondere ohne etwaige Segmentlager, ausge¬ regelt werden können. In diesem Zusammenhang kann eine Überwachung bestimmter Betriebsbedingungen, beispielsweise hinsichtlich der Überschreitung einer vordefinierten maximalen Auslenkung und/oder Auslenkungsgeschwindigkeit, beispielsweise in Form der Schwellenwertschalter 105 eingerichtet sein und bei Eintreten einer solchen Betriebsbedingung eine automatische Aktivierung des jeweiligen Lagerzweigs vorgesehen sein.
Die Figuren 12 bis 14 zeigen ein vorteilhaftes Drei-Segment-Hybridlager 114. Wie insbesondere im Querschnitt senkrecht zur Drehachse - gemäß Fig. 12 - erkennbar, sind die drei Spulen 115 des Hybridlagers 114, welche jeweils einen unabhängigen La¬ gerzweig bilden, einander bezüglich der Drehachse 116 gegenüberliegend bzw. in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet und umgeben einen gemeinsamen Polkörper 117. Dadurch wird eine Flusstrennung der Lagerzweige erzielt. Der zwischen den Spulen 115 angeordnete Abschnitt des Polkörpers 117 ist zylindrisch und weist somit einen kreisförmig geschlossenen Umfang auf, wobei die
Längsachse des Zylinders im Wesentlichen auf der Drehachse 116 des Rotors angeordnet ist. Im Inneren der Spulen 115 sind Polseg¬ mente bzw. Polringsegmente 118 angeordnet, deren Kontur an einer radialen Innenseite und einer radialen Außenseite konzentrischen Kreisbögen entspricht, deren gemeinsamer Mittelpunkt auf der Drehachse 116 liegt. Demzufolge folgen auch die Windungen der Spulen 115 einem kreisbogenförmigen Verlauf, der über radiale Verbindungsabschnitte 119 an den Endflächen der Polringsegmente 118 geschlossen ist (vgl. Fig. 12) .
Insbesondere im Querschnitt entlang der Drehachse 116 gemäß
Fig. 13 (entsprechend der Linie XIII-XIII in Fig. 12) ist erkennbar, dass sowohl die Spulen 115 als auch die Polringsegmente 118 beispielsweise einen zu einer Axiallagerplatte 120 hin z.B. kon¬ vergierenden Querschnitt aufweisen. Die Innenfläche jeder Spule 115 ist dabei vorzugsweise an der Außenfläche des Polringsegments 118 anliegend angeordnet, sodass das Polringsegment 118 und der radial außen liegende Spulenabschnitt 121 einen zur Axiallager¬ platte 120 hin abnehmenden Radius aufweisen. Der Radius der Axiallagerplatte 120 ist etwas größer als der äußere Radius der Pol¬ fläche 122 des Polringsegments 118 und ist somit kleiner als der Radius des Polringsegments 118 im Bereich der Spule 115. Das Pol¬ ringsegment 118 weist einen Permanentmagnet 123 auf, wodurch das Hybridlager 114 auch im nicht bestromten Zustand der Spulen 115 ein Magnetfeld erzeugt. Eine Äquipotentiallinie 124 zeigt schema¬ tisch den Verlauf des magnetischen Kreises, welcher über die Axiallagerplatte 120 geschlossen ist. Im Gegensatz zu früheren Darstellungen sind die Pfeilgrößen hier nicht proportional zur magnetischen Flussdichte. Die Linie XII-XII in Fig. 13 zeigt die axiale Lage des in Fig. 12 dargestellten Querschnitts an.
