DE102012209274A1

DE102012209274A1 - Bearing device for non-contact storage of a rotatable body, arrangement and electrical reluctance machine

Info

Publication number: DE102012209274A1
Application number: DE102012209274A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Dominik Bergmann; Andreas Gödecke; Christian Tump; Marco Cyriacks; Guillaume Pais
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2013-12-05
Also published as: WO2013178603A3; WO2013178603A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung (5) zur berührungslosen Lagerung eines drehbaren Körpers (2), mit einem ersten magnetischen Lager (9, 10) und mit einem zum ersten Lager (9, 10) in axialer Richtung (7) versetzt angeordneten zweiten magnetischen Lager (9, 10), wobei das erste und das zweite Lager (9, 10) jeweils zumindest zwei Magnete (11 bis 14) zur magnetischen Lagerung des drehbaren Körpers (2) aufweisen, welche in Umfangsrichtung verteilt angeordnet und zum Erzeugen einer magnetischen Haltekraft sowohl in radialer Richtung (8) als auch in axialer Richtung (7) auf den drehbaren Körper (2) ausgebildet sind, wobei die Magneten (11 bis 14) jeweils eine in radialer Richtung (8) weisende erste Flussdurchgangsfläche (31 bis 34), über welche die Haltekraft in radialer Richtung (8) erzeugbar ist, und eine von der ersten Flussdurchgangsfläche (31 bis 34) verschiedene, in axialer Richtung (7) weisende zweite Flussdurchgangsfläche (40 bis 43) aufweisen, über welche die Haltekraft in axialer Richtung (7) erzeugbar ist, wobei ein magnetischer Fluss (35) des jeweiligen Magneten (11 bis 14) sowohl durch die erste als auch durch die zweite Flussdurchgangsfläche (31 bis 34, 40 bis 43) verläuft.The invention relates to a bearing device (5) for non-contact mounting of a rotatable body (2), with a first magnetic bearing (9, 10) and with a first magnetic bearing (9, 10) in the axial direction (7) arranged second magnetic bearing (9, 10), wherein the first and the second bearing (9, 10) each have at least two magnets (11 to 14) for magnetically supporting the rotatable body (2) distributed in the circumferential direction and for generating a magnetic holding force both in the radial direction (8) and in the axial direction (7) on the rotatable body (2) are formed, wherein the magnets (11 to 14) each in the radial direction (8) facing first flow passage surface (31 to 34) which the holding force in the radial direction (8) can be generated, and one of the first flow passage surface (31 to 34) different, in the axial direction (7) facing second flow passage area (40 to 43) over which the stop ekraft in the axial direction (7) is generated, wherein a magnetic flux (35) of the respective magnet (11 to 14) through both the first and by the second flow passage area (31 to 34, 40 to 43) extends.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung zur berührungslosen Lagerung eines drehbaren Körpers, mit einem ersten magnetischen Lager und mit einem zum ersten Lager in axialer Richtung versetzt angeordneten zweiten magnetischen Lager, wobei das erste und das zweite Lager jeweils zumindest zwei Magneten zur magnetischen und berührungslosen Lagerung des drehbaren Körpers aufweisen, welche (die Magnete) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet und zum Erzeugen einer magnetischen Haltekraft sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung auf den drehbaren Körper ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung mit einer solchen Lagereinrichtung und mit einem drehbaren Körper, wie auch eine elektrische Reluktanzmaschine. The invention relates to a bearing device for non-contact mounting of a rotatable body, comprising a first magnetic bearing and a first bearing axially offset second magnetic bearing, wherein the first and the second bearing each have at least two magnets for magnetic and non-contact mounting of the rotatable Have bodies which (the magnets) arranged distributed in the circumferential direction and are formed for generating a magnetic holding force in both the radial direction and in the axial direction of the rotatable body. The invention also relates to an arrangement with such a bearing device and with a rotatable body, as well as an electrical reluctance machine.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf eine berührungslose Lagerung eines Rotors einer Reluktanzmaschine. Berührungslose Lagereinrichtungen sind bereits aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. So sind aktive Magnetlager bereits seit ca. 1930 Stand der Technik und dienen dazu, die Welle eines Rotors bzw. allgemein eines drehbaren Körpers berührungslos zu lagern, indem eine ausreichende Anzahl von Elektromagneten – in Verbindung mit der Lageerfassung des drehbaren Körpers – so angesteuert werden, dass die erzeugten magnetischen Kräfte der Elektromagnete den drehbaren Körper schwebend in der Luft halten. Ein solches System wird in der Regel fortlaufend aktiv geregelt, um eine stabile Position des drehbaren Körpers gewährleisten zu können. In the present case, the interest is directed to a contactless mounting of a rotor of a reluctance machine. Contactless storage facilities are already known from the prior art in a variety of configurations. Thus, active magnetic bearings have been state of the art since about 1930 and serve to support the shaft of a rotor or of a rotatable body in a contactless manner by controlling a sufficient number of electromagnets - in conjunction with the position detection of the rotatable body - that the generated magnetic forces of the electromagnets keep the rotatable body floating in the air. Such a system is usually controlled continuously active in order to ensure a stable position of the rotatable body can.

