DE1946176A1 - Magnetische Kreisellagerung - Google Patents

Description

Magnetische Kreisellagerung

Die Erfindung betrifft eine magnetische Kreisellagerung, die in einer horizontalen Ebene auf einen Kreisel wirkt, weleher um eine im wesentlichen vertikale Achse rotiert und in axialer Richtung abgestützt ist, bei weleher zwei Magnetpolflächen an dem Kreisel und an einem feststehenden Lagerkö'rper zur Erzeugung von horizontalen Fesselungskräften einander gegenüber liegen.

Eine solche magnetische Kreisellagerung hat den Zweck, reibungs- und verschleißarm einen mit sehr hoher Geschwindigkeit rotierenden Maschinenläufer (Kreisel) mit seiner Figurenachse in einer bestimmten Lage im Maschinengehäuse zu halten. Dabei gilt es insbesondere, die Poinsot-Bewegung und die Präzeesion des Kreisels zu dämpfen, d.h. der Kreiselbewegung Drehimpulse zu entnehmen, die den öffnungswinkel des Poinsot- bzw. Präzessionskegels kleiner machen. Dazu ist eine nur elastisch federnde lagerung nicht zu gebrauchen, weil ihre ein» deutig wegabhängigen elastischen Kräfte keine Sohwingungsenergie absorbieren können. Es müssen vielmehr Kräfte erzeugt werden, die der Relativgeschwindigkeit der beteiligten Maschinenteile entgegengerichtet sind.

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Bei einer vorbekannten Einrichtung ist ein um eine vertikale Ach.se rotierender Kreisel über eine elastische Maschinenwelle auf einem vertikal mnd horizontal belastbaren Kugelpfannenlager am unteren Ende der elastischen Welle abgestützt. Zur Unterdrückung von Vertikalschwingungen des Kreisels ist das Kugelpfannenlager vertikal verschiebbar in einem rohrförmigen Teil geführt, welches unten durch einen zylindrischen Dauermagneten abgeschlossen ist. Dieser Dauermagnet liegt mit seiner unteren Polfläche einem zweiten Dauermagneten gegenüber, der gehäuse --"fest angeordnet ist· Der rohrförmige Teil weist einen Plansch auf, der über eine Kugellagerung im Gehäuse abgestützt ist. Der untere Teil des Gehäuses, der diese Iiagerungsanordnung enthält, ist mit öl gefüllt· Am oberen Ende des-Kreisele sitzt ebenfalls ein vertikaler zylindrischer Dauermagnet, der einem gehäusefesten zylindrischen Dauermagneten mit seiner Polfläche gegenüberliegt. Der letztere Dauermagnet ist über eine elastische Welle am Gehäuse befestigt·

Bei der vorbekannten Anordnung dient zur Sicherung der horizontalen Lage des Kreisels im Maschinengehäuse eine Reihenschaltung, bestehend aus der Masse des Kreisels, der magnetischen radialen Fesselung durch die Dauermagnete, der Masse des gehäusefesten Dauermagnets, der mechanischen Feder, die durch die elastische Welle gegeben ist, mit welcher der letztere Dauermagnet im Gehäuse gehaltert ist und der erdfesten Masse des Maschinellgehäuses. Am unteren Ende des Kreisels ist dieser in radialer Sichtung gesichert durch eine !Reihenschaltung be- ..! stehend aus der Masse des Kreisels* der seitlichen Elastizität der Welle, dem vertikal und horisontal belastbaren Kugelpfannen·« lager am unteren Ende der elastischen Welle, des an den seitliohen Bewegungen der Kugelpfanne teilnehmenden Ibissen unter Zurechnung eines Massenaateils der Ölfüllung, damit in Heike geschaltet eine Parallelschaltung einer von der ölfüllung auf die Seile ausgeübten Dämpfungskraft und einer durch die ein«·

ander gegenüberliegenden Dauermagnete an dem Kreisellager und dem GeMuse ausgeübten radialen magnetischen Fesselungskraft.

Diese Art der horizontalen Lagerung des Kreisels hat gewisse Nachteile: Trotz des Einsatzes zweier magnetischer Fesselungen am oberen und am unteren Ende des Kreisels ist immer noch ein verschleißgefährdetes mechanisches Kugelpfannenlager vorhanden. Zwischen dem Kreisel und den dämpfenden Konstruktionselementen liegen elastische Glieder und träge Massen. Dadurch werden die vom Kreisel ausgeführten Bewegungen nur teilweise und zeitlich verzögert an die dämpfenden Konstruktionselemente weitergeleitet. Man könnte versuchen, die magnetische Fesselung durch die einander gegenüberliegenden Magnetpolflächen durch Wahl stärkerer Magnete steifer zu machen. Stärkere Magnete bedeuten aber auch größere Massen, wodurch der angestrebte Effekt zum großen Teil wieder aufgehoben wird.

