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Dokumentenidentifikation DE2917217C2 23.08.1990
Titel Vorrichtung zur magnetischen Aufhängung mit einem Stator und einem einen Dauermagneten enthaltenden Rotor
Anmelder Organisation Européenne de Recherches Spatiales, Paris, FR
Erfinder Robinson, Alain A., Wassenaar, NL
Vertreter Eitle, W., Dipl.-Ing.; Hoffmann, K., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat.; Lehn, W., Dipl.-Ing.; Füchsle, K., Dipl.-Ing.; Hansen, B., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 27.04.1979
DE-Aktenzeichen 2917217
Offenlegungstag 29.11.1979
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.08.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.1990
IPC-Hauptklasse F16C 32/04
IPC-Nebenklasse H02K 7/09   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur magnetischen Aufhängung mit einem Stator und einem dazu koaxialen Rotor der Gattung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 26 49 182 ist eine magnetische Lagereinrichtung bekannt, bei welcher der Stator zwei scheibenförmige, jeweils in Ringform ausgebildete Spulenträger umfaßt, zwischen denen ein ringförmiger Permanentmagnet angeordnet ist. Die über diesen Permanentmagneten radial überstehenden Ränder der Spulenträger weisen periphäre Ausnehmungen auf, zwischen denen periphär angeordnete Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Flusses verlaufen, und bilden mit Polschuhen eines an einem um den Stator umlaufenden Rotor angeordneten weiteren Permanentmagneten radiale Ringspalte.

Ferner ist aus der DE-OS 25 18 735 ein magnetisches Lager bekannt, bei dem ein ringförmiger Rotor mit U-förmigem Querschnitt von einem oder mehreren Statorelementen, welche jeweils Segmente eines den Rotor umgebenden Ringes bilden und ebenfalls ein U-Profil aufweisen, wobei die freien Enden der U-Profile von Rotor und Stator jeweils radiale Spalte bilden. Die Statorelemente besitzen am Grunde ihrer U-Profile jeweils Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Flusses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß im Ruhezustand der Vorrichtung oder bei starken Erschütterungen eine Schließung der Spalte zwischen Stator und Rotor vermieden wird und nach Anlegen elektrischer Spannung an die Vorrichtung bzw. nach Beendigung der Einwirkung von Erschütterungen auf diese Vorrichtung der Rotor möglichst rasch seine vorgeschriebene Betriebsstellung einnimmt bzw. wiedererlangt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur magnetischen Aufhängung eines Rotors,

Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht des Gegenstandes von Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Bahnen des Magnetflusses beim Gegenstand von Fig. 1,

Fig. 4 den Gegenstand von Fig. 1 in weiterer Ausgestaltung teils im Schnitt, teils in Teilansicht und

Fig. 5 den Gegenstand von Fig. 1 in weiterer Ausgestaltung nach der Erfindung.

Wie Fig. 1 zeigt, weist eine Vorrichtung zur magnetischen Aufhängung eines Rotors im wesentlichen einen Ringstator 1 und einen peripheren Ringrotor 2 auf, der vom Stator durch einen Ringspalt 3 getrennt ist und mit diesem in keiner Weise in mechanischem Kontakt steht. Die Ringe 1 und 2 sind koaxial, ihre gemeinsame Achse ist Z, und sie sind so angeordnet, daß sie in derselben Ebene X-Y gehalten werden, die senkrecht zur Achse Z ist. Der Stator 1 ist so ausgebildet, daß er mittels Befestigungsbügeln 4 an einem Raumfahrzeug befestigt werden kann.

Der Stator 1 ist ein Eisenring mit einem Profil, das im Schnitt U-förmig aussieht, wobei die beiden äußeren Schenkel 11, 13 die zueinander parallelen Polschuhe bilden, die sich senkrecht zur Achse Z erstrecken. Auf dem Stegteil 12 des Stators 1 sind vier elektrische Wicklungen 5 aufgebracht, die sich jeweils über ein Segment des Ringes 1 erstrecken. Diese Wicklungen dienen dazu, die Radialstellung des Rotors bezüglich des Stators entsprechend den Achsen X und Y einzustellen und zu steuern; zu diesem Zweck sind sie in zwei Steuerschleifen angeordnet, die zu elektronischen Vorrichtungen gehören (die nicht dargestellt sind).