Im Stand der Technik gibt es verschiedenste Möglichkeiten, die Magnete bzw. die Magnetpole relativ zum drehbaren Körper anzuordnen. Eine bekannte Lösung geht dahin, eine heteropolare Polanordnung einzusetzen, um radiale Kräfte auf den drehbaren Körper zu erzeugen. Dies bedeutet, dass in Umfangsrichtung des drehbaren Körpers die Magnete mit abwechselnder Polung verteilt angeordnet sind. Ein solcher Aufbau ist relativ einfach möglich, und auch die so genannte „Blechung“ kann sowohl beim Rotor als auch beim Stator realisiert werden. Werden jedoch höhere Drehzahlen angestrebt, wird üblicherweise eine homopolare Polanordnung verwendet, weil dann keine Umkehrung der Magnetfeldrichtung in dem Material des drehbaren Körpers innerhalb einer Umdrehung stattfindet und dadurch insgesamt deutlich weniger Wirbelströme in dem drehbaren Körper induziert werden. Einerseits sind somit die magnetischen Verluste auf ein Minimum reduziert; andererseits ist jedoch der Aufbau einer solchen Lagereinrichtung komplexer, die axiale Baulänge bei gleicher Kraft typischerweise größer und die Richtung der Blechung im drehbaren Körper (Rotor) nicht ideal fertigbar. In the prior art, there are various ways to arrange the magnets or the magnetic poles relative to the rotatable body. A known solution is to use a heteropolar pole arrangement to generate radial forces on the rotatable body. This means that in the circumferential direction of the rotatable body, the magnets are arranged distributed with alternating polarity. Such a structure is relatively easy, and also the so-called "plate" can be realized both the rotor and the stator. However, if higher speeds are desired, usually a homopolar pole arrangement is used, because then there is no reversal of the magnetic field direction in the material of the rotatable body within a revolution and thereby significantly less eddy currents are induced in the rotatable body. On the one hand, the magnetic losses are thus reduced to a minimum; On the other hand, however, the structure of such a bearing device is more complex, the axial length at the same force typically larger and the direction of the lamination in the rotatable body (rotor) not ideal manufacturable.

Unabhängig von der verwendeten Polanordnung weisen die Lagereinrichtungen im Stand der Technik mindestens zwei axial zueinander beabstandet angeordnete magnetische Lager auf, welche auf den drehbaren Körper eine radiale Haltekraft erzeugen, welche den drehbaren Körper in radialer Richtung fixiert. Es können dabei zusätzlich auch axiale Lager eingesetzt werden, welche typischerweise separat zu den genannten mindestens zwei radialen Lagern ausgebildet sind. Diese axialen Lager sind dann beispielsweise in Form eines Topfmagneten ausgeführt, wobei üblicherweise zwei solche Topfmagnete an den jeweiligen axialen Stirnseiten des drehbaren Körpers verwendet werden. Verwendet man zwei Radiallager mit jeweils drei Magneten sowie zwei solche Topfmagneten, so sind insgesamt acht Magnete vorhanden, welche separat voneinander angesteuert werden müssen. Werden statt drei Magneten vier solche Magnete bei den Radiallagern verwendet, um die Regelung zu vereinfachen, so sind sogar zehn einzeln anzusteuernde Elektromagnete erforderlich. Dementsprechend ist die gesamte Lagereinrichtung relativ komplex und groß aufgebaut und beansprucht somit insgesamt relativ viel Bauraum. Regardless of the pole arrangement used, the prior art bearings have at least two magnetic bearings spaced axially of each other which generate a radial holding force on the rotatable body which fixes the rotatable body in the radial direction. It can also be used in addition to axial bearings, which are typically formed separately from the said at least two radial bearings. These axial bearings are then designed, for example, in the form of a pot magnet, wherein usually two such pot magnets are used on the respective axial end faces of the rotatable body. If one uses two radial bearings, each with three magnets and two such pot magnets, so are a total of eight magnets available, which must be controlled separately. If four such magnets are used instead of three magnets in the radial bearings to simplify the control, so even ten individually controlled solenoids are required. Accordingly, the entire storage device is relatively complex and built large and thus takes a total of relatively much space.

Um die Anzahl der Magnete zu reduzieren und insbesondere auf die genannten axialen Topfmagnete verzichten zu können, können bei den Radiallagern Magnete eingesetzt werden, die eine Haltekraft erzeugen, welche Kraftkomponenten sowohl in axialer als auch in radialer Richtung aufweist. Hier wird der Luftspalt zwischen dem Rotor und den Magneten schräg zur Drehachse ausgebildet, sodass eine dem Rotor zugewandte Fläche eines Magneten unter einem Winkel größer Null zur Drehachse des Rotors verläuft. Auch der Rotor weist hier einen konischen bzw. schräg verlaufenden Bereich auf, der sich parallel zu der schrägen Fläche des Magneten erstreckt. Der durch diese Fläche des Magneten verlaufende magnetische Fluss bewirkt somit eine Haltekraft, welche eine Kraftkomponente sowohl in axialer als auch in radialer Richtung aufweist. Je nach dem verwendeten Winkel des Luftspalts zur Drehachse wirken die Kräfte dann mehr radial oder mehr axial. Somit ist der Rotor sowohl in axialer als auch in radialer Richtung gehalten, und die Anzahl der verwendeten Magnete ist gegenüber der Ausgestaltung mit den Axiallagern reduziert. Allerdings hat eine solche Lagereinrichtung auch den Nachteil, dass das Trägheitsmoment dieser Anordnung relativ groß ist, weil ein vom Durchmesser her relativ großer Konus auf der Welle erforderlich ist, um eine entsprechend große Wirkfläche zwischen dem Magneten und dem Rotor erreichen zu können. Folglich ist auch die gesamte Lagereinrichtung relativ groß aufgebaut. In order to reduce the number of magnets and in particular to be able to dispense with said axial pot magnets can be used in the radial bearings magnets that produce a holding force having force components in both the axial and in the radial direction. Here, the air gap between the rotor and the magnets is formed obliquely to the axis of rotation, so that a rotor facing surface of a magnet at an angle greater than zero to the axis of rotation of the rotor. The rotor also has a conical or oblique region which extends parallel to the oblique surface of the magnet. The magnetic flux passing through this surface of the magnet thus causes a holding force which has a force component in both the axial and radial directions. Depending on the angle of the air gap used to the axis of rotation, the forces then act more radially or more axially. Thus, the rotor is held in both the axial and in the radial direction, and the number of magnets used is reduced compared to the configuration with the thrust bearings. However, such a bearing device also has the disadvantage that the moment of inertia of this arrangement is relatively large because a diameter of relatively large cone on the shaft is required in order to achieve a correspondingly large effective area between the magnet and the rotor can. Consequently, the entire storage device is constructed relatively large.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Lagereinrichtung der eingangs genannten Gattung im Vergleich zum Stand der Technik mit reduzierter Anzahl der Magnete noch kompakter ausgeführt werden kann, sodass auch das Trägheitsmoment reduziert werden kann. It is an object of the invention to provide a solution as a storage device of the type mentioned in comparison to the prior art with reduced number of magnets still can be made more compact, so that the moment of inertia can be reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lagereinrichtung, eine Anordnung sowie eine elektrische Reluktanzmaschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren. This object is achieved by a storage device, an arrangement and an electrical reluctance machine with the features according to the respective independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.