Der-Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Kreisellagerung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß unter Vermeidung mechanischer lagerteile, wie Kugelpfannenlager, die Dämpfung für die Poinsot- und Präzessions-Kreiselbewegung unmittelbar ohne Zwischenschaltung von Massen und Federn am Kreisel wirksam wird·

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß wenigstens eine

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der .Polflächen mit elektrisch gut leitenden Strompfaden versehen ist, die durch Wirbelstrombildung eine gedämpfte Fesselung des Kreisels bewirken.

Die Strompfade können ein von einem Kreis umschlossenes Kreuz bilden.

Zur axialen Abstützung des Kreisels kann ein durch den unteren lagerkörper axial auf eine horizontale Stirnfläche des Kreisels gerichteter Druckmittelstrom dienen.

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Vorteilhafterweise sind elektrisch gut gleitende Strompfade an beiden einander gegenüberliegenden Polflächen der Magnete vorgesehen.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Pig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Kreiselanordnung mit einer magnetischen lagerung nach der Erfindung.

Pig. 2 zeigt eine vergrößerte Draufsicht der gehäusefesten Polfläche bei einer magnetischen Lagerung gemäß Fig. 1. "

Figo 3 zeigt schematisch in Seitenansicht und

Fig· 4 in Draufsicht eine Anordnung nach der Erfindung zur Veranschaulichung der Dämpfung der Poinsot-Bewegung, während

Fig. 5

und 6 Darstellungen ähnlich Fig, 3 bzw. Fig. 4 zur

Yeranschaulichungder Kreiselpräzession sind·. ;

In einem Gehäuse 10 ist ein umlaufender Kreisel 12 mittels zweier magnetischer Lageranordnungen oben und unten gelagert, die generell mit 14 bzw. 16 bezeichnet sind. Diese magnetischen Lagerungen bewirken eine radiale magnetische Fesselungekraft, welche den Kreisel 12 mit seiner Figurenachse 18 in der in-fig· 1 gezeichneten Lage zu halten trachtet. Außerdem bewirkt die Lagerung, wie noch beschrieben werden wird, eine von der Relatir-Bewegung zwischen der Figurenaohse 18 und den Lageranordnungen H bzw. 16 abhängige Dämpfung einer solchen Eelativ-Bewegung.

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Bei diesen Relativ-Bewegungen kann es sich um Poinsot-Bewegungen, also Bewegungen der Umlaufachse des Kreisels um die davon verschiedene raumfeste Orallachse, oder aber um Präzessionsbewegungen handeln, also Bewegung des Kreisels unter dem Einfluß äußerer Momente. Die untere Lagerung 16 bewirkt außerdem, wie noch beschrieben werden wird, eine hydraulische Abstützung des Kreisels in axialer Sichtung, durch welche das Gewichstes Kreisels in vertikaler Richtung aufgenommen wird·

Der Kreisel weist zwei Wellenenden 20 bzw· 22 am oberen und am unteren Ende auf. Die Wellenenden bilden PoIflachen .24 bzw. 26 an ihren Stirnflächen, welche Polflächen 28 bzw· an gehäusefeeten Magnetpolen gegenüberliegen. Durch stromdurchflossene Wicklungen 32 bzw. 34 wird ein magnetischer Kreis erzeugt. Die Magnetkräfte suchen z.B. die Polfläaae zentrisch zu der Polfläche 30 zu halten. Zentral in der PoI-fläohe 30 ist eine Ölauatrittsöffnung 36 vorgesehen, welcher über eine Leitung 38 Drucköl zugeführt wird. Es wird auf diese Weise ein Ölfilm gebildet, welcher den Kreisel 12 trägt und das Gewicht des Kreisels in vertikaler !Richtung aufnimmt.

Eine Fesselung des Kreisels in radialer Richtung.. durch magnetische Kräfte wäre, wie gesagt, nicht in der Lage, eine Prä-· Mieionsbewegung dee Kreisele zu verhindern. Aus diesem Grunde ■ind in der! PoIflache 30 (ebenso wie in der Polfläche 28) elektrisch jgut leitende Strompfade vorgesehen, und zwar in (Jeetalt «in·· Krtuzts 40, umgeben von einem kreisförmigen •trompfad 42. Zu ditatn Zweok können in der Polfläohe 30 krtu*för«if

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Wenn der in kleinem Abstand über dem Pol um die Figurenachse S rotierende und bei Kreiselbewegungen gleichzeitig um die Lageraohse L kreisende Pol 26 des Kreisels 12 exzentrisch liegt und beispielsweise die durch den Pfeil Vge ⁸^¹" gegebene momentane Geschwindigkeit hat, dann ändern sich die magnetischen Flüsse in den vier Sektoren a be d, die zwischen den Strompfaden 40 und 42 gebildet werden. Dadurch werden in diesen Strompfaden WirbeistrSme I_w induziert. Diese verzerren die Magnetfelder zwischen den Polen so, daß horizontale Kräfte von den gehäusefesten auf die kreiselfesten Pole übertragen werden. Die Bewegung der Polfläche 24 gegenüber der feststehenden Polfläche 28 kann dabei beispielsweise durch den Geschwindigkeitssektor T 24 (Pig· 2) dargestellt werden. Es wirken durch die Wirbelströme zwischen den Polflächen Kräfte in horizontaler Richtung, die in der Draufsicht durch die Pfeile P (26,30) und P (24,28) dargestellt werden. Diese Kräfte bilden einen im Schwerpunkt des Kreisels angreifend zu denkendes horizontales Moment Pp. Dieser Effekt kann auch dadurch verstärkt werden, daß auch die rotierenden Pole mit Wirbelstrompfaden der beschriebenen Art versehen sind·

Daß der von den Wirbelströmen herrührende Momentenvektor T* die Kreiselbewegungen dämpft, soll nachstehend unter Bezugnahme auf die schematischen Figuren 3 bis 6 erläutert Werdens

Fig. 3 und 4 veranschaulichen die Unterdrückung des Poineotkegels bei einer erfindungegeinäSen Anordnung. Bekanntlich braucht die Figurenachse Ϊ dee freien Kreisels nicht mit ■einem raumfesten Drallvektor H zusammenfallen. Sie kann - und wird im allgemeinen - üb E gemäß Fig· 3 und 4 einen Kreiekegel, den Poineot-Kegel, von beliebigem Öffnungswinkel ·β~ i schreiben· In Fig* 3 denke man «loh den Kreisel im 8chnitt- ■ j punkt J unter·ttltit. Se soll einmal von den zentripetalen

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magnetischen Federkräften, die zwischen den Polflächen 28 und 24 bzw. 30 und 26 wirken, abgesehen werden. Bei einem gestreckten Kreisel, wie er hier vorausgesetzt sei, dreht sich P um L im gleichen Sinne, wie sich der Kreisel 12 um die Figurenaehse F dreht. Daher ist der Momentenvektor

¹D =* V

der durch die von den Wirbelströmen hervorgerufenen Dämpfungakräfte B₀ hervorgerufen wird, in dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Augenblick nach links gerichtet. Er läuft mit dem Kreiselkörper um und fügt also zu dem schon vorhandenen Drall H je ein Dralldifferential

dH = Tp . dt
hinzu, derart, daß der Winkel zwischen H und F kleiner wird.

Fig. 5 und 6 veranschaulichen die Unterdrückung des Präzessionskegels bei einer Anordnung nach der Erfindung. Unter Präeeseion sei hier die in Pig· 5 gezeigte, zur Kreiseldrehung

(·) um die Pigurenachse P beim gestreckten Kreisel gegensinnige Drehung jß ^der Pigurenachse P und des sie eng begleitenden Dralls H verstanden, die von dem Fesselungsmoment

Tp = a . P_p

der magnetischen Peseelungskräfte Pp aufrechterhalten wird· Die Drehgeschwindigkeit Ω. der Pigurenachse P um die lagerachse L ist, je nach Feeselungamoment, einbis zwei Größenordnungen kleiner ale die Drehgeschwindigkeit Δ) des Kreisels um seine Figurenachs· P. Das Kreisen der Pole 24 bzw·

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um die Lagerachse L hat dieser Bewegung entgegengerichtete, vom gestellfesten Pol 28 bzw. 30 übertragene Wirbelstromkräfte Eg zur Folge. Ihr Momentenvektor T^ dreht den Drall H in die Lagerachse L hinein.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird somit durch eine Wirbelstromdämpfung sowohl der Poinsot-Kegel beseitigt, also die Drallachse in die Figurenachse gebracht, als auch,der Präzessionskegel, d.h. die Drallachse in die Iagerachse zurückgeführt. Das geschieht durch geschwindigkeitsabhängige Kräfte bzw* Momente und wäre durch magnetische "Federkräfte¹¹ allein nicht zu erreichen. Die Dämpfung wirkt dabei unmittelbar auf den Kreisel, ohne daß zwischen "Dämpfungsglied" und Kreisel noch irgendwelche Massen und Federn angeordnet wären« Auch in axialer Richtung ergibt sich durch die, hydraulische Abstützung eine außerordentlich einfache und wirkungsvolle Anordnung. Mechanisch belastete Lager kommen vollständig in Fortfall.