Die schaubildliche Darstellung des Drei-Segment-Hybridlagers 114 in Fig. 14 zeigt den Grund für den in Fig. 12 ersichtlichen Abstand 125 zwischen den Spulen 115 in Umfangsrichtung : aufgrund des konvergierenden Spulenquerschnitts füllen die Spulen 115 unterhalb ihrer Oberseite 126 nicht den gesamten Abstand zwischen den parallel zur Achse angeordneten Endflächen 127 der Polringsegmente 118, da sich dieser Abstand nach dem maximalen Spulenquerschnitt an der Oberseite 126 richtet. Um trotz dieses Ab- stands ein in Umfangsrichtung möglichst homogenes Magnetfeld zu erzeugen und Feldgradienten in Umfangsrichtung zu vermeiden, weisen die Polringsegmente 118 unterhalb der Spule 115, d.h. in ei¬ nem Bereich zwischen Spule 115 und Polfläche 122 in Umfangsrich- tung einen Vorsprung 128 auf. Die Länge des Vorsprungs 128 ent¬ spricht etwa dem Abstand zwischen den Endflächen 127 der Pol- ringsegmente 118, so dass hinsichtlich geringer Flussgradienten in der rotierenden Axiallagerplatte keine oder nur eine minimale Lücke zwischen den Polflächen 122 entsteht, bzw. hinsichtlich bestmöglicher Trennung der Flüsse der Magnetzweige ein möglichst großer Abstand sinnvoll ist, wobei ein Kompromiss zwischen der erzielten Flusstrennung und der Vermeidung von Ummagnetisierungs- verlusten gewählt wird. An einer von der Axiallagerplatte 120 ab¬ gewandten Seite des gemeinsamen Polkörpers 117 sind Montagebohrungen 129 zur Befestigung des Hybridlagers 114 an einem Mantel 130 vorgesehen.
In Fig. 15 ist eine Vorrichtung 131 mit einer magnetisch gelagerten Welle 132 mit zwei Axialmagnetlagern 30, 114 gezeigt. Das untere Axialmagnetlager 30 entspricht einer bereits in Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Anordnung, weshalb diesbezüglich auf frühere Beschreibungen verwiesen wird. Das obere Axialmagnetlager 114 ist ein Drei-Segment-Hybridlager 114 gemäß Fig. 12 bis 14, welches mit einem Mantel 130 verbunden ist, wobei der Mantel 130 auf einer Trägereinheit 133 angebracht ist. Bei dieser Variante ist das Hybridlager 114 zum Tragen der statischen Last sowie zur Ausregelung von Beschleunigungen des Rotors eingerichtet, wobei sich die maximale negative durch das Lager auf den Rotor wirkende Kraft bei vollständiger Kompensation des permanentmagnetischen Flusses ergibt, im bestmöglichen Fall somit entsprechend -lg wirksame Beschleunigung auf den Rotor. Für größere negative Be¬ schleunigungen wird das untere Axialmagnetlager 30 zusätzlich aktiviert. Sofern der mittels des Axiallagers zu kompensierende Ab¬ solutbetrag der Beschleunigung kleiner als die auf den Rotor wirkende Schwerkraft ist, kann auf das untere Axialmagnetlager 30 verzichtet werden.
Fig. 16 zeigt eine Vorrichtung 134 mit einer magnetisch gelagerten Außenläuferkonstruktion 135. Der Schwungmassen-Rotor 136 ist in an sich bekannter Weise auf mehreren Radialmagnetlagern 137 gelagert und in einer Umhüllung 138 eingeschlossen. An den entlang der Drehachse 139 äußeren Enden des Rotors 136 ist jeweils eine kreisringförmige Axiallagerplatte 140 angeordnet, welche je¬ weils mit einem im Prinzip ähnlich dem Lager 29 gemäß Fig. 4 aufgebauten Axialmagnetlager 141 in magnetischer Wechselwirkung steht. Die beiden Axialmagnetlager 141 sind gleich aufgebaut. Jedes Axialmagnetlager 141 weist zwei bezüglich der Drehachse 139 gegenüberliegende bzw. in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Lagerzweige 142, 143 mit jeweils einer Spule 144 und nur einen einzigen gemeinsamen Pol 145 auf, welcher Pol 145 radial außenseitig der Lagerzweige 142, 143 angeordnet ist. Demzufolge befindet sich zwischen den Lagerzweigen 142, 143 kein magnetisches Material, so dass eine Flusstrennung der Lagerzweige 142, 143 erzielt wird. Der gemeinsame Pol 145 ist kreisringförmig mit einem L-förmigen Querschnitt, wobei