PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10034922C2 16.01.2003
Titel Magnetische Lagerung
Anmelder Atlas Copco Energas GmbH, 50999 Köln, DE
Erfinder Canders, Wolf-Rüdiger, 37520 Osterode, DE;
May, Hardo, 38124 Braunschweig, DE
Vertreter Andrejewski, Honke & Sozien, 45127 Essen
DE-Anmeldedatum 18.07.2000
DE-Aktenzeichen 10034922
Offenlegungstag 07.02.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.01.2003
IPC-Hauptklasse F16C 32/04

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung eines Rotors in einem Stator.

Die DE 197 27 550 A1 offenbart eine magnetische Lagerung, bei der der Rotor in zwei kegelstumpfförmigen, sich axial gegenüberliegenden und hinsichtlich ihrer Kegelstumpfform spiegelbildlich zueinander ausgebildeten Magnetlagern gelagert ist. Jedes dieser Radial-Magnetlager weist einen Statorteil und einen hierzu in Betriebsstellung koaxial berührungslos angeordneten Rotorteil auf, dessen Lagerwirkfläche durch ein Permanentmagneten aufweisendes radiales Erregersystem gebildet ist, während der Statorteil einen das radiale Erregersystem unter Einhaltung eines ringförmigen Luftspaltes konzentrisch umschließenden Hochtemperatursupraleiter aufweist. Für diese magnetische Doppellagerung ist ein bestimmtes Einfrierverfahren beschrieben, unter dem man die Art der Transition in den supraleitenden Zustand versteht. Danach wird zuerst das eine der beiden Magnetlager und anschließend das andere Magnetlager abgekühlt. Während des Kaltfahrens wird der Rotor zuerst mit seinem einen Lagerabschnitt bis zum Anschlag in das eine Magnetlager verschoben und anschließend bis zum Anschlag in das andere Magnetlager verschoben. Nach der Abkühlung beider Magnetlager ergibt sich dann eine axiale Verspannung der beiden wirksamen Lagerabschnitte des Rotors. Bei einem abgewandelten Verfahren zum Einbringen des Rotors in seine Betriebsstellung bei Verwendung einer magnetischen Doppellagerung wird ein Rotor mit vertikaler Achse verwendet, der nach oben in das obere Magnetlager bis zur Anlage des Rotorteils an dessen Statorteil geschoben wird, worauf beide Magnetlager gleichzeitig kalt gefahren und anschließend der Rotor freigegeben werden.

Offenbart ist in der genannten Vorveröffentlichung außerdem ein zusätzliches Axiallager, zu dessen Bildung der Statorteil in einer axial außenliegenden Stirnwandung einen ringförmigen Abschnitt des Hochtemperatursupraleiters aufweist, dem ein aus Permanentmagneten zusammengesetzter Magnetring zugeordnet ist, der in ein mit dem Rotor in Rotationsverbindung stehendes Turbinenlaufrad oder dergleichen integriert ist.

Im Sprachgebrauch haben sich für drei unterschiedliche Einfrierverfahren folgende Bezeichnungen eingebürgert:

  • - Einfrieren ohne Feld (Zero Field Cooling) = ZFC
  • - das Einfrieren unter Betriebsfeld in Arbeitsposition oder mit Verschiebung zur Arbeitsposition (Operational Field Cooling) = OFC und (Operational Field Cooling with Offset) = OFCo oder
  • - das Einfrieren in größtmöglicher Annäherung an den Erregermagneten (Maximum Field Cooling) = MFC.

All diesen Methoden gemeinsam ist, dass das zu lagernde Bauteil, beispielsweise der Rotor einer Maschine, nach dem Einfrieren aus einer Einfrierposition durch Kräfte, z. B. Eigengewicht oder Betriebslasten, in die Betriebsposition verschoben werden muss. Wegen der nichtlinearen Federkennlinie des Lagers, die bei OFC, OFCo, ZFC häufig progressiv, beim MFC hingegen degressiv ist, ist für diese Verschiebung ein Mindestweg erforderlich, um in einen Arbeitspunkt mit ausreichender Steifigkeit zu gelangen. Dabei ist als Nebenbedingung häufig gefordert, dass der Arbeitspunkt des Lagers mit der geometrischen Mittellinie des Lagergehäuses zusammenfällt. Bei vielen Anwendungsfällen ist dieser verfügbare Bewegungsfreiheitsgrad des Rotors jedoch aus konstruktiven Gründen stark eingeschränkt. Dies hat zur Folge, dass die erforderliche Steifigkeit des Lagers im Arbeitspunkt durch eine entsprechend große Oberfläche eingestellt werden muss, was jedoch unnötig hohe Kosten und unpraktikabele Abmessungen des Lagers zur Folge hat.

