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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aufbau eines Magnetlagers,
das einen Rotor stützt,
ohne Kontakt herzustellen, speziell einen Statorkern für ein Homopolar-Magnetlager.
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Stand der
Technik
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Ein
Turboverdichter kann mit stärkerer
Leistung und geringerer Größe als ein
Hubkolben- oder Schraubenverdichter
hergestellt werden, und kann einfach als ein ölfreier Typ hergestellt werden.
Daher werden Turboverdichter oft als universelle Verdichter in Anwendungen
wie zum Beispiel als eine Druckluftquelle für Fabriken, eine Luftquelle
zum Trennen und andere verschiedene Verfahren verwendet.
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Herkömmlich werden
Gaslager, Gleitlager und Magnetlager verwendet, um eine Hochgeschwindigkeitsrotationswelle
eines Hochgeschwindigkeitsmotors zu stützen, der direkt mit einem
Turboverdichter verbunden ist und diesