DE2151916A1 - Magnetische Lagerung - Google Patents
Magnetische LagerungInfo
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Description
Dipl.-lng. G. Schliebs 61 Darmstadt Ludwig-Büchner-Straße 14
Patentanwalt Telefon (06151) 62928
Postscheckkonto: Frankfurt a.M. 111157
' Bankverbindung: Deutsche Bank AG., Darmstadt An das Telegramme: inventron
Deutsche Patentamt,
8000 München 2
Zweibrückenstr. 12
Zweibrückenstr. 12
Ihr Zeichen ihr Schreiben Mein ZeichenE 195 J Tag 14·. 10.71
Patentanmeldung
Anmelder: Helmut Habermann, Vernon (Frankreich)
Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Lagerung für eine schnell laufende senkrechte Welle· Zur axialen und radialen
Lagerung der Welle dienen zwei Magnetlager, die sich im allgemeinen in der Nähe der Wellenenden befinden.
Das Problem einer solchen Lagerung besteht darin, eine schnell laufende senkrechte Welle bei minimalen Reibungskräften
mit großer Längssteifigkeit und geringerer Radialsteif igkeit zu lagern, d.h. mit kleinem zulässigem Längsspiel
und mit größerem zulässigem Radialspiel.
Die Erfindung setzt sich eine magnetische Lagerung zum Ziel, die dieses Problem löst, d.h. mit minimalen Reibungskräften
eine senkrechte Welle zu lagern, deren. Umdrehungsgeschwindigkeit bis zu 100 000 U/min betragen kann, wobei die kritischen
Drehzahlbereiche infolge der geringen Radialsteifigkeit
der Magnetlager im Verhältnis zu deren Axialstaifigkeit
ohne Schwierigkeiten durchlaufen werden können· Dabei soll die Lagerung Längenanderungen der gelagerten Welle gestatten,
ohne daß die Steifigkeitseigenschaften der beiden Magnetlager geändert werden müssen.
2093 18/0S61
2151918
Patentanwalt
Des weiteren soll die magnetische Lagerung zuverlässig, robust und unempfindlich gegenüber agressiver Atmosphäre sein.
Eine spezielle Anwendung der Erfindung ist die magnetische Lagerung in Axial- und Radialrichtung von Wellen für Zentrifugen
und besonders Ultrazentrifugen.
Die Erfindung schlägt eine magnetische Lagerung für eine
schnell laufende senkrechte Welle mit zwei die Welle aufnehmenden,
koaxialen Magnetlagern vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein oberes Magnetlager auf die Welle eine
nach oben gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine Spule aufweist, deren Speisung durch einen axialen Positionsgeber
gesteuert ist, welcher die Axiallager der Welle erfaßt, wobei die Steuerung derart erfolgt, daß der Lagerluftspalt
konstant bleibt, daß ferner ein unteres Magnetlager auf die Welle eine Axialkraft ausübt und daß die beiden Magnetlager
derart ausgebildet sind, daß auf die Welle bei einer radialen Auslenkung Radialkräfte wirken, welche sie in Lagermitte
zurückzustellen versuchen.
Bei dieser magnetischen Lagerung wird die Welle mit großer Steifigkeit in Axialrichtung gelagert und mit sehr viel geringerer
Steifigkeit in Radialrichtung.
Gemäß weiterer Erfindung weist das obere Magnetlager eine
einzige, koaxial zur Lagerachse angeordnete Ringspule auf, die in einem feststehenden metallischen Spulengehäuse untergebracht
ist, dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U hat und das unter einem Polring angeordnet ist,
der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung übt das untere
Magnetlager auf die Welle eine nach oben gerichtete Axialkraft aus.
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Patentanwalt
Zu diesem Zweck kann das untere Magnetlager eine koaxial zur Lagerach.se angeordnete RLngspule aufweisen, die in einem
feststehenden metallischen Spulengehäuse untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U hat
und das über einem Folring angeordnet ist, der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines
nach oben offenen U hat.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung übt das untere
Hagnetlager auf die Welle eine nach unten gerichtete Axialkraft aus.Hierzu kann das untere Hagnetlager eine koaxial
zur Lagerachse angeordnete RLngspule aufweisen, die in einem
drehfest gelagerten metallischen Spulengehäuse untergebracht ist, dessen Querschnitt die Fora eines nach oben offenen U
hat und das unter einem Folring angeordnet ist, der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form
eines nach unten offenen Π hat.