Eine lösungsgemäße Lagereinrichtung ist zur berührungslosen Lagerung eines drehbaren Körpers ausgebildet und umfasst ein erstes magnetisches Lager mit zumindest zwei Magneten sowie ein zum ersten Lager axial versetzt angeordnetes zweites magnetisches Lager mit wenigstens zwei Magneten. Die Magneten des ersten Lagers einerseits sowie die Magneten des zweiten Lagers andererseits sind jeweils in Umfangsrichtung verteilt angeordnet und dienen zur magnetischen und berührungslosen Lagerung des drehbaren Körpers. Die Magnete sind außerdem jeweils zur Erzeugung einer magnetischen Haltekraft sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung auf den drehbaren Körper ausgebildet. Dazu weisen die Magnete jeweils eine in radialer Richtung weisende erste Flussdurchgangsfläche, über welche die Haltekraft in radialer Richtung erzeugt wird, sowie eine von der ersten Flussdurchgangsfläche verschiedene, in axiale Richtung weisende – und somit senkrecht zur ersten Flussdurchgangsfläche angeordnete – zweite Flussdurchgangsfläche auf, über welche die Haltekraft in axialer Richtung erzeugt wird. Ein magnetischer Fluss des jeweiligen Magneten verläuft dabei sowohl durch die erste als auch durch die zweite Flussdurchgangsfläche. A storage device according to the invention is designed for non-contact mounting of a rotatable body and comprises a first magnetic bearing with at least two magnets and a first bearing axially staggered second magnetic bearing with at least two magnets. The magnets of the first bearing on the one hand and the magnets of the second bearing on the other hand are distributed in each case in the circumferential direction and are used for magnetic and contactless mounting of the rotatable body. The magnets are also each formed to generate a magnetic holding force both in the radial direction and in the axial direction on the rotatable body. For this purpose, the magnets each have a first flow passage area pointing in the radial direction, via which the holding force is generated in the radial direction, and a second flow passage area, which is different from the first flow passage area and points in the axial direction and thus perpendicular to the first flow passage area the holding force is generated in the axial direction. A magnetic flux of the respective magnet runs through both the first and the second flow passage area.

Mit ein und demselben Magneten werden folglich sowohl axiale als auch radiale Kräfte erzeugt, wobei anders als im Stand der Technik der Magnetkreis – also der Verlauf des magnetischen Flusses – eines einzelnen Pols sowohl einen axialen als auch einen radialen Luftspalt hat und somit abschnittsweise axial und abschnittsweise radial verläuft. Folglich ist auch die Bereitstellung einer schrägen Fläche weder an dem drehbaren Körper noch an dem Magneten erforderlich, sodass die gesamte Lagereinrichtung und folglich auch eine elektrische Maschine mit der Lagereinrichtung besonders kompakt und Bauraum sparend ausgeführt werden können. Aufgrund der reduzierten Größe der Lagereinrichtung verringert sich auch das Trägheitsmoment, was wiederum Vorteile für eine Vielzahl von Anwendungen bietet. Dadurch, dass mit ein und demselben Magneten einerseits Kräfte in radialer Richtung und andererseits auch Kräfte in axialer Richtung erzeugt werden, brauchen keine zusätzlichen Axiallager an den axialen Stirnseiten des drehbaren Körpers und folglich auch keine Topfmagnete eingesetzt zu werden. Folglich ist die gesamte Lagereinrichtung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung besonders kompakt aufgebaut. Consequently, both axial and radial forces are generated with one and the same magnet, wherein, unlike in the prior art, the magnetic circuit-that is to say the course of the magnetic flux-of a single pole has both an axial and a radial air gap, and thus sections axially and in sections extends radially. Consequently, the provision of an oblique surface on either the rotatable body or on the magnet is not required, so that the entire storage device and consequently also an electric machine with the storage device can be made particularly compact and space-saving. Due to the reduced size of the bearing device also reduces the moment of inertia, which in turn offers advantages for a variety of applications. The fact that forces are generated in the radial direction and on the other hand also forces in the axial direction with one and the same magnet, no additional thrust bearings on the axial end faces of the rotatable body and consequently also no pot magnets need to be used. Consequently, the entire bearing device is constructed particularly compact both in the axial and in the radial direction.

