DE2151916C3 - Magnetische Lagerung für eine senkrechte Welle - Google Patents
Magnetische Lagerung für eine senkrechte WelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung für
eine Schnell laufende senkrechte Weife iftil je einem
oberen und einem unteren koaxialen Magnetlager, die
die Welle derart aufnehmen, daß das obere Magnetlager auf die Welle eine nach oben gerichtete Axialkraft
ausübt und mindestens eine koaxial zur Lagerachse angeordnete Spule aufweist, die in einem feststehenden
Spulengehäuse untergebracht ist und deren Speisung durch einen axialen induktiven Positionsgeber geregelt
ist, welcher die Axiallage der Welie erfaßt, wobei die
Regelung derart erfolgt, daß der axiale Lagerluftspalt konstant bleibt, und das untere Magnetlager auf die
Welle eine nach unten gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine koaxial zur Lagerachse angeordnete
Ringspule aufweist, die in einem Spulengehäuse untergebracht ist, wobei das Spulengehäuse des unteren
Magnetlagers einen Querschnitt aufweist, der die Form eines nach oben offenen U hat und unter einem Polring
angeordnet isl, der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach unten
geöffneten U hat. das Spulengehäuse des oberen Magnetlagers einen Querschnitt aufweist, der die Form
eines nach unten geöffneten U hat und über einem Polring angeordnet ist, der fest mit der Welle verbunden
ist und dessen Querschnitt die Form eines nach »hen
offenen U hai. und die einander gegenüberstehendem
Teile der Spulengehäuse und der Polringe mit gegeneinander weisenden /ahnen ausgerüstet sind.
[!ine magnetische Lagerung dieser Art für schnell
laufende senkrechte Wellen besitzt geringste Reibungsverluste sowie eine verhältnismäßig große l.agersteifig
keil in axialer Richtung, ledoch eine geringere
Lagci steifigkeit in radialer Richtung. Solche Wellen
liigeniMgeii finden mit Vortei1 in Zentrifugen, insbesondere
in Ultrazenirifugen Verwendung. Das gegenüber
dem Axialspiel größere Radialspiel ist erwünscht, um
das von der Welle getragene rotierende System nut verhältnismäßig geringen mechanischen Krähen durch
die Resonanzdrehzahlen fahren zu können.
I ine magnetische Lagerung der eingangs beschriebenen
Art ist beispielsweise aus der US-PS 34 74 852 bekannt Die dort beschriebene Wellenlagerung ist mit
einem oberen und einem unteren \'ji»netlager .iiisgeru
stet, die zugleich stabilisierende Kräfte in radialer
Richtung und gegeneinander wirkende, stabilisierende
Kräfte in axialer Richtung ausüben Fin axi.ner
Positionsgeber, verbunden mit einem auf die Verlage rungsgeschwindigkeit ansprechenden Geber, kontrollieren
die Speise '.Innungen d« r Spulen der f lekiroma
gnelen der beulen Magnetlager Diese I agerung ermöglicht /war ein eng begrenztes Axialspiel, sie ist
jedoch nicht dafür geeignet, sich I angenänderungen der
Welle an/iipassen bzw eine bestimmte axiale Steifigkeit
auch bei Änderungen m der Wellenlänge aufrecht/iier
halten
Auch aus der US PS M1IOKIb ist eine magnetiM he
I agerung fur eine senkrechte Welle mit einem oberen
und einem unteren Magnetlager bekannt, die .in den
f mien der Welle angeordnet sind |cdes Lager weist
/wei Spulen auf Die Speisespannung der einen Spule
jedes Magnetlagers wird von einem axialen Positionsgeber
gesleiierl. wahrend die Speisespannung der /weiten
Spule durch einen auf die Verlagerungsgeschwindigkeil
ansprei henilen Geber gesteuert *ird Line solche
Lagerung erlaubt cmc Stabilisierung der axialen
Positionierung der Welle» Aber auch diese bekannte Ausführungsform ktifin möglichen La'ngcniindeTungcn
der Welle nicht Rechnung tragen.
