DE3011078C2 - Magnetlager - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Magnetlager für einen zu einer Achse drehtür angeordneten Rotor mit am Rotor
befindlichen Magnetringen ?.ur berr«hrungsfreien Zentrierung
des Rotors gegenüber der Achse gernäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Aus der DE-PS 8 29 832 ist ein Lager bekannt, bei dem durch entsprechende Anordnung von Permanentmagneten
ein axiales Spiel der Welle oder des Zapfens unterbunden werden kann.
Es sind bereits elektrische Drehmaschinen bekannt, die als Motor oder als Generator arbeiten und einen das
kinematische Schwungrad bildenden Rotor aufweisen. Derartige Maschinen sind heute unter dem Namen »kinetische
Räder« bekannt und werden oft aufgrund ihres geringen Gewichts sowie ihrer kleinen Abmessungen an
Bord von künstlichen Satelliten verwendet.
Ein derartiger Rotor ist gewöhnlich freilaufend um seine Drehachse aufgehängt und seine Axialstellung auf
dieser Achse oder Welle wird aufgrund einer Aufhängung mit magnetischen Lagern aufrechterhalten, die
Luftspalte zwischen dem Rotor und feststehenden an der Welle befestigten Teilen bewahren, wobei diese
Luftspaite sich in im rechten Winkel zur Welle liegenden Ebenen befinden. Somit ist der Rotor zwischen seinen
Luftspalten aufgehängt, die eine Weite von etwa 0.6 bis 0,7 mm haben, wobei es unter Berücksichtigung ihrer
Unbesländigkeit erforderlich ist, in den Magnctlagern Elektromagnete unterzubringen, deren Speisestrom so
geregelt wird, daß die Weite dieser Luftspalte so konstant wie möglich gehalten wird. Darüber hinaus sind
zur Vermeidung, daß sich der Rotor axial um eine Länge verschiebt, die ausreicht, daß er während der Rotation
gegen feststehende Teile des entsprechenden kinetischen Rades aufgrund eines Versagens der Magnetlager
oder Eintreten von unvorhergesehenen Bctriebszuständen stößt und die Gefahr einer Beschädigung und möglicherweise
eine Zerstörung des Rades verursacht. .Sicherheitsanschläge vorgesehen, die jeweils aus einem
Kugellager, Rollen- oder Nadellager bestehen, die /.ur
Rotorachse konzentrisch angeordnet sind. Ein Ring eines derartigen Lagers, z. B. der Außenring, ist unmittelbar
am Rotor befestigt, während der andere Ring des
Lagers, beispiclshalbcr der Innenring, an einem Anschlagtci!
befestigt ist, so daß er mit einem komplementären mit der Welle verbundenen Anschlagteil zusammenarbeiten
kann, wenn ein beträchtliches Maß an Axialgleiten des Rotors vorliegt Unter normalen •Betriebsbedingungen,
wenn also der Rotor in der richtigen Axialstellung ist und sich um seine Achse dreht, drehen sich
die beiden Ringe des Lagers mit dem Rotor und es tritt faktisch keine Relativbewegung zwischen den Ringen
auf, wobei die beiden zusammenarbeitenden Anschlagteile
dann zueinander in einem räumlichen Abstandsverhältnis
stehen.
Andererseits kommen bei Auftreten einer beträchtlichen Axialverschiebung des Rotors die beiden Anschlagteile
miteinander in Kontakt, um die Amplitude der Bewegung zu begrenzen. Zu diesem Zeitpunkt ist
der Innenring daran gehindert, sich zu drehen, und der Ruiüf dfchi Sich aufgrund der Tatsache UiTi Seine Achse,
daß der Außenring sich gegenüber dem Innenring zu drehen beginnt.
Um den einwandfreien Betrieb dieser Sicherheitsanschlage
zu gewährleisten, ist es für das Längsspiel zwischen den beiden Ringen der Kugellager unerläßlich,
daß dieses faktisch Null ist, da sonst die Außenringe und demzufolge auch der Rotor ihre Axialverschiebung weiter
fortsetzen könnten, während die Innenlauf ringe be-
jo reits blockiert sind, wodurch der Schutz durch die Sicherheitsanschläge
illusorisch wird.
Es wurde bereits zur Überwindung dieses Nachteils unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die vom Hersteller
gelieferten Toleranzen der Kugellager auf dem Markt kein hinreichend kleines Längsspiel gewähren,
vorgeschlagen, in jedem Sicherheitsanschlag zwei identische, gekoppelte konzentrische Kugellager einzusetzen
und zwischen den Innenringer, der Lager jedes derart ausgestatteten Paares eine Zwiscueii- oder Beilage
unterzubringen, so daß diese Innenringe auf diese Weise einen hinreichenden Abstand voneinander erhalten, so
daß das Längsspiel des Kugellagerpaares faktisch Null ist.