Der Ringrotor 2 besteht aus einem ringförmigen Dauermagneten 21, der zwischen zwei ebenen eisernen Polschuhen 22, 23 eingeschlossen ist. Der Ring ist in axialer Richtung magnetisiert. Die Polschuhe 22, 23 erstrecken sich jeweils in den Ebenen der Polschuhe 11, 13 des Stators 1. Der Dauermagnet 21 erzeugt die radialen Magnetflüsse, die in den Ringspalten zwischen den Polschenkeln 11, 13 des Stators und den ebenen Polschuhen 22, 23 des Rotors konzentriert sind, wie Fig. 2 zeigt. Diese Magnetflüsse P erzeugen in den Spalten Kräfte, die die axiale Ausrichtung des Ringrotors bezüglich des Ringstators 1 sicherstellen, wobei die Polschuhe 22, 23 des Rotors dazu angelegt sind, sich zu den Polschenkeln 11, 13 des Stators in einer Weise auszurichten, daß ein magnetischer Kreis mit maximaler Permeabilität entsteht. Der Rotor wird auf diese Weise magnetisiert und passiv in drei Freiheitsgraden positioniert: geradlinige Bewegung entlang der Achse Z, Drehung um die Achse X und Drehung um die Achse Y. Diese Bewegungen führen zu relativen Verschiebungen der Rotorebene bezüglich der Statorebene.

Die Radialstellung des Rotors bezüglich des Stators wird durch die Magnetflüsse R gesteuert, die von den Wicklungen 5 erzeugt werden, welche auf das Stegteil 12 des Stators in der Weise aufgewickelt sind, daß die Wicklungsachsen immer auf den Achsen X und Y liegen.

Betrachtet man nun zum Beispiel die Steuerung der Lage auf der X-Achse, so ergibt sich, daß die Wicklungen auf jeder Achse in der Weise aufgewickelt sind, daß sie einen Magnetfluß in gleicher Richtung entlang der jeweiligen Achse erzeugen. Fig. 3 zeigt die Bahn der Steuerflüsse in dem Fall, daß die Wicklungen auf der X-Achse von einem Strom in einer Richtung erregt werden. Durch Vergleich von Fig. 2 mit Fig. 3 wird ersichtlich, daß sich die Steuerflüsse R zum permanenten Magnetfluß P für die Aufhängung (Fig. 2) in den Spalten 3 addieren, die in der Zeichnung links liegen, und daß sie zum Magnetfluß für die Aufhängung in den in der Zeichnung rechts liegenden Spalten entgegengesetzt sind. Daraus ergibt sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Wirkkraft auf den Rotor 2 in der Richtung +X. Bei einem umgekehrten Strom in den Wicklungen auf der X-Achse erzeugt man eine resultierende Wirkkraft in der Richtung -X. Wenn die Wicklungen auf der Y-Achse erregt werden, ergibt sich ein ähnlicher Ablauf.

Man wird feststellen, daß die Steuerflüsse in den Ringen 22, 23 des Rotors an der Peripherie verlaufen, ohne durch den ringförmigen Dauermagneten 21 zu fließen (in Fig. 3 nicht dargestellt, aber in Fig. 2 ersichtlich). Diese Besonderheit macht es möglich, die erforderlichen Kräfte zur radialen Positionierung mit relativ kleineren Wicklungen zu erzeugen, da die magnetisch treibenden Kräfte dieser Wicklungen nicht den magnetischen Widerstand überwinden müssen, der beim Dauermagneten normalerweise groß ist.

Auf seinem äußeren Umfang trägt der Rotor 2 einen Außenring 25 aus nicht-magnetischem Material, der zur Einstellung und Justierung der Rotormasse auf dem gewünschten Wert dient. Dieser Ring kann auch dazu dienen, die Zentrifugalkräfte in den Eisenteilen des Rotors innerhalb annehmbarer Grenzen zu halten.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten verbesserten Ausführungsbeispiel ist der Ring 25 von einem zweiten Ring 26 aus magnetischem Material umgeben, um eine Bahn mit geringem magnetischen Widerstand für die von den Wicklungen 5 erzeugten Magnetflüsse zu schaffen, was dazu beiträgt, den magnetischen Widerstand und folglich den Energieverbrauch zu verringern.

Bei einem anderen verbesserten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 trägt der Stator auf der Außenfläche eines seiner ebenen Schenkel - im vorliegenden Fall des Schenkels 11 - einen Außenring 14 aus nicht-magnetischem Material, dessen Breite kleiner als die Breite des Spaltes 3 ist. Dadurch, daß der Ring 14 vorhanden ist, wird verhindert, daß der Spalt geschlossen wird, wenn die Anordnung zur magnetischen Aufhängung nicht in Betrieb ist.