Da sich der magnetische Kraftfluß zwischen dem
Spulenkern des Lagers und dem Polring des rotierenden Systems mit größer werdendem Luftspalt zwischen
; diesen Teilen stnrk vermindert, nimmt auch die uxinle
; Steifigkeit der bekunnten Lager mit zunehmendem
Axialspiel der Welle erheblich ab. Eine für viele Anwendungsfiille in axialer Richtung ausreichende
• Steifigkeit der Wellenlagerung ist daher nur dann
S gegeben, wenn der axiale Spalt /wischen den Spulen-
kernen der Lager und den diesen gegenüberliegenden
\ Pulringen des Wellensystems äußerst gering ist.
Größenordnungsmäßig sind dabei Spaltweiten vun etwa 0,1 mm erforderlich. Bei derart geringen .Spaltweiten
sind Längenänderungen der Welle praktisch nicht mehr zulässig. Dehnt sich die Welle aus, stößt die
Lagerung an, wird sie kürzer, nimmt die axiale
J Steifigkeit der Lagerung stark ab.
: Insbesondere bei schnell laufenden Zentrifugen, die
mit Drehzahlen bis zu 100 000 Umdrehungen pro
Minute arbeiten, treten Veiformiingcn des rotierenden
Zentrifugenkorpers auf. die zu dessen Durchmesserzunahme und zu einer entsprechenden Verkürzung der
Welle führen. Die siarksu-n Dimensionsänderungen
treten beim Durchfahren der kritischen Drehzahlen auf
lind können zu einer WeÜenverkiirzung bis beispielsweise
2 mm fuhren. Diesem /ahlenbcispicl :st onne
weiteres entnehmbar, d.iß eine solche Wellenverkur
ziing. gemessen an dem geforderten Axialspiel der
Welle von etwa 0.1 mm /u einer unverhältnismäßig
grollen Verbreiterung des luftspalles der Magnetlage
rung führt, die eine entsprechende Abnahme der axialen
Steifigkeit der Lagerung zur folge hat.
Der 1 rfindung liegt daher ilie Aufgabe zugrunde, eine
magnetische Lagerung der eingangs bezeichneten Art
derart zu verbessern, daß das geforderte Verhältnis zwischen einer verhältnismäßig großen l.agersteifigkeit
in axialer Richtung und einer niedrigeren l.agersteifig
keil in radialer Richtung auch hei I.angenämlerungen
der Welle aufrecht erhalten weiden kann. d. h.. daß bei
solchen Längenänderungen der axiale Luftspalt der Lagerungen konstant gehalten werden kann, so daß die
Steifigkeit der Lagerung in axialer Richtung unverändert
bleibt
Diese Ai, gäbe wird fur eine magnetische Lagerung
der betreffenden Λπ erfindungsgemaß dadurch gelost,
d.iß tlas Spulengehäuse des unteren Magne'lagers axial
gleitend gegen ein Riickhulglied in einem feststehenden
Lagergehäuse montiert ist. und daß ein axialer induktiver Positionsgeber am linieren Wellenende
vorgesehen ist. der die Speisespannung der Ringspule
des linieren Magnetlager derart regelt, daß der axiale
l.agerluftspalt konstant hli-iht.
Diese Ausbildung iles unteren Magnetlager stellt
praktisch eine funklioii ,mäßige Hintercinandcrsch.il
lung zweier Kraft Weg abhängiger I lenienle dar. von
denen da' eine, nämlich Jas eigentliche magneiische
Lager, eine sehr starke Abhängigkeit der Kraft vom
Verschiebungsweg aufweist, das andere aber in seinem
Kraflvcrhalten verhältnismäßig unabhängig vom Weg
gehalten werden kann Diese Maßnahme ermöglicht es.
das magnetische Lager durch entsprechend geregelte Stromabnahme auch bei Änderung der Wellenlange
keine Relativbewegung zwischen Welle und Spulengehäuse des Magnetiagers ausführen zu lassen, so daß die
gesamte Längenänderung der Weite von dem clastisehen Rückliolglicd aufgefangen wird, Damit sind
R Lärigenändcrungen der Welle möglich, ohne auf die
berührungsfreic, magnetische Lagerung der Welle unter
-; konstanten Bedingungen verzichten zu müssen.
> Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie
deren Verwendung sir.il in den Unteransprüchen beansprucht.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen im einzelnen näher beschrieben. Es stellen dar
Fig. I einen schematischen Axialschnitt durch die
magnetische Lagerung einer vertikal angeordneten Welle;
F i g. 2 ein beispielhaftes Schallbild für ein Magnetlager
einer Lagerung nach F i g. I und
F i g. 3 eine Einzelheit der Magnetlager nach F i g. I in vergrößertem Maßstab.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte magnetische Lagerung 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 4 einer Zentrifuge oder Ultrazentrifuge. Der Antrieb der
Trommel erfolgt durch nicht dargestellte Antriebsmittel wie z. B. einen Elektromotor, dessen Rotor sich im
Trommelmantel befinden kann.