Probleme könnten auftreten, wenn sich der Kreisel beim Hochlaufen oder Abbremsen der kritischen Drehzahl nähert. Dann können Schwingungsamplituden auftreten, die über den Bereich hinausgehen, in welchem die magnetische lagerung noch eine elastische Fesselung des Kreisels bewirkt. Diese Amplituden können auch durch die Wirbelstromdämpfung unter Umständen nicht gedämpft werden. Es kann zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß die gegenüberliegenden Magnetpolflächen 24,28 bzw. 26,30 in einem elektromagnetisch, nämlich durch die Wicklungen 32 bzw, 34, erregten magnetischen Kreis angeordnet sind und der Kraftfluß dieses Kreises bei Annäherung an die kritische Drehzahl des Kreisels' 12 von unten oder von oben her auf einen geringeren bzw, auf einen höheren Wert umschaltbar ist. Sobald somit der Kreisel im unterkritischen Bereich sich der kritischen

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Drehzahl nähert, erfolgt eine Umschaltung auf einen geringeren Wert des Kraftflusses in dem magnetischen Kreis. Das kann dadurch geschehen, daß der Strom durch die Wicklungen 32 und 34 auf einen geringeren Wert umgeschaltet wird. Damit wird die magnetische Pesselungskraft, also die Steifheit der Lagerung, verkleinert und die kritische Drehzahl des Systems unter die schon erreichte augenblickliche Drehzahl verlegt. Der Kreisel braucht also nicht durch den kritischen Bereich hindurchzulaufen, sondern läuft nach dieser Maßnahme sofort überkritisch und kann gefahrlos weiter beschleunigt werden. Danach könnte - etwa zur Verbesserung der Dämpfung - wieder die ursprüngliche Erregung hergestellt werden«. Beim Abbremsen des Kreisels wird umgekehrt verfahren« Nähert sieh der Kreisel von höheren Drehzahlen kommend der kritischen Drehzahl, so wird die kritische Drehzahl durch eine plötzliche Vergrößerung des Erregerstromes der Wicklungen 32 und 34 übersprungen.

Es ist bisher angenommen, daß der Kreisel in vollkommener Weise ausgewuohtet ist. Wenn eine dynamische Unwucht vorhanden ist, dann hat diese einen kleinen Winkel <&* zwischen der Längshauptachse A und der !Figurenachse 7 des Kreisels zur Folge. Im hochüberkritischen Betrieb fällt die Längshauptache· A mit der Lagerachse L zusammen. Die Figurenachs· beschreibt um A bzw· L einen Kreiskegel, den Unwuchtkegel, vom halben öffnungswinkel <χ_{0 0} Ihn zu verkleinern ist nicht Aufgabe der magnetischen Lagerung, denn das würd· Kräfte erfordern, die nioht einmal mit stark dimensionierten Gleitlagern übertragen werden können.

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Es kann auch anstelle der Strompfade 40, 42 eine sich über die Polflächen erstreckende massive Kupferscheibe vorgesehen werdeno In diesem Falle sind allerdings die Magnetpole durch die Dicke der Kupferscheibe weiter voneinander entfernt als dies bei der dargestellten Ausführungsform der Pail ist. Da~ durch wird bei sonst gleichen .Verhältnissen das erreichbare magnetische Feld kleiner·

ORIGINAL

Claims (2)

1. Patentansprüche

   A), Magnetische Kreisellagerung, die in einer horizontalen Ebene auf einen Kreisel wirkt, welcher um eine im wesentlichen vertikale Achse rotiert und in axialer Richtung abgestützt ist, bei welcher zwei Magnetpolflächen an dem Kreisel und an einem feststehenden Lagerkörper zur Erzeugung von horizontalen Fesselungskräften einander gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Polflächen (28,24 bzw. 36,30) mit elektrisch gut leitenden Strompfaden (40,-42) versehen ist, die durch Wirbelstrombildung eine gedämpfte Fesselung des Kreisels (12) bewirken.
2. 2. Magnetische Kreisellagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strompfade (40) ein von einem Kreis (42) umschlossenes Kreuz bilden.

   3· Magnetische Kreisellagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Abstützung des Kreisels (12) ein durch den unteren Lagerkörper (26) axial auf eine horizontale Stirnfläche des Kreisels (12) gerichteter Druckmittelstrom (36) dient.

   4« Magnetische Kreisellagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch gut leitende Strompfade (40, 42) an beiden einander gegenüber-, liegenden Polflächen (24,28 und 26,30) der Magnete vorgesehen sind.

   5· Magnetische Kreisellagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Magnetpolflächen (24,28, 26,30) in einem elektromagnetisch erregten magnetischen Kreis angeordnet sind und der Kraftfluß dieses Kreises bei Annäherung an die kritische Drehzahl des Kreisels (12) von unten oder von oben her auf einen geringeren bzw. auf einen höheren Wert umschaltbar ist. 10 9 8 12/0922

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