Gemäß weiterer Erfindung kann das Spulengehäuse des unteren Magnetlagers axial gleitend gegen ein Rückholglied in einem
feststehenden Lagergehäuse montiert sein, und es kann ein axialer Positionsgeber am unteren Wellenende vorgesehen sein,
der die Speisespannung der Bingspule des unteren Magnetlagers derart steuert, daß der Lagerluftspalt konstant bleibt.
Vorteilhaft werden erfindungsgemäß als Positionsgeber induktive Geber eingesetzt.
Bei einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung wird in diesem Fall die Spule des induktiven Gebers von einer Wechselspannungsquelle
gespeist, und das Ausgangssignal dieses Gebers geht in eine Schaltung ein, in der seriell ein FiI- _
terglied, ein Phasenkorrekturglied und ein Verstärker angeordnet sind, der zusätzlich von einer Gleichspannungsquelle
eine zum Gewicht der gelagerten Welle proportionale Gleichspannung erhält und der direkt die Spule des oberen Magnetlagers
speist.
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pl.-ing. G. Schlilbt
Dfpl.-ing
Patentanwalt
Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung sind . die einander gegenüberstehenden Teile der Spulengehäuse und
der Folringe mit gegeneinander weisenden Zehnen ausgerüstet.
Gemäß einem weiteren Merkmal sind die Magnetlager derart ausgelegt,
daß ihr Betriebspunkt weit vom Sättigungspunkt entfernt liegt·
Die erfindungsgemäße magnetische Lagerung eignet sich besonders für die Lagerung der Zentrifugentrommel einer Zentrifuge
oder Ultrazentrifuge·
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der
Zeichnung. In dieser zeigen:
Pig. 1 in schematischem Axialschnitt eine erste Ausführungsform
einer magnetischen Lagerung;
!ig. 2 in gleicher Weise eine zweite Ausführungsform einer magnetischen Lagerung;
Pig, 3 ein Schaltbild für ein Magnetlager einer magnetischen
Lagerung und
Hg. 4- in größerem Maßstab eine Einzelheit eines Magnetlagers.
Die magnetische Lagerung (Fig. 1 und 2) besitzt zwei koaxiale
Magnetlager 1 und 2, in denen die beiden Enden einer senkrechten Welle 3 gelagert sind.
Die Welle 3 trägt im gewählten Anwendungsbeispiel der Erfindung eine schnell laufende Trommel Ά- einer Zentrifuge oder
Ultrazentrifuge· Der Antrieb der Trommel erfolgt durch nicht
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pT.-lng. β. Id)IiAs
DipT.-lng
dargestellte Antriebsnlttel wie z.B. einen Elektromotor, dessen Rotor sich in Trommelmantel befinden kann.
Bas obere Magnetlager 1 übt auf die Welle 3 eine nach oben
gerichtete Axialkraft aus. Dieses Lager besitzt mindestens eine Spule 5t deren Speisung von einem zugehörigen Positionsgeber 6 gesteuert wird, der die Axiallage der Welle 3 erfaßt,
so daß der luftspalt des Lagers konstant bleibt· Das untere Hagnetlager 2 übt auf die Welle 3 ebenfalls eine Axialkraft
aus, die je nach Konstruktion der magnetischen Lagerung nach
oben oder unten gerichtet sein kann.
Die beiden Magnetlager 1 und 2 sind so ausgebildet, daß sie auf die Welle 3 Radialkräfte ausüben, welche die Welle bei
einer Auslenkung in die koaxiale Mittelstellung zurückzuführen versuchen.
Das obere Magnetlager 1 besitzt vorteilhaft eine einzige koaxiale Ringspule 5» die in einem metallischen Spulengehäuse
7 untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen TJ aufweist.
Das Metallgehäuse 7 ist über einem Polring 8 angeordnet, der
fest mit der Welle 3 bzw· der Trommel 4 verbunden ist und
dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat. Das untere Magnetlager 2 übt bei der Ausführungsform in Fig.
1 eine nach oben gerichtete Axialkraft auf die Welle 3 aus. Es besitzt eine koaxiale Ringspule 9* die in einem feststehenden metallischen Spulengehäuse 10 untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U hat. Das
Spulengehäuse 10 ist über einem Polring 11 angebracht, der fest mit der Welle 3 verbunden ist und dessen Querschnitt
die Form eines nach oben offenen U aufweist·
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pUng. G. SdiliS»
DipT.-lng
Bei der Ausführungsform in fig. 2 übt das untere Hagnetlager
2 eine nach unten gerichtete Kraft auf die Welle 3 aus. Das Magnetlager besitzt eine koaxiale Bingspule 12, die in einem
in Drehrichtung festen Metallischen Spulengehäuse 13 untergebracht ist, dessen Querschnitt die Fora eines nach oben
offenen U hat. Bas Spulengehause 13 ist unter einem Polring
14 angeordnet, der fest «it der Welle 3 oder der Trommel 4
verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U hat.