eine Seitenwand 146 im We¬ sentlichen parallel zur Drehachse 139 und eine Grundfläche 147 senkrecht zur Drehachse 139 angeordnet ist. Die Seitenwand 146 weist einen zur Axiallagerplatte 140 hin konvergierenden Querschnitt auf, wobei die Außenseite 148 im Wesentlichen zylindrisch ist. Die Spulen 144 sind an der radialen Innenseite der Seitenwand 146 angeordnet und von Polsegmenten 149 durchsetzt. Die Pol¬ segmente bzw. Polringsegmente 149 erstrecken sich von der Grund¬ fläche 147 des gemeinsamen Pols 145 parallel zur Drehachse 139 durch die Spule 144 hindurch bis zur gegenüberliegenden Seite, wo sie sich radial nach außen erweitern und schließlich unter etwa 45° zur Axiallagerplatte 140 hin abzweigen um eine kreisringseg- mentförmige Polfläche 150 zu bilden, welche konzentrisch inner¬ halb und in einer Ebene mit einer Polfläche 151 des gemeinsamen Pols 145 angeordnet ist. Ein Abschnitt 152 der Polringsegmente 149 ist permanentmagnetisch bzw. weist einen Permanentmagnet auf und erzeugt somit auch ohne Strom ein konstantes Magnetfeld. Auf¬ grund des Profils des gemeinsamen Pols 145 und insbesondere der Polringsegmente 149 kann die Axiallagerplatte 140 eine geringe radiale Ausdehnung und Oberfläche senkrecht zur Drehachse 139 aufweisen, welche insbesondere kleiner ist als die Seitenflächen der Spulen 144 senkrecht zur Drehachse 139. Die Spulen 144 in diesem Beispiel haben einen etwa quadratischen Querschnitt, was eine einfache Fertigung ermöglicht. Die geringe Oberfläche der Axiallagerplatte 140 ermöglicht insgesamt besonders kleine Abmes¬ sungen, insbesondere einen vergleichsweise großen Innendurchmes¬ ser, und ermöglicht dadurch einerseits eine leichte Assemblier- barkeit und andererseits einen großen Außendurchmesser des Innen- dorns 153, wodurch dessen Steifigkeit zunimmt und somit höhere Rotordrehzahlen unterhalb der ersten Eigenfrequenz des Dorns mög- lieh werden.
In Fig. 17 ist eine Vorrichtung 154 gezeigt, deren grundsätzlicher Aufbau einige Ähnlichkeit mit der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung 53 hat, weshalb im folgenden vergleichbare Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Axiallagerplatte 32 am oberen Ende der Welle 49 weist zwei axial getrennte Platten¬ teile 46, 61 auf, welche in einem Axialmagnetlager 155 gelagert sind. Zwischen den Plattenteilen 46, 61 ist ein Distanzring 60 aus nicht-magnetischem Werkstoff angeordnet, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als jener des kleineren der benachbarten Plattenteile 46. Die Seitenflächen beider Plattenteile 46, 61 sind zylindrisch und parallel zur Rotationsachse 35. Das Axialmagnet¬ lager 155 weist zwei Lagerzweige 156, 157 auf, welche koaxial teilweise ineinander bzw. einander überlappend angeordnet sind. Der innere Lagerzweig 156 ist durch ein Hybridlager 41 gebildet und der äußere Lagerzweig 157 durch ein ringförmiges Lager, im Folgenden als Ringlager 158 bezeichnet. Dementsprechend ist der obere, kleinere Plattenteil 46 der Axiallagerplatte 32 dem Hy¬ bridlager 41 zugeordnet. Das Hybridlager 41 besteht aus einem äußeren Polring 44, welcher eine Ringspule 42 mit rechteckigem Querschnitt umschließt. In der Ringspule 42 ist ein massiver zy¬ lindrischer Innenpol 43 angeordnet, der in Richtung der Drehachse 35 in zwei weichmagnetische Abschnitte 62 und dazwischen einen Permanentmagnet 51 unterteilt ist. Der Innenpol 43 steht auf ei¬ ner dem Plattenteil 46 gegenüberliegenden Seite der Ringspule 42 mit dem äußeren, zylindrischen Polring 44 in Kontakt. Auf der Seite der Polflächen 52, 63 sind die Polkörper 43, 44 bis zum Plattenteil 46 durch die Ringspule 42 getrennt, d.h. eine der Axiallagerplatte 32 zugewandte Seite der Ringspule 42 schließt im Wesentlichen mit den Polflächen 52, 63 des Hybridlagers 41 ab.