Eine derartige Lösung hat jedoch auch Nachteile. Es müssen zwei Kugellager pro Sicherheitsanschlag vorgesehen
werden, wodurch die Gesamtkosten steigen und eine zusätzliche Masse sowie größere Abmessungen
eingeführt werden, wogegen im Hinblick auf die aufzunehmenden Belastungen nur ein Kugellager ausreichend
wäre. Darüber hinaus ist dic>e bekannte Lösung schwierig in der Herstellung, da die Kugellager gepaart
weiden müssen und eine oft nur wenige Millimeter dikke
Bei- oder Zwischenlage maschinell angefertigt und in Stellung gebracht werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Weise ein Magnetlager zu schaffen, bei dem trotz der sich aus der
Herstellung der Kugellagerteile selbst ergebenden Toleranzen kein Spiel zwischen den Lagerteilen vorhanden
ist.
M) Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Magnetlager
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die
im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Magnet·
h5 lagers soll nachfolgend anhand der Zeichnungen, die ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigen, erläutert werden. Dabei zeigt
I·' i g. I eine Tcilansicht im axialen Halbschnitt eines
Sicherheitsanschlags für ein kinetisches Trägheitsrad bekannter Bauart;
F i g. 2 eine Teilansicht in der F i g. 1 ähnlicher Darstellung eines Sichcrheitsanschlags für ein kinetisches
Trägheitsrad nach der Erfindung.
Nach den Zeichnungen, in denen für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden, weist das
Rad der F i g. 1 einen Rotor 1 auf, der sich um eine Achse 2 einer feststehenden Welle 3 dreht Der Rotor 1
ist freilaufend auf -dor Welle 3 montiert und wird dort
über Magnetlager bekannter Bauart in Axialstellung gehalten. In der F i g. 1 sind nur die magnetisierten Ringe 4
und 5 eines Magnetlagers wiedergegeben. Die Ringe 4 und 5 sind gegen die Achse 2 konzentrisch.
Der Rotor 1 weist eine Büchse 6 auf, mit der er fest verbunden ist und die zur Achse 2 konzentrisch liegt. In
dem ringförmigen Raum zwischen dtr Büchse 6 und der Welle 3 sind zwei übereinander liegende Kugellager 7
und 8 untergebracht Die Außenlaufringe Ta und Sa der
Lager 7 und 8 stoßen aneinander und stehen mit der Innenwand der Büchse 6 in Kontakt Sie werden zwischen einer Beilage 9 und einer Ringmuiier IC gehalten,
die auf einem in der Innenwand der Büchse 6 vorgisehenem Gewinde aufgeschraubt ist Die Innenlaufringe Tb
und 86 der Lager 7 und 8 werden von einem zur Achse 2 konzentrischen Innenring 11 abgedeckt der einen
Flansch 12 aufweist, der auf die Kante des Laufrings 76 stößt Darüber hinaus können auf der Seite der Magnetringe 4 und 5 durch eine Ringmutter 13, die auf einem
Gewinde in der Außenwand von Ring 11 aufgeschraubt
ist die Innenlaufringe Tb und 8b zwischen der Außenwand und dem Flansch 12 festgezogen werden. Eine
Zwischen- oder Beilage 14 liegt zwischen den inneren Laufringen Tb und Bb, um ein Längsspiel des Lagerpaares 7,8 zu vermeiden.
An dem Teil neben dem Flansch 12 weist der Ring 11
eine Abschrägung 15 gegenüberliegend einer komplementären abgeschrägten Kante 16 der Welle 3 auf. Abgesehen von den magnetisierten Ringen 4 und 5 sind die
verschiedenen Elemente des Anschlags der Fig. 1 aus nicht-magnetischem Werkstoff gefertigt.
Bei Normalbetrieb wird der Rotor 1 aufgrund der Wirkung der Magnetlager in relativer Axialsteiiung zur
Welle 3 gehalten, so daß ein Luftspalt 17 einerseits zwischen dem Ring 11 und der Welle 3 und andererseits
zwischen der abgeschrägten Kante 16 und der Abschrägung 15 vorliegt. Der Rotor 1 kann somit frei um die
Welle 3 rotieren. Es ist zu bemerken, daß der Ring 11
sich dann über die Kugellager 7 und 8 mit dem Rotor 1 dreht, deren Innenlaufringe Tb und 86 mit den äußeren
Laufringen Ta und 8a mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie der Rest des Roto-s um die Welle 3 rotieren.