Die Lagereinrichtung hat zusätzlich auch den Vorteil, dass durch entsprechende Gestaltung der Luftspalte – also des radialen Luftspalts zwischen dem drehbaren Körper einerseits und der ersten Flussdurchgangsfläche des Magneten andererseits sowie auch des axialen Luftspalts zwischen dem drehbaren Körper einerseits und der zweiten Flussdurchgangsfläche des Magneten andererseits – bzw. durch entsprechende Gestaltung des Verhältnisses zwischen diesen beiden Luftspalten in gewissen Grenzen auch das Kraftverhältnis eingestellt werden kann. In addition, the bearing device also has the advantage that by appropriate design of the air gaps - ie the radial air gap between the rotatable body on the one hand and the first flow passage surface of the magnet on the other hand and also the axial air gap between the rotatable body on the one hand and the second flux passage surface of the magnet on the other - By appropriate design of the ratio between these two air gaps within certain limits, the force ratio can be adjusted.

Insgesamt kann durch Nutzung einer Anordnung mit mehreren Luftspalten, an denen über das Reluktanzprinzip sowohl axiale als auch radiale Kräfte mit ein und demselben Magneten erzeugt werden können, die Anzahl der notwendigen Magnete bzw. Pole sowie der Aufwand und der erforderliche Bauraum verringert werden. Overall, by using an arrangement with several air gaps, where both axial and radial forces can be generated with one and the same magnet on the reluctance principle, the number of required magnets or poles and the effort and the required space can be reduced.

In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Magnete jeweils einen – insbesondere aus weichmagnetischem Material gebildeten – Magnetkern aufweisen, welcher zwei miteinander verbundene und einen rechten Winkel miteinander einschließende Kernschenkel aufweist. Eine Stirnfläche eines freien Endes des ersten Kernschenkels kann die oben genannte erste Flussdurchgangsfläche bilden, welche in radialer Richtung zeigt und über welche die Haltekraft in radialer Richtung erzeugt wird. Demgegenüber kann eine Stirnfläche eines freien Endes des zweiten Kernschenkels die oben genannte zweite Flussdurchgangsfläche bilden, durch welche sich der magnetische Fluss in axialer Richtung hindurch erstreckt und über welche somit die Haltekraft in axialer Richtung erzeugt wird. Der magnetische Fluss kann also durch die beiden senkrecht zueinander angeordneten Stirnflächen der beiden Kernschenkel verlaufen. Diese Ausführungsform kann mit geringem technischen Aufwand umgesetzt werden und sorgt außerdem für einen besonders kompakten Aufbau der Lagereinrichtung. Der genannte Magnetkern ist vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material bereitgestellt, mittels welchem magnetische Fluss geleitet werden kann. In one embodiment it can be provided that the magnets each have a magnetic core formed in particular of soft magnetic material, which has two core limbs connected to one another and enclosing a right angle with one another. An end face of a free end of the first core leg may constitute the above-mentioned first flow passage surface which faces in the radial direction and over which the holding force in the radial direction is generated. On the other hand, an end surface of a free end of the second core leg may constitute the above-mentioned second flow passage surface through which the magnetic flux extends in the axial direction and thus generates the holding force in the axial direction. The magnetic flux can thus pass through the two mutually perpendicular end faces of the two core legs. This embodiment can be implemented with little technical effort and also ensures a particularly compact design of the storage facility. Said magnetic core is preferably made of a soft magnetic material, by means of which magnetic flux can be conducted.

Die jeweilige erste und somit in radialer Richtung weisende Flussdurchgangsfläche der Magnete kann konvex ausgebildet und somit mit einer radialen Einbuchtung versehen sein, während die jeweilige zweite und in axialer Richtung weisende Flussdurchgangsfläche eben ausgebildet sein kann. Die radialen Flussdurchgangsflächen sind somit an die Form einer Welle des drehbaren Körpers angepasst, und die axialen Flussdurchgangsflächen sind an die ebene Form einer radialen Scheibe angepasst, welche mit der Welle drehfest verbunden ist. The respective first flow passage surface of the magnets, which thus points in the radial direction, may be convex and thus provided with a radial indentation, while the respective second flow passage surface facing in the axial direction may be flat. The radial flow passage surfaces are thus adapted to the shape of a shaft of the rotatable body, and the axial flow passage surfaces are connected to the adapted planar shape of a radial disc which is rotatably connected to the shaft.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Magnete Elektromagnete sind, welche separat voneinander angesteuert werden können. Somit kann die Haltekraft mithilfe einer entsprechenden Steuereinrichtung gesteuert, und insbesondere auch geregelt werden, sodass auch die Lage des drehbaren Körpers entsprechend gesteuert bzw. geregelt werden kann. Zur Regelung kann auch die aktuelle Ist-Lage des drehbaren Körpers erfasst werden. It is particularly preferred if the magnets are electromagnets which can be controlled separately from one another. Thus, the holding force can be controlled by means of a corresponding control device, and in particular also regulated, so that the position of the rotatable body can be controlled or regulated accordingly. To control the current actual position of the rotatable body can be detected.

Die Elektromagnete können jeweils eine elektrische Wicklung aufweisen, welche auf den zweiten Kernschenkel des jeweiligen Magnetkerns gewickelt ist, also auf denjenigen Kernschenkel, welcher sich in axialer Richtung und somit parallel zu einer Drehachse des drehbaren Körpers erstreckt. Insbesondere ist der andere Kernschenkel bei dieser Ausführungsform frei von solchen Wicklungen, sodass ausschließlich der axiale Kernschenkel die elektrische Wicklung trägt. Somit kann einerseits die Anzahl der Windungen erhöht und die Kräfte somit optimiert werden; andererseits ist diese Ausgestaltung auch besonders kompakt. The electromagnets may each have an electrical winding, which is wound on the second core limb of the respective magnetic core, ie on those core limb which extends in the axial direction and thus parallel to a rotation axis of the rotatable body. In particular, the other core limb in this embodiment is free of such windings, so that only the axial core limb carries the electrical winding. Thus, on the one hand increases the number of turns and thus the forces are optimized; On the other hand, this embodiment is also particularly compact.