Der größere der beiden Plattenteile 61 ist an dem Ringlager 158, welches eine einzelnen, konzentrische Ringspule 159 aufweist, ge¬ lagert. Die Ringspule 159 umgibt einen inneren Polring 160 und ist ihrerseits von einem äußeren Polring 161 umgeben, wobei die beiden Polringe 160, 161 in einem betriebsbereiten Zustand des Ringlagers 158 miteinander verbunden sind. Aufgrund des konzentrischen, vollständig kreisringförmigen Aufbaus des Ringlagers 158 weist das zur Lagerung des zugeordneten Plattenteils 61 erzeugte Magnetfeld eine durchgehend azimutal homogene Flussdichte auf und es kann demzufolge eine annähernd wirbelstromfreie Lage¬ rung erzielt werden.
Die Profile der Polringe bzw. Polschuhe 160, 161 weisen in diesem Beispiel keine gegenüber der Achse geneigten, sondern ausschlie߬ lich parallele oder senkrechte Linien auf, d.h. es sind allgemein rechteckige Querschnittsformen gegeben. Dies ändert nichts an der prinzipiellen Funktionsfähigkeit des gezeigten Lagers und der Vorteil derartiger Polschuhe 160, 161 liegt vor allem in der einfachen und günstigen Herstellung. Analog zu der in Fig. 7 gezeigten und beschriebenen Vorrichtung 53 weist auch das Axialmagnetlager 155 eine Flusstrennung zwischen den Lagerzweigen 156, 157 auf, die durch die vollständige Separation der Lager 41, 158 und zugleich Unterteilung der Axiallagerplatte 32 in die Plattenteile 46, 61, sowie magnetische Trennung der Plattenteile 46, 61 er¬ zielt wird. Wie in Fig. 17 besonders klar ersichtlich ist der Innendurchmesser des äußeren Lagerzweigs 157 bzw. des Ringlagers 158 größer als der Außendurchmesser des dem inneren Lagerzweig 156 zugeordneten Plattenteils 46, so dass eine einfache Zerleg¬ barkeit der Vorrichtung 154 erzielt wird.
Auch wenn in den hier gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispielen die speziellen Polformen nur gemeinsam mit einer Flusstrennung zwischen zwei Lagerzweigen beschrieben wurde, ist es dem Fachmann daraus unmittelbar ersichtlich, dass ein Teil der Vorteile der vorliegenden Erfindung auch mit nur einem Lagerzweig erzielbar ist. Insbesondere können die vorteilhaft geringen Abmessungen der Axiallagerplatten anhand der speziellen, hier beschriebenen Polformen erzielt werden, unabhängig davon, ob einer oder mehrere Lagerzweige vorliegen. Demzufolge betrifft die Erfindung die kom¬ pakten Polformen auch dann, wenn nur eine einzige Spule zum Einsatz kommt. Insbesondere sind damit ganz allgemein ene Polformen von Axialmagnetlagern gemeint, die einen linear oder nicht-linear in Richtung einer Axiallagerplatte konvergierenden Querschnitt und/oder einen sich von einer Spule zu einer Axiallagerplatte abnehmenden radialen Polabstand aufweisen.

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung (40, 134) zur magnetischen Axiallagerung eines, eine mit ihm verbundene Axiallagerplatte (32, 140) aufweisenden Rotors in einem Axialmagnetlager (54, 114) mit zumindest zwei unabhängig ansteuerbaren Lagerzweigen (3, 4, 41), welche jeweils zumindest eine Spule (5, 42, 115, 144) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Flusstrennung der Lagerzweige (3, 4, 41) vorgesehen ist, wobei die Flusstrennung darin besteht, dass zumindest zwei der Lagerzweige (3, 4) in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind und einen einzigen gemeinsa¬ men Pol (9, 117, 145) aufweisen, welcher einen kreisförmig geschlossenen Umfang aufweist, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse
(35, 139) des Rotors angeordnet ist, wobei die Spulen (5, 115, 144) mit dem gemeinsamen Pol (9, 117, 145) verbundene Polsegmente
(11, 118, 149) umgeben und der gemeinsame Pol (9, 117, 145) entweder radial innenseitig oder radial außenseitig der Polsegmente
(11, 118, 149) angeordnet ist, und/oder darin, dass die Axialla¬ gerplatte (32) in zumindest zwei koaxiale, jeweils unterschiedli¬ chen Lagerzweigen (3, 4 bzw. 41) zugeordnete Plattenteile (46, 61, 86, 94) geteilt ist, welche durch einen nicht-magnetischen Werkstoff, beispielsweise in Form eines Distanzrings (60), ge¬ trennt sind, wobei die den Plattenteilen (46, 61, 86, 94) zugeordneten Lagerzweige (3, 4 bzw. 41) koaxial teilweise ineinander bzw. überlappend angeordnet sind.