Um den Rotor um die Achse Z in Drehung zu versetzen, sind auf dem unteren Polschuh 23 des Rotors mehrere flache Dauermagneten 24 vorgesehen, die auf dessen äußerem Umfang verteilt und mit alternierender magnetischer Polarisierung so angeordnet sind, daß die Pole eines Antriebsmotors für den Rotor gebildet werden. Auf einen nicht-leitenden flachen Ring 15, der am Stator so befestigt ist, daß er etwas von den Flachmagneten 24 entfernt ist, ist eine Spulenanordnung 16 aufgewickelt.

Zusammenfassend bezieht sich die Erfindung auf einen Ringstator, der von einem peripheren Rotor umgeben ist. Der Rotor weist einen ringförmigen Dauermagneten auf, um einen Magnetfluß zu erzeugen, der dazu dient, die axiale Ausrichtung zum Stator sicherzustellen. Der Stator hat einen U-förmigen Querschnitt, wobei sich ein zylindrischer ringförmiger Teil parallel zur gemeinsamen Achse von Stator und Rotor erstreckt; weiterhin weist der Stator zwei ebene parallele ringförmige Schenkel auf, die sich senkrecht zur gemeinsamen Achse erstrecken, wobei der zylindrische ringförmige Abschnitt die elektrischen Wicklungen trägt, die sich über die Länge abgegrenzter Segmente erstrecken, um die Magnetflüsse zur Steuerung der Aufhängung zu erzeugen.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur magnetischen Aufhängung mit einem Stator und einem dazu koaxialen Rotor, wobei
    1. a) der Stator (1) und der Rotor (2) mechanisch zueinander frei sind,
    2. b) der Rotor (2) einen ringförmigen Dauermagneten (21) aufweist, der in Richtung der Rotationsachse (Z) der Vorrichtung magnetisiert und zwischen zwei ringförmigen, parallelen Polschuhen (22, 23) eingeschlossen ist, die sich senkrecht zur Rotationsachse (Z) erstrecken,
    3. c) der Stator (1) zwei parallele ringförmige Schenkel (11, 13) aufweist, die sich jeweils in der gleichen Ebene wie die ringförmigen Polschuhe (22, 23) des Rotors (2) erstrecken und mit den Polschuhen (22, 23) zwei jeweils dazwischen liegende ringförmige Radialspalte (3) bilden,
    4. d) auf dem Stator (1) mehrere elektrische Wicklungen (5) angeordnet sind, die sich jeweils über die Länge eines abgegrenzten Segmentes erstrecken und bei Stromdurchfluß Magnetflüsse erzeugen, die durch die Radialspalte (3) strömen und sich über den Umfang der ringförmigen Polschuhe (22, 23) des Rotors schließen,
  2. dadurch gekennzeichnet, daß
    1. e) der Stator (1) einen Ring aufweist, der mit den ringförmigen Schenkeln (11, 13) einen U-förmigen Querschnitt bildet und dessen zylindrisches Stegteil (12) sich parallel zur Rotationsachse (Z) erstreckt,
    2. f) die Wicklungen (5) am zylindrischen Stegteil (12) des Stators (1) verlaufen, wobei die Wickelachsen in einer zur Rotationsebene (Z) senkrechten XY-Ebene liegen, um einen radialen Fluß im Stegteil (12) parallel zur Rotationsachse (Z) zu erzeugen, und
    3. g) der Stator (1) auf einem seiner ringförmigen Schenkel (11, 13) einen Außenring (14) aus nicht-magnetischem Material trägt, dessen Breite kleiner ist als die Breite des Radialspaltes (3) im Betriebszustand der Vorrichtung.
  3. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Schenkel (11, 13) des Stators (1) Polschuhe bilden.
  4. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (5) um den zylindrischen Stegteil (12) gewickelt sind.
  5. 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) einen Außenring (25) aus nicht-magnetischem Material aufweist, welcher auf seinem äußeren Umfang zum Einstellen oder Nachstellen der Masse auf einen gewünschten Wert befestigt ist.
  6. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (25) von einem zweiten Ring (26) aus magnetischem Material umgeben ist.
  7. 6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der ringförmigen Polschuhe (22, 23) des Rotors (2) mehrere flache Dauermagnete (24) trägt, die über seinen äußeren Umfang verteilt und mit alternierenden magnetischen Polarisierungen so angeordnet sind, daß Pole für einen Antriebsmotor für den Rotor (2) entstehen, und daß ferner der Stator (1) einen nicht-leitenden Flachring (15) trägt, welcher sich auf der Seite der flachen Dauermagnete (24) diesen gegenüber erstreckt und eine Anordnung elektrischer Spulen (16) trägt, so daß das Magnetfeld des Motors entsteht.






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