Das erste und das zweite Lager weisen bevorzugt jeweils mindestens drei Magnete auf, welche in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Bevorzugt sind die Magnete äquidistant in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Werden also insgesamt drei Magnete pro Lager eingesetzt, so sind diese Magnete vorzugsweise in 120°-Abständen zueinander angeordnet. Werden vier solche Magnete eingesetzt, so beträgt der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Magneten vorzugsweise 90°. The first and the second bearing preferably each have at least three magnets, which are arranged distributed in the circumferential direction. Preferably, the magnets are arranged distributed equidistantly in the circumferential direction. Thus, if a total of three magnets are used per bearing, these magnets are preferably arranged at 120 ° intervals to each other. If four such magnets are used, the angular distance between two adjacent magnets is preferably 90 °.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung mit einem drehbaren Körper sowie mit einer erfindungsgemäßen Lagereinrichtung, wobei der drehbare Körper eine axiale Welle, welche mit der jeweiligen ersten Flussdurchgangsfläche der Magneten magnetisch zusammenwirkt, und eine sich in radialer Richtung erstreckende, mit der Welle drehfest verbundene Scheibe aufweist, die mit der jeweiligen zweiten Flussdurchgangsfläche der Magneten magnetisch zusammenwirkt bzw. magnetisch gekoppelt werden kann. The invention also relates to an arrangement with a rotatable body and with a bearing device according to the invention, wherein the rotatable body has an axial shaft which interacts magnetically with the respective first flow passage surface of the magnet, and a radially extending, rotatably connected to the shaft disc which magnetically cooperates with the respective second flow passage area of the magnets or can be magnetically coupled.

Eine erfindungsgemäße elektrische Reluktanzmaschine weist einen Stator, einen Rotor sowie eine erfindungsgemäße Anordnung auf, wobei der Rotor durch den drehbaren Körper gebildet ist. An electrical reluctance machine according to the invention has a stator, a rotor and an arrangement according to the invention, wherein the rotor is formed by the rotatable body.

Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Lagereinrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Anordnung sowie für die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine. The preferred embodiments presented with reference to the bearing device according to the invention and their advantages apply correspondingly to the arrangement according to the invention and to the reluctance machine according to the invention.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar. Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the description of the figures. All the features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es sei betont, dass das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt und die Erfindung somit nicht auf diese beispielhafte Ausführungsform beschränkt ist. The invention will now be explained with reference to a preferred embodiment, as well as with reference to the accompanying drawings. It should be emphasized that the embodiment described below represents a preferred embodiment of the invention and the invention is thus not limited to this exemplary embodiment.

Es zeigen: Show it:

1 in schematischer Darstellung eine Schnittansicht durch eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und 1 a schematic representation of a sectional view through an arrangement according to an embodiment of the invention; and

2 in schematischer und perspektivischer Darstellung die Anordnung gemäß 1. 2 in a schematic and perspective view of the arrangement according to 1 ,

In 1 ist in schematischer Darstellung eine Schnittansicht bzw. eine Seitenansicht einer Anordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Anordnung 1 umfasst einen drehbaren Körper 2, welcher im Ausführungsbeispiel ein Rotor einer elektrischen Reluktanzmaschine sein kann. Der drehbare Körper 2 hat eine axiale Welle 3, welche um eine Drehachse 4 berührungslos mithilfe einer Lagereinrichtung 5 gelagert ist. Ein Stator der Reluktanzmaschine ist in den Figuren nicht dargestellt. In 1 is a schematic representation of a sectional view and a side view of an arrangement 1 represented according to an embodiment of the invention. The order 1 includes a rotatable body 2 which in the exemplary embodiment can be a rotor of an electrical reluctance machine. The rotatable body 2 has an axial shaft 3 which are about a rotation axis 4 contactless by means of a storage facility 5 is stored. A stator of the reluctance machine is not shown in the figures.

Neben der Welle 3 hat der drehbare Körper 2 auch eine in radialer Richtung orientierte bzw. sich radial erstreckende Scheibe 6, welche von der Welle 3 radial nach außen absteht. Diese Scheibe 6 ist somit umlaufend ausgebildet, wobei die Welle 3 etwa durch die Mitte der Scheibe 6 und senkrecht zur Scheibe 6 verläuft. Next to the wave 3 has the rotatable body 2 also a radially oriented or radially extending disc 6 which from the wave 3 protrudes radially outward. This disc 6 is thus formed circumferentially, the shaft 3 approximately through the middle of the disc 6 and perpendicular to the disk 6 runs.

Während die axiale Richtung in 1 mit 7 bezeichnet ist, ist die radiale Richtung mit 8 gekennzeichnet. While the axial direction in 1 With 7 is designated, the radial direction is with 8th characterized.