Das obere Magnetlager l jjht am -lie Welle 3 eine
nach oben gerichtete Axialkraft aus. Dieses Lager besitzt mindestens eine Spule 5. deren Speisung von
einem zugehörigen Positionsgeber 6 gesteuert wi:d. der
die Axii'llage der Welle 3 erfaßt, so daß der Luftspal; des
Lagers konstant bleibt. Das untere Magnetlager 2 übt auf die Welle 3 eine nach unten gerichtete Axialkraft
aus
Die beiden Magnetlager 1 und 2 sind so ausgebildet,
daß sie auf die Welle 3 auch Radialkräfte ausüben, welche die Welle bei einer Ausslenkung in die koaxiale
Mittelstellung zurückzuführen versu. hen
Das obere Magnetlager 1 bes /t vorteilhaft eine einzige koaxiale Ringspule 5. die ιί einem metallischen
Spulengehäuse 7 untergebracht ist. dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U 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.
'\)s untere Magnetlager 2 übt eine nach unten
gerichtete Kraft auf die Welle 3 aus. Das Magnetlager besitzt eine koaxiale Ringspule 12. die in einem in
Drehrichtung festen metallischen Spulengehäuse 13
untergebracht ist. dessen Querschnitt Jie Form eines nach oben offenen U hat. Das Spulengehäuse 13 ist
unter einem Polring 14 angeordnet, der fest mn tier
Welle 3 oder der Trommel 4 verbunden ist und dessen Querschnitt die form eines nach unten offenen U hat.
I5ei den oberen oder unteren Mugnetlagern ! und 2 fallt die Achse der !'ingspule (5 oder 12) zusammen mit
der Achse des entsprechenden Spulengehäuses (7 od».r
13). Da nun diese Spulengehäuse im Querschnitt U formig sind, wird der magnetische Fluß gezwungen,
um den die Spule aufnehmenden ringförmigen Rau,η /u
laufen, wobei magnetische Nord- und Südpole entstehen,
wie für das obere Magnetlager 1 in F i g. 1 angedeutet ist Der äußere Umfanfrsteil des zugehörigen
Polringes (8 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 Polringes
während seiner Drehung konstant. Flieraus ergibt sich, daß dns magnetische Reibungsmorrtenl auf einen
Minitnalwert reduziert ist.
Zur Aufnahme von Längenänderungen der von Welle 3 und Trommel 4 gebildeten Einheit während des
Betriebes ist das Spulengehäuse 13. welches die
Ringspule 12 des unteren Magnetlager1; 2 aufnimmt,
axial gleitend in einem feststehenden Lagergehäuse 15 aufgenommen und wird durch eine Feder 15« nach oben
zu gedruckt. Zur Begrenzung des Hubes des Spulengehäuses
13 nach unten ist ein Anschlag 15b vorgesehen.
Ein Positionsgeber 16 ist am unteren Wcllcncnde angeordnet. Er steuert die Speisung der Ringspule 12 so,
daß der Luftspalt des unleren Magnetlagers 2 konstant
bleibt.
Die Positionsgeber (6,16) sind induktive Geber.
In Pig.2 ist schematisch ein elektronischer Regelkreis
zur Lagcposilionierung eines Magnctlagcrs dargestellt, der als Beispiel zwischen den Positionsgeber
6 und die Ringspule 5 des oberen Magnetlager 1 geschaltet ist.
Die Spule des induktiven Gebers 6 wird von einer Wechselstromquellc 17 gespeist, und das GeberausgufigSSigfiui
w'iru Von einer oCimiiÜMg Vcfuruciici, ΐΠ ucT
seriell ein Filtcrglied 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
Magnetlager 1.
Um eine bessere Zentrierung der Magnetlager 1 und 2 zu bewirken, sind gemäß Fig.3 die einander
gegenüberstehenden Teile der .Spulengehäuse 7 und 13
und der Polringc 8 und 14 mit gegeneinander weisenden
Zähnen 22 versehen. Die Magnetlager 1 und 2 sind bevorzugt so ausgelegt, daß sie weit vom magnetischen
■ Sättigungspunkt entfernt arbeiten, was relativ große
Radialatislcnkungcn ertaubt, ohne deshalb die Axialkräfte
zu schwächen.