Aus der JP 11-315 836 A ist ein Magnetlager bekannt, das einen Stator und einen in Betriebsstellung koaxial berührungslos angeordneten Rotor aufweist. Vorhanden ist ein radiales Erregersystem aus Permanentmagneten. Der Stator weist einen das Erregersystem unter Einhaltung eines ringförmigen Luftspaltes konzentrisch umschließenden Hochtemperatursupraleiter auf, der in zwei kreissegmentförmige Teilschalen geteilt ist, die durch Vorrichtungen verschiebbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die spezifische Steifigkeit von supraleitenden Lagerungen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer magnetischen Lagerung eines Rotors in einem Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei kann es zur Gewichtskompensation des Rotorgewichtes zweckmäßig sein, wenn die beiden Halbschalen in ihrer warmen Position von dem radialen Erregersystem einen unterschiedlichen ersten radialen Abstand aufweisen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung sind zwei als Beispiele dienende Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine magnetische Radiallagerung eines Rotors;

Fig. 2 in gegenüber Fig. 1 etwas vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch eine magnetische Radiallagerung eines Rotors;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine magnetische Axiallagerung eines Rotors und

Fig. 4 Kraft-Weg-Kennlinien für eine obere und eine untere Lagerhälfte einer Ausführungsform gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Radial-Magnetlager 1, das einen Statorteil 2 und einen hierzu in Betriebsstellung koaxial berührungslos angeordneten, als Welle dargestellten Rotorteil 3 aufweist, dessen Lagerwirkfläche durch ein Permanentmagneten 4 mit zwischengeschalteten Polschuhen 5 aufweisendes radiales Erregersystem 6 gebildet ist.

Der Statorteil 2 weist einen das radiale Erregersystem 6 unter Einhaltung eines ringförmigen Luftspaltes 10 konzentrisch umschließenden Hochtemperatursupraleiter (HTSL) auf, der erfindungsgemäß in zwei kreissegmentförmige HTSL-Halbschalen 7 8 geteilt ist, die auf ihrer dem radialen Erregersystem 6 zugewandten Segmentfläche mit einer thermischen Isolierung 9 abgedeckt sind und in ihrer in Fig. 1 dargestellten Arbeitsposition von dem die Lagerwirkfläche bildenden radialen Erregersystem 6 einen radialen Abstand δ0 aufweisen.

Fig. 2 lässt erkennen, dass die beiden HTSL-Halbschalen 7, 8 bei warmem Lagerzustand die gestrichelt eingezeichneten Positionen einnehmen, in der die obere HTSL-Halbschale 7' von der mittleren Trennfuge 11 einen radialen Abstand δk1 und die untere HTSL-Halbschale 8' einen radialen Abstand von δk2 aufweist, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel δk2 > δk1 ist. Die HTSL-Halbschalen 7, 8 werden vor dem Übergang in den supraleitenden Zustand mit Hilfe eines Aktuators 12, der eine Motorspindel 13 aufweisen kann, in die gestrichelt eingezeichnete Position auseinandergefahren, so dass sich eine radiale Luftspaltdicke δk > δ0 ergibt. Nachdem das Lager unter die Sprungtemperatur heruntergekühlt worden ist, werden die HTSL- Halbschalen 7, 8 mit Hilfe der Aktuatoren 12 in die mit ausgezogenen Linien dargestellte Arbeitsposition zusammengefahren, bis sich der in Fig. 1 eingezeichnete Betriebsspalt δ0 einstellt.

Gemäß Fig. 2 sind die Radialspalte δk für die obere und untere Lagerschale 7', 8' unterschiedlich gewählt, um durch diese Unsymmetrie eine Gewichtskompensation des Rotorgewichtes zu erzielen, wobei der Rotorteil 3 nahezu exakt in der geometrischen Mitte des Radial-Magnetlagers 1 verbleibt. Aufgrund der jetzt für die obere HTSL-Halbschale 7 und untere HTSL-Halbschale 8 progressiven Kraft-Weg- Kennlinie kann nunmehr bei entsprechender Auslegung der Aktuatoren 12 ein Arbeitspunkt der Lagerung eingestellt werden, der eine deutlich höhere Steifigkeit im Arbeitspunkt aufweist. Verwiesen wird hierzu auf Fig. 4, wo die prinzipiellen Kennlinien des OFCo-Verfahrens für die obere und untere HTSL-Halbschale 7, 8 dargestellt ist. In diesem Diagramm gibt der auf der Fy-Kraftachse angegebene Punkt m.g das Gewicht des gesamten Rotors an.

Durch Überlagerung der Steifigkeitskennlinien lässt sich für jede HTSL- Halbschale/radiale Erregersystem-Kombination eine erhöhte Steifigkeit der Gesamtlagerung im Arbeitspunkt erzielen.

Fig. 3 zeigt eine Axiallagerung 14, die zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Radial-Magnetlager 1 vorgesehen werden kann.

Die Axiallagerung 14 weist zwei einander gegenüberliegende, in axialem Abstand voneinander angeordnete, jeweils mit Permanentmagneten 15 bestückte axiale Erregersysteme 16 auf, die jeweils eine axial gerichtete ringscheibenförmige Lagerwirkfläche des Rotorteils 3 bilden. Diesen beiden axialen Erregersystemen 16 ist als Statorteil 17 jeweils eine koaxial zum Rotorteil 3 angeordnete plane ringscheibenförmige HTSL-Axiallagerscheibe 18, 19 zugeordnet, die aus einer gestrichelt eingezeichneten Position bei warmem Lagerzustand, in der jede HTSL-Axiallagerscheibe 18', 19' von dem zugeordneten axialen Erregersystem 16 einen ersten axialen Abstand dk aufweist, nach dem Übergang in den supraleitenden Zustand über einen Aktuator 12 in axialer Richtung in eine in durchgehenden Linien dargestellte Arbeitsposition mit einem zweiten, kleineren axialen Abstand d0 von dem axialen Erregungssystem 16 voneinander weg verschiebbar sind.