Zur Lagerung des Körpers 2 weist die Lagereinrichtung 5 zwei magnetische Lager 9, 10 auf, welche in axialer Richtung 7 versetzt zueinander angeordnet sind. Dabei ist das erste Lager 9 auf der einen axialen Seite der Scheibe 6 angeordnet, während das zweite Lager 10 auf der anderen axialen Seite der Scheibe 6 liegt. Die beiden Lager 9, 10 sind magnetische Axial- und Radiallager, über welche der Körper 2 schwebend und berührungslos um die Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Dies bedeutet, dass der Körper 2 keine weiteren Komponenten berührt und ausschließlich über die beiden Lager 9, 10 berührungsfrei gelagert ist. Gegebenenfalls könnten auch weitere Scheiben 6 mit weiteren Lagern verwendet werden. For storage of the body 2 has the storage facility 5 two magnetic bearings 9 . 10 on which in the axial direction 7 offset from one another. This is the first camp 9 on the one axial side of the disc 6 arranged while the second camp 10 on the other axial side of the disc 6 lies. The two camps 9 . 10 are magnetic axial and radial bearings, over which the body 2 floating and non-contact around the axis of rotation 4 is rotatably mounted. This means that the body 2 no other components touched and exclusively on the two bearings 9 . 10 is stored without contact. If necessary, could also more discs 6 to be used with other warehouses.

Jedes Lager 9, 10 weist im Ausführungsbeispiel mindestens drei in Umfangsrichtung (um die Welle 3 herum) verteilt angeordnete Elektromagnete 11, 12 bzw. 13, 14 auf, und in einer Ausführungsform genau drei solche Elektromagnete 11, 12 bzw. 13, 14, von denen in 1 jeweils lediglich zwei Elektromagnete 11, 12 bzw. 13, 14 dargestellt sind. Every camp 9 . 10 In the embodiment, at least three in the circumferential direction (around the shaft 3 around) distributed electromagnets 11 . 12 respectively. 13 . 14 on, and in one embodiment exactly three such electromagnets 11 . 12 respectively. 13 . 14 of which in 1 in each case only two electromagnets 11 . 12 respectively. 13 . 14 are shown.

Die beiden Lager 9, 10 gehören zu einem nicht näher dargestellten Stator der elektrischen Reluktanzmaschine. The two camps 9 . 10 belong to a stator of the electrical reluctance machine, not shown.

Die Elektromagnete 11, 12 des ersten Lagers 9 sind in Umfangsrichtung in den gleichen Winkelpositionen wie die Elektromagnete 13, 14 des zweiten Lagers 10 angeordnet. The electromagnets 11 . 12 of the first camp 9 are circumferentially in the same angular positions as the electromagnets 13 . 14 of the second camp 10 arranged.

Die Elektromagnete 11 bis 14 weisen jeweils einen Magnetkern 15 bis 18 auf, welche einen sich in radialer Richtung erstreckenden ersten (radialen) Kernschenkel 19 bis 22 sowie einen sich in axialer Richtung erstreckenden und somit senkrecht zum radialen Kernschenkel 19 bis 22 verlaufenden und mit diesem radialen Kernschenkel 19 bis 22 verbundenen zweiten (axialen) Kernschenkel 23 bis 26 aufweist. Die beiden Kernschenkel 19 bis 22 und 23 bis 26 schließen also einen rechten Winkel miteinander ein, sodass die Magnetkerne 15 bis 18 90°-Winkelprofile darstellen. Die beiden Kernschenkel 19 bis 22 und 23 bis 26 sind dabei an ihren jeweiligen Enden miteinander verbunden. Auf der anderen Seite weisen die radialen Kernschenkel 19 bis 22 ein freies Ende 27 bis 30 auf, dessen Stirnfläche 31 bis 34 in radialer Richtung, also in Richtung zur Welle 3 hin, weist. Diese Stirnflächen 31 bis 34 bilden jeweilige erste Flussdurchgangsflächen der Elektromagnete 11 bis 14, durch welche ein magnetischer Fluss 35 verläuft. Der Übersicht halber ist der Verlauf des magnetischen Flusses 35 in 1 lediglich bei dem Elektromagneten 13 des zweiten Lagers 10 schematisch dargestellt. Ein entsprechender Verlauf ergibt sich jedoch auch bei den anderen Elektromagneten 11 bis 14. The electromagnets 11 to 14 each have a magnetic core 15 to 18 which has a first (radial) core limb extending in the radial direction 19 to 22 as well as extending in the axial direction and thus perpendicular to the radial core leg 19 to 22 extending and with this radial core leg 19 to 22 connected second (axial) core leg 23 to 26 having. The two core thighs 19 to 22 and 23 to 26 So close a right angle with each other, so that the magnetic cores 15 to 18 Represent 90 ° angle profiles. The two core thighs 19 to 22 and 23 to 26 are connected to each other at their respective ends. On the other side, the radial core legs 19 to 22 a free end 27 to 30 on, whose end face 31 to 34 in the radial direction, ie in the direction of the shaft 3 hin, points. These faces 31 to 34 form respective first flow passage surfaces of the electromagnets 11 to 14 through which a magnetic flux 35 runs. For clarity, the course of the magnetic flux 35 in 1 only with the electromagnet 13 of the second camp 10 shown schematically. A corresponding course, however, also results in the other electromagnets 11 to 14 ,

Auch die axialen Kernschenkel 23 bis 26 weisen jeweils ein freies Ende 36 bis 39 auf, dessen Stirnfläche 40 bis 43 in Richtung zur Scheibe 6 und somit in axialer Richtung weist. Diese axialen Stirnflächen 40 bis 43 bilden dabei jeweilige zweite Flussdurchgangsflächen der Elektromagnete 11 bis 14, sodass der jeweilige magnetische Fluss 35 auch über diese Stirnflächen 40 bis 43 verläuft. Also the axial core legs 23 to 26 each have a free end 36 to 39 on, whose end face 40 to 43 towards the glass 6 and thus points in the axial direction. These axial faces 40 to 43 form respective second flow passage surfaces of the electromagnets 11 to 14 so that the respective magnetic flux 35 also over these faces 40 to 43 runs.