2. Vorrichtung (40, 134) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Pol (9, 117, 145) eine einzige, durchge¬ hende kreisförmige oder kreisringförmige Polfläche (16, 151) auf¬ weist und die Spulen (5, 115, 144) im Wesentlichen mit der Polfläche (16, 151) konzentrische Kreisbögen beschreiben.
3. Vorrichtung (40, 134) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (5, 115, 144) in Umfangsrichtung im Wesentlichen unmittelbar aufeinander folgen.
4. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polsegmente (11, 118, 149) im We¬ sentlichen mit der Polfläche (16, 151) des gemeinsamen Pols (9, 117, 145) konzentrische, kreisbogenförmige Polflächen (17, 122, 150) aufweisen.
5. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen (17, 122, 150) der Polsegmente (11, 118, 149) in Umfangsrichtung im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließen.
6. Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den teilweise ineinander bzw. überlap¬ pend angeordneten Lagerzweigen (3, 4 bzw. 41) der Innendurchmesser des eines äußeren Lagerzweigs (3, 4) größer ist als der Au¬ ßendurchmesser des einem inneren Lagerzweig (41) zugeordneten Plattenteils (46) der Axiallagerplatte (32) .
7. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen einem inneren Pol (9, 117) bzw. Polsegment (149) und einem äußeren Polsegment (11, 118) bzw. Pol (145) zumindest eines Lagerzweigs (3, 4, 41) mit zunehmendem Abstand zur Axiallagerplatte (32, 140) größer wird.
8. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Innen- und Außen¬ kontur zumindest eines Pols (9, 117, 145) oder Polsegments (11,
118, 149) in Richtung der Axiallagerplatte (32, 140) hin abnimmt.
9. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polsegmente (118) unterhalb der Spule (115), insbesondere in einem Bereich zwischen Spule (115) und Polfläche (122), in Umfangsrichtung einen Vorsprung (128) aufweisen, wobei die Länge des Vorsprungs (128) etwa dem Abstand (125) zwischen den Endflächen (127) der Polsegmente (118) entspricht .
10. Vorrichtung (134) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Axiallagerplatte (140) in ei¬ ner Ebene senkrecht zur Drehachse (139) kleiner ist als die Summe der Flächen der Spulen (144) und Pole (145) und Polsegmente (149) in einer Ebene senkrecht zur Drehachse (139) .
11. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Axialmagnetlager (54) eine gerade Anzahl von symmetrisch zur Drehachse (35) angeordneten, in Um- fangsrichtung aufeinander folgenden Spulen (5) aufweist.
12. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialmagnetlager (54) zumindest einen Permanentmagnet (51), bevorzugt zumindest einen Hybridma¬ gnet (43, 51) mit einem Permanentmagnet (51) und einem Elektroma¬ gnet (43), aufweist.
13. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Spulen (5, 144) einen zur Axiallagerplatte (32, 140) hin konvergierenden Querschnitt und/oder abnehmenden Radius aufweist.
14. Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Positionssensoren (34, 104) vorgesehen sind, welche jeweils unterschiedlichen Lagerzweigen (2, 3, 41) zugeordnet sind.
15. Verfahren zur magnetischen Lagerung eines Rotors mit einer Vorrichtung (40, 134) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (5, 42, 144) durch entkoppelte Regelsysteme (99, 100, 101) angesteuert werden und bei Ausfall einer Spule (5, 42, 144) die verbleibenden Spulen (42, 5, 144) die Lagerung und Stabilisierung des Rotors übernehmen.
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