Bei den oberen oder unteren Magnetlagern 1 und 2 fällt die
Achse der Ringspule (5, 9 oder 12) zusammen mit der Achse des entsprechenden Spulengehäuses (7, 10 oder 13). Da nun
diese Spulengehäuse im Querschnitt U-formig sind, wird der magnetische FIuS gezwungen, um den die Spule aufnehmenden
ringförmigen Baum zu laufen, wobei magnetische Nord- und Südpole entstehen, wie für das obere Magnetlager 1 in Fig. 1
angedeutet ist. Der äußere Umfangsteil des zugehörigen Polringes (8, 11 oder 14) besitzt also wahrend der Drehung immer die gleiche Polarität· Wenn die Achsen von Lager und
Spule fluchten, dann ist demnach die Induktion an jedem beliebigen Punkt des Polringe· während seiner Drehung konstant. Hieraus ergibt sich, daß das magnetische Seibungsmo-
* ment auf einen Minimalwert reduziert ist.
Wenn die von Welle 3 und Trommel 4 gebildete Einheit während
des Betriebes Längenänderungen erfahren kann, dann ist es von Vorteil, das Spulengehäuse 13t welches* die Bingspule 12 des
unteren Magnetlagers 2 aufnimmt, axial gleitend in einem feststehenden Lagergehäuse 15 aufzunehmen und durch eine Feder
15a nach oben zu drücken. Zur Begrenzung des Hubes des Spulengehäuses 13 nach unten ist ein Anschlag 15b vorgesehen.
Ein Positionsgeber 16 ist am unteren Wellenende angeordnet. Er steuert die Speisung der Bingspule 12 so, daß der Luftspalt des unteren Magnetlagers 2 konstant bleibt.
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pT.-lng. G. sdiliäbs
Dipl.-lng
Als Positionsgeber (6, 16) lassen, sich bevorzugt induktive
Geber einsetzen·
In Fig. 3 ist schematisch ein elektronischer Hegelkreis zur
Lagepositionierung eines Magnetlagere dargestellt, der als Beispiel zwischen den Positionsgeber 6 und die Ringspule 5
des oberen Hagnetlagers 1 geschaltet ist.
Die Spule des induktiven Gebers 6 wird von einer Wechselstrom· quelle 17 gespeist, und das Geberausgangssignal wird von
einer Schaltung verarbeitet, in der seriell ein Filterglied 18, ein Phasenschieber 19 und ein Verstärker 20 angeordnet
sind, der zusätzlich von einer Gleichspannungsquelle 21 eine Gleichspannung erhält, die proportional zum scheinbaren Gewicht der von Welle 3 und Trommel 4 gebildeten Einheit ist.
Der Verstärker 20 speist direkt die Ringspule 5 des Magnetlagers 1·
Um eine bessere Zentrierung der Hagnetlager 1 und 2 zu bewirken, ist es von Vorteil (Fig. 4), die einander gegenüberstehenden Teile der Spulengehäuse 7, 10 und 13 und der Polringe
8, 11 und 14 mit gegeneinander weisenden Zähnen 22 zu versehen. Die Hagnetlager 1 und 2 sind bevorzugt so ausgelegt,
daß sie weit vom magnetischen Sättigungspunkt entfernt arbeiten, was relativ große Radialauelenkungen erlaubt, ohne
deshalb die Axialkräfte zu schwächen.
Als Beispiel läßt sich bei einer zu lagernden Hasse von ca· 10 kg eine magnetische Lagerung realisieren mit einer Axialsteife, die einem Lagerspiel von ca. 0,1 mm entspricht, und
mit einer Radialsteife, die einem Lagerspiel von ca. 1 mm entspricht.