Jeder Elektromagnet 11 bis 14 hat außerdem eine Wicklung 44 bis 47, welche auf den jeweiligen zweiten Kernschenkel 23 bis 26 gewickelt ist. Die Elektromagnete 11 bis 14 können dabei separat voneinander angesteuert werden, wobei zu diesem Zwecke beispielsweise eine in den Figuren nicht näher dargestellte Steuereinrichtung bereitgestellt werden kann. Die in 1 schematisch dargestellte Stromrichtung wird vorzugsweise so gewählt, dass sich eine homopolare Polanordnung ergibt. Every electromagnet 11 to 14 also has a winding 44 to 47 , which on the respective second core leg 23 to 26 is wound. The electromagnets 11 to 14 can be controlled separately from each other, for which purpose, for example, a controller not shown in the figures can be provided. In the 1 schematically illustrated current direction is preferably chosen so that there is a homopolar pole arrangement.

Zwischen den Elektromagneten 11 bis 14 einerseits und dem drehbaren Körper 2 andererseits sind also insgesamt jeweils sowohl ein axialer Luftspalt 48 als auch ein radialer Luftspalt 49 ausgebildet. Die jeweiligen axialen Luftspalte 48 sind separat und unabhängig von den radialen Luftspalten 49 ausgebildet, sodass der magnetische Fluss 35 an unterschiedlichen Stellen sowohl senkrecht durch den jeweiligen axialen Luftspalt 48 als auch durch den jeweiligen radialen Luftspalt 49 verläuft. Mit ein und demselben Elektromagneten 11 bis 14 können somit sowohl radiale Haltekräfte als auch axiale Haltekräfte erzeugt werden. Mit anderen Worten wird mittels eines einzigen Magnetpols sowohl eine Haltekraft in axialer Richtung als auch eine separate Haltekraft in radialer Richtung erzeugt. Der Magnetkreis eines Einzelpols hat also sowohl einen axialen als auch einen radialen Luftspalt, in welchen beiden durch das Reluktanzprinzip anziehende Kräfte wirken. Between the electromagnets 11 to 14 on the one hand and the rotatable body 2 On the other hand, therefore, a total of both an axial air gap 48 as well as a radial air gap 49 educated. The respective axial air gaps 48 are separate and independent of the radial air gaps 49 formed so that the magnetic flux 35 at different locations both vertically through the respective axial air gap 48 as well as through the respective radial air gap 49 runs. With one and the same electromagnet 11 to 14 Thus, both radial holding forces and axial holding forces can be generated. In other words, both a holding force in the axial direction and a separate holding force in the radial direction are generated by means of a single magnetic pole. Thus, the magnetic circuit of a single pole has both an axial and a radial air gap, in which act two attracting by the reluctance principle forces.

Eine solche Lagereinrichtung 5 kann bei gleichen Kräften gegenüber den bekannten Anordnungen deutlich kompakter ausgeführt und außerdem auch mechanisch einfacher realisiert werden. Außerdem ist auch das Trägheitsmoment des Körpers 2 ebenfalls geringer. Such a storage facility 5 can be carried out at the same forces compared to the known arrangements significantly more compact and also be realized mechanically easier. In addition, the moment of inertia of the body is also 2 also lower.

2 zeigt nun eine perspektivische Darstellung der Anordnung 1 gemäß 1. Wie aus 2 hervorgeht, können pro Lager 9, 10 jeweils drei Elektromagnete 11 bis 14 eingesetzt werden, welche in Umfangsrichtung der Welle 3 um 120° beabstandet zueinander angeordnet sind. Wie außerdem aus 2 hervorgeht, sind die ersten Stirnflächen 31 bis 34 konvex ausgebildet und somit an die runde Form der Welle 3 angepasst. Demgegenüber sind die zweiten Stirnflächen 40 bis 43 eben und flach, ebenso wie die axialen Stirnseiten der Scheibe 6. 2 now shows a perspective view of the arrangement 1 according to 1 , How out 2 can be found per camp 9 . 10 three electromagnets each 11 to 14 can be used, which in the circumferential direction of the shaft 3 spaced apart by 120 °. As well as out 2 shows, are the first faces 31 to 34 convex and thus to the round shape of the shaft 3 customized. In contrast, the second end faces 40 to 43 flat and flat, as well as the axial end faces of the disc 6 ,

Claims

Lagereinrichtung (5) zur berührungslosen Lagerung eines drehbaren Körpers (2), mit einem ersten magnetischen Lager (9, 10) und mit einem zum ersten Lager (9, 10) in axialer Richtung (7) versetzt angeordneten zweiten magnetischen Lager (9, 10), wobei das erste und das zweite Lager (9, 10) jeweils zumindest zwei Magnete (11 bis 14) zur magnetischen Lagerung des drehbaren Körpers (2) aufweisen, welche in Umfangsrichtung verteilt angeordnet und zum Erzeugen einer magnetischen Haltekraft sowohl in radialer Richtung (8) als auch in axialer Richtung (7) auf den drehbaren Körper (2) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (11 bis 14) jeweils eine in radialer Richtung (8) weisende erste Flussdurchgangsfläche (31 bis 34), über welche die Haltekraft in radialer Richtung (8) erzeugbar ist, und eine von der ersten Flussdurchgangsfläche (31 bis 34) verschiedene, in axialer Richtung (7) weisende zweite Flussdurchgangsfläche (40 bis 43) aufweisen, über welche die Haltekraft in axialer Richtung (7) erzeugbar ist, wobei ein magnetischer Fluss (35) des jeweiligen Magneten (11 bis 14) sowohl durch die erste als auch durch die zweite Flussdurchgangsfläche (31 bis 34, 40 bis 43) verläuft. Storage facility ( 5 ) for non-contact mounting of a rotatable body ( 2 ), with a first magnetic bearing ( 9 . 10 ) and with one to the first camp ( 9 . 10 ) in the axial direction ( 7 ) arranged offset second magnetic bearing ( 9 . 10 ), the first and second bearings ( 9 . 10 ) at least two magnets ( 11 to 14 ) for magnetically supporting the rotatable body ( 2 ), which arranged distributed in the circumferential direction and for generating a magnetic holding force both in the radial direction ( 8th ) as well as in the axial direction ( 7 ) on the rotatable body ( 2 ), characterized in that the magnets ( 11 to 14 ) each one in the radial direction ( 8th ) first flow passage surface ( 31 to 34 ), over which the holding force in the radial direction ( 8th ) and one of the first flow passage area ( 31 to 34 ) different, in the axial direction ( 7 ) second flow passage area ( 40 to 43 ), over which the holding force in the axial direction ( 7 ) is generated, wherein a magnetic flux ( 35 ) of the respective magnet ( 11 to 14 ) through both the first and second flow passage surfaces (FIG. 31 to 34 . 40 to 43 ) runs.