Als Beispiel läßt sich bei einer zu lagernden Masse
von ca. IO kg eine magnetische Lagerung realisieren mit
ι» einer Axialsteife, die einem Lagerspiel von ca. 0,1 mm
entspricht, und mit einer Riidialslcife, die einem
Lagerspiel von ca. t mm entspricht.
Die magnetische Lagerung weist eine Reihe von Vorteilen auf, unter denen insbesondere folgende zu
i"> nennen sind:
Mit ihr läßt sich eine Aufhängung erzielen, die eine große Steifigkeit in Axialrichtung und eine geringe
Steifigkeit in Radialrichturig besitzt;
.»ο kritischer Drehzahlen;
sie ist zuverlässig, robust und gegenüber aggressiver
Atmosphäre unempfindlich:
sie erlaubt Längenänderungen der gelagerten Welle, ohne daß sich die Steifigkcitscigenschaften der beiden
j> Magnetlagerändern;
sie erzeugt nur sehr geringe Reibüngsmomente und weisi keinerlei Berührungskontakt auf.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Magnetische Lagerung für eine schnell laufende senkrechte Welle mit je einem oberen und einem
unteren koaxialen Magnetlager, die die Welle derart aufnehmen, daß das obere Magnetlager auf die
Welle eine nach oben gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine koaxial zur Lagerachse
angeordnete Spule aufweist, die in einem feststehenden Spulengehäuse untergebracht ist und deren
Speisung durch einen axialen induktiven Positionsgeber geregelt ist, welcher die Axiallage der Welle
erfaßt, wobei die Regelung derart erfolgt, daß der axiale Lagerluftspalt konstant bleibt, und das untere
Magnetlager auf die Welle eine nach unten gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine
koaxial zur Lagerachse angeordnete Ringspule aufweist, die in einem Spulengehäuse untergebracht
ist, wobei das Spulengehäuse des unteren Magnellagers einen Querschnitt aufweist, der die Form eines
nach obe», offenen U hat und unter einem Polring Sngeürdne! !*.! .!er fest mn der VVeMe verbunden ist
und dessen (.)iierschnitt die Form eines nach unten
offenen U hat, das Spulengehäuse des oberen Magnetlagers einen Querschnitt aufweist, der die
Form iines nach unten offenen U hat und über einem Polring angeordnet ist. der fest mit der Welle
verbunden ist und dessen Querschnitt die form eines
nach oben offenen U hat. und die einander gegenüberstehenden Teile der Spulengehäuse und
eier Polringe mit gegeneinander weisenden /ahnen
uusgeruste' sind, dadurch gekennzeichnet,
daß das Spulengehäuse (10, 13) des unteren Magnetlagers (2) axial gleile.nl gegen ein Ruckholglied
(15j/ in einem feststehen Jen Lagergehäuse (15)
montiert ist und daß ein axialer induktiver Positionsgeber (16) am unteren Wellenende vorgesehen
ist. der die Speisespannung der Ringspule (11, 12) des unteren Magnetlager derarl regell, daß der
axiale l.agerluftspall konstant bleibt
2. Magnetische I agerung nach Anspruch I. liddurch pfkenn/eii'hnet. daß die Spule des indiikti
ven Gehers (/. B f>) von einer Wechselspannung·,
quellt-(17) gespeist ist und das Ausgangssignal dieses
Gebers in eine Schaltung eingeht, in der send! ein
Filterglied (18). ein Ph.isenkorrckturglicd (19) und
cm Verstarker ,ingeordnet sind, der /usat/lich von
einer Gleichspannungsquellc (21) eine /um (iewicht
der gelagerten Welle proportionale Gleichspannung erhalt und dci direkt die Spule (/ (V 5) des /. B
oberen Magnetlagers (1) speist.
S Magnetische Lagerung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetlager
der.iri ,uisgelegl sind, daß :hr Betriebspunkt weil
Vom Sätligungspiinkl der Magnetisierung enlferni
liegt
4 Magnetische lagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 5. dadurch gekenn
zeichnet, daß sie zur lagerung einer Zentrifuge oiler
iMtra/entrifiige dienl. wobei eine /inirifiigenlroiii
mel (4) uher die Welle (5) gelagert isl
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