Die sinngemäße Übertragung des für ein Radial-Magnetlager vorstehend beschriebenen Einfrierverfahrens auf eine Axiallagerung ist besonders vorteilhaft, da gerade bezüglich des axialen Lagerungsfreiheitsgrades bei zahlreichen Anwendungen eine steife Führung des Rotors verlangt wird. Dabei kann bei der erfindungsgemäßen Gestaltung der Axiallagerung auf eine Teilung der planen Axiallagerflächen verzichtet werden; es kommt nur auf eine gegensinnige axiale Verschiebung zweier Lagerflächen an, wobei stets jeweils zwei sich axial gegenüberliegende Lagerflächen gegeneinander verspannt werden.

Ist eine axiale Führung des Rotors über entsprechend ausgebildete Radiallagerflächen sichergestellt, so ist es zweckmäßig, durch eine entsprechende Steuerung bzw. einen geeignet ausgelegten Aktuator beim Zusammenfahren der HTSL-Halbschalen 7, 8 auch für eine Axialverschiebung der HTSL-Axiallagerscheiben zu sorgen, so dass sich gleichzeitig eine Vorspannung in radialer und axialer Richtung erzielen lässt.

Die erfindungsgemäß erzielte radial, axial oder gegebenenfalls axial und radial vorgespannte Lagerung weist eine Anisotropie der Steifigkeit auf, die von der Zahl der verwendeten HTSL-Teilschalen des Radial-Magnetlagers 1 abhängig ist. Bei vorzugsweise zwei verwendeten HTSL-Halbschalen 7, 8 ergeben sich unterschiedliche Steifigkeiten in der Normalenrichtung y (siehe Fig. 1) und in der hierzu Orthogonalenrichtung x (siehe Fig. 1). Diese Anisotropie kann beim Durchfahren kritischer Drehzahlen vorteilhaft genutzt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Magnetische Lagerung eines Rotors in einem Stator, mit

    zumindest einem Radial-Magnetlager (1), das einen Statorteil (2) und einen hierzu in Betriebsstellung koaxial berührungslos angeordneten Rotorteil (3) aufweist, dessen Lagerwirkfläche durch ein Permanentmagneten (4) aufweisendes radiales Erregersystem (6) gebildet ist, während der Statorteil (2) einen das radiale Erregersystem (6) unter Einhaltung eines ringförmigen Luftspaltes (10) konzentrisch umschließenden Hochtemperatursupraleiter aufweist, der in zumindest zwei kreissegmentförmige HTSL-Teischalen (7, 8) geteilt ist, die aus einer Position bei warmem Lagerzustand, in der jede HTSL-Teilschale (7', 8') von dem radialen Erregersystem (6) einen ersten radialen Abstand (δk) aufweist, nach dem Übergang in den supraleitenden Zustand über ein Aktuator (12) in radialer Richtung in eine Arbeitsposition mit einem zweiten, kleineren radialen Abstand (Betriebsspalt δ0) von dem radialen Erregersystem (6) gegeneinander verschiebbar sind;

    einer zusätzlichen Axiallagerung (14), bei der zwei einander gegenüberliegende, in axialem Abstand voneinander angeordnete, jeweils mit Permanentmagneten (15) bestückte axiale Erregersysteme (16) jeweils eine axial gerichtete ringscheibenförmige Lagerwirkfläche des Rotorteils (3) bilden, denen als Statorteil (17) jeweils eine koaxial zum Rotorteil (3) angeordnete plane ringscheibenförmige HTSL-Axiallagerscheibe (18, 19) zugeordnet ist, die aus einer Position beim warmem Lagerzustand, in der jede HTSL-Axiallagerscheibe (18, 19) von dem zugeordneten axialen Erregersystem (16) einen ersten axialen Abstand (δk) aufweist, nach dem Übergang in den supraleitenden Zustand über einen Aktuator (12) in axialer Richtung in eine Arbeitsposition mit einem zweiten, kleineren axialen Abstand (δ0) von dem axialen Erregersystem (16) voneinander weg verschiebbar sind; und mit

    einer Steuerung, die eine gleichzeitige Radial- und Axialverschiebung der HTSL-Teilschalen (7, 8) sowie der HTSL-Axiallagerschalen (18, 19) bewirkt.
  2. 2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatursupraleiter in zwei Halbschalen (7, 8) geteilt ist.
  3. 3. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (12) eine Motorspindel (13) aufweist.
  4. 4. Magnetische Lagerung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbschalen (7, 8) in ihrer warmen Position von dem radialen Erregersystem (6) einen unterschiedlichen ersten radialen Abstand (δk1, δk2) aufweisen.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com