Lagereinrichtung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (11 bis 14) jeweils einen Magnetkern (15 bis 18) aufweisen, welcher zwei miteinander verbundene und einen rechten Winkel miteinander einschließende Kernschenkel (19 bis 22, 23 bis 26) aufweist, wobei eine Stirnfläche (31 bis 34) eines freien Endes (27 bis 30) des ersten Kernschenkels (19 bis 22) die erste Flussdurchgangsfläche (31 bis 34) und eine Stirnfläche (40 bis 43) eines freien Endes (36 bis 39) des zweiten Kernschenkels (23 bis 26) die zweite Flussdurchgangsfläche (40 bis 43) bilden, sodass der magnetische Fluss (35) des jeweiligen Magneten (11 bis 14) durch die beiden senkrecht zueinander angeordneten Stirnflächen (31 bis 34, 40 bis 43) verläuft. Storage facility ( 5 ) according to claim 1, characterized in that the magnets ( 11 to 14 ) each have a magnetic core ( 15 to 18 ), which has two core limbs connected to each other and enclosing a right angle (FIG. 19 to 22 . 23 to 26 ), wherein an end face ( 31 to 34 ) of a free end ( 27 to 30 ) of the first core leg ( 19 to 22 ) the first flow passage area ( 31 to 34 ) and an end face ( 40 to 43 ) of a free end ( 36 to 39 ) of the second core leg ( 23 to 26 ) the second flow passage area ( 40 to 43 ), so that the magnetic flux ( 35 ) of the respective magnet ( 11 to 14 ) by the two mutually perpendicular end faces ( 31 to 34 . 40 to 43 ) runs.

Lagereinrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige erste Flussdurchgangsfläche (31 bis 34) konvex und die jeweilige zweite Flussdurchgangsfläche (40 bis 43) eben ausgebildet sind. Storage facility ( 5 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the respective first flow passage area ( 31 to 34 ) convex and the respective second flow passage area ( 40 to 43 ) are formed.

Lagereinrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (11 bis 14) Elektromagnete sind, welche separat voneinander ansteuerbar sind. Storage facility ( 5 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnets ( 11 to 14 ) Are electromagnets which are separately controllable.

Lagereinrichtung (5) nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete jeweils eine elektrische Wicklung aufweisen, welche auf den zweiten Kernschenkel (23 bis 26) des jeweiligen Magnetkerns (15 bis 18) gewickelt ist. Storage facility ( 5 ) according to claim 2 and 4, characterized in that the electromagnets each have an electrical winding, which on the second core leg ( 23 to 26 ) of the respective magnetic core ( 15 to 18 ) is wound.

Lagereinrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Lager (9, 10) jeweils mindestens drei Magnete (11 bis 14) aufweisen, welche in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Storage facility ( 5 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second bearing ( 9 . 10 ) at least three magnets ( 11 to 14 ), which are arranged distributed in the circumferential direction.

Anordnung (1) mit einem drehbaren Körper (2) und mit einer Lagereinrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der drehbare Körper (2) eine axiale Welle (3), welche mit der jeweiligen ersten Flussdurchgangsfläche (31 bis 34) der Magneten (11 bis 14) magnetisch zusammenwirkt, und eine sich in radialer Richtung (8) erstreckende, mit der Welle (3) drehfest verbundene Scheibe (6) aufweist, welche mit der jeweiligen zweiten Flussdurchgangsfläche (40 bis 43) der Magneten (11 bis 14) magnetisch zusammenwirkt. Arrangement ( 1 ) with a rotatable body ( 2 ) and with a storage facility ( 5 ) according to one of the preceding claims, wherein the rotatable body ( 2 ) an axial shaft ( 3 ), which communicate with the respective first flow passage area ( 31 to 34 ) of magnets ( 11 to 14 ) interacts magnetically, and in a radial direction ( 8th ) extending, with the shaft ( 3 ) rotatably connected disc ( 6 ), which communicate with the respective second flow passage area (FIG. 40 to 43 ) of magnets ( 11 to 14 ) interacts magnetically.

Elektrische Reluktanzmaschine mit einem Stator, mit einem Rotor, und mit einer Anordnung (1) nach Anspruch 7, wobei der Rotor durch den drehbaren Körper (2) gebildet ist. Electric reluctance machine with a stator, with a rotor, and with an arrangement ( 1 ) according to claim 7, wherein the rotor is rotated by the rotatable body ( 2 ) is formed.