Bei dieser Betriebsart intervenieren die Lager 7 und 8 bei der Drehung des Rotors 1 nicht und dienen nur als
Verbindung zwischen letzterem und dem Ring 11.
Sollte sich aus irgendeinem Grunde der Rotor 1 nach oben bewegen (vgl. F i g. 1), so tritt der Fall ein, daß die
Abschrägung 15 mit der abgeschrägten Kante 16 in Kontakt kommt. Der Ring 11 löst sich aufgrund der sich
daraus ergebenden Reibung von der Rotation des Rotors, der jedoch aufgrund der Tatsache weiter rotieren
kann, daß die Lager 7 und 8 dann ihre Funktion als Lager ausüben. Da die zwischen den Laufringen Tb und
8b eingesetzte Zwischenlage 14 etwaiges Längsspiel faktisch eliminiert, kommt die relative Verschiebung des
Rotors 1 gegenüber der Achse 3 zum Stillstand, sobald die Abschrägungen 15 und 16 einander berühren.
Selbstverständlich ist auf dem Rad noch ein zusätzlicher
(nicht dargestellter) Anschlag vorgesehen, der auf ähnliche Weise wirksam wird, wenn die Rotorverschiebung
in die entgegengesetzte Richtung (nach unten in F i g. 1) geht
Wie bereits erwähnt, weist der Sicherheitsanschlag der F i g. 1 Nachteile auf. die durch die Erfindung überwunden werden, was anhand des Beispiels der F i g. 2
dargelegt wird.
Hier sind auch die gleichen Bauelemente 1 bis 6,9 bis
ίο 12 und 15 bis 17 eingezeichnet die genauso wie in F i g. 1
angeordnet sind, ausgenommen die Kugellager 7 und 8. die Ringmutter 13 und die Beilage 14. Das Kugellager 7
und 8 ist durch ein einziges Kugellager 18 ersetzt, weshalb die Ein- oder Zwischenlage 14 entfällt, und Ring-
mutter 13 wird gegen eine aus magnetischem Werkstoff gefertigte Ringmutter 19 ausgetauscht Der äußere
Laufring 18a des Lagers 18 ist zwischen der Einlage 9 und der Ringmutter 10 blockiert, während der innere
Laufring 186 zwischen dem Flansch 12 und der Magnet
mutter 19 eingezwängt ist Darüber hinaus ist der Radi
us des magnetisierten Rings 4 (oder 5) nnd/oder der
Radius der magneimuttcr iS gegebcneni&üs so gewählt,
daß der Ring und die Mutter zumindest im wesentlichen einander gegenüberliegen. Des weiteren ist die Dicke 20
des zwischen diesem Ring und dieser Mutter zwischengelegten Materials des Rotors 1 zweckmäßig gegenüber
der Dicke des Anschlags nach F i g. 1 verringert Somit können die magnetischen Streuflüsse von Ring 4 auf die
Ma.gnetmutter 19 eine gegenüber der Schwerkraft un
empfindliche Daueranziehung ausüben. Dhse Magnet
mutter ist mit dem Innenring 186 verbunden, so daß es 7.U einer Axialversetzung zwischen letzterem und dem
Außenring 18a kommt, wobei das Längsspiel von Lager 18 aufgenommen wird. Die Sicherheitsfunktion des An
schlags der F i g. 2 ist dabei der von F i g. 1 ähnlich.
Claims (1)
- Patentanspruch:Magnetlager für einen zu einer Achse drehbar angeordneten Rotor mit am Rotor befindlichen Magnetringen zur berührungsfreien Zentrierung des Rotors gegenüber der Achse, mit einer Kugellagerung als Hilfslager. deren eine Laufbahn am Rotor und deren andere Laufbahn an einem der Achse mit Spiel zugeordneten Zwischenring axial mittels je einer gegen ein Widerlager wirkenden Ringmutter festgelegt ist, wobei durch axiale Verspannung einer Laufbahn die Kugellagerung spielfrei gehalten ist, und mit einer Anschlagfläche an der von der Ringmi'.fter abgewandten Seite des Zwischenrings gegenüber einer Anschlagfläche an der Achse zur Begrenzung einer Bewegung des Rotors in einer axialen Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfslager aus einem einzigen Kugellager (18) mit einem inneren und einem äußeren Laufring (i8b, tea) besteht und daß die den Laufring, weicher die verspannte Laufbahn aufweist, axial festlegende Ringmutter (19) aus magnetischem Werkstoff gebildet ist und von einem der Magnetringe (4) am Rotor (1) angezogen wird.
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