Die magnetische Lagerung der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf, unter denen insbesondere folgende zu nennen
sind:
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pi.-lng. 6. Schliebi
DipT.-lng
Patentanwalt
Mit ihr läßt sich eine Aufhängung erzielen, die eine große
Steifigkeit in Axialrichtung und eine geringe Steifigkeit in Radialrichtung besitzt;
sie gestattet ohne Schwierigkeit das Durchlaufen kritischer
Drehzahlen;
sie ist zuverlässig, robust und gegenüber agressiver Atmosphäre
unempfindlich;
sie erlaubt Längenänderungen der gelagerten Welle, ohne daß
sich die Steifigkeitseigenschaften der beiden Hagnetlager
ändern;
sie erzeugt nur sehr geringe Reibungsmomente und weist keinerlei Berührungskontakt auf.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Anwendungsbeispiele beschränk-^ und in ihrem Rahmen sind je nach Anwendung
zahlreiche Abwandlungen möglich.
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Claims (12)
- DipT.-lng.PatentanwaltPatentansprücheMagnetische Lagerung für eine schnell laufende senkrechte Welle mit zwei die Welle aufnehmenden koaxialen Magnetlagern, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberes Magnetlager (1) auf die Welle (3) eine nach oben gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine Spule (5) aufweist, deren Speisung durch einen axialen Positionsgeber (6) gesteuert ist, welcher die Axiallage der Welle erfaßt, wobei die Steuerung derart erfolgt, daß der Lagerluftspalt konstant bleibt, daß ferner ein unteres Magnetlager (2) auf die Welle eine Axialkraft ausübt und daß die beiden Magnetlager derart ausgebildet sind, daß auf die Welle bei einer radialen Auslenkung Radialkräfte wirken, welche sie in Lagermitte zurückzustellen versuchen.
- 2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Magnetlager (1) eine einzige, koaxial zur Lagerachse angeordnete Ringspule (5) aufweist, die in einem feststehenden metallischen Spulengehäuse (7) untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U hat und das unter einem Polring (8) angeordnet ist, der fest mit der Welle (3) verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat.
- 3« Magnetische Lagerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Magnetlager (2) auf die Welle (3) eine nach oben gerichtete Axialkraft ausübt.
- 4. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Magnetlager (2) auf die Welle (3) eine nach unten gerichtete Axialkraft ausübt.209818/0661αΐ.-Jng. G. SdilisssDipi.-lngPatentanwaltJo
- 5. Magnetische lagerung nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Hagnetlager (2) eine koaxial zur Lagerachse angeordnete Bingspule (9) aufweist, die in einem feststehenden metallischen Spulengehäuse (10) untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U hat und das über einem Polring (11) angeordnet ist, der fest mit der Welle (3) verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat·
- 6. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1,2 und 4·, dadurch k gekennzeichnet, daß das untere Hagnetlager (2) eine koaxial zur Lagerachse angeordnete Bingspule (12) aufweist, die in einem drehfest gelagerten metallischen Spulengehäuse (13) untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat und das unter einen Polring (14) angeordnet ist, der fest mit der Welle (3) verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U hat.
- 7. Magnetische Lagerung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulengehäuse (10, 13) des unteren Magnetlagers (2) axial gleitend gegen ein Rückholglied (15a) in einem feststehenden Lagergehäuse (15) montiert ist und daß ein axialer Positionsgeber (16) am unteren Wellenende vorgesehen ist, der die Speisespannung der Ringspule (11, 12) des unteren Magnetlagers derart steuert, daß der Lagerluftspalt konstant bleibt.
- 8. Magnetische Lagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch induktive Positionsgeber (6, 16).209318/0661DipT.-fng.Patentanwalt
- 9. Magnetische Lagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule des induktiven Gebers (z.B. 6) von einer Wechselspannungsquelle (17) gespeist ist und das Ausgangssignal dieses Gebers in eine Schaltung eingeht, in der seriell ein RLlterglied (18), ein Ehasenkorrekturglied (19) und ein Verstärker angeordnet sind, der zusätzlich von einer Gleichspannungsquelle (21) eine zum Gewicht der gelagerten Welle proportionale Gleichspannung erhält und der direkt die Spule (z.B. 5) des z.B. oberen Magnetlagers (1) speist.
- 10. Magnetische Lagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7t dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberstehenden Teile der Spulengehäuse (7» 10, 13) und der Polringe (8, 11, 14) mit gegeneinander weisenden Zähnen (22) ausgerüstet sind.
- 11. Magnetische Lagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hagnetlager derart ausgelegt sind, daß ihr Betriebspunkt weit vom Sättigungspunkt entfernt liegt.
- 12. Magnetische Lagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Lagerung einer Zentrifuge oder Ultrazentrifuge dient, wobei eine Zentrifugentrommel (4) über die Welle (3) gelagert ist.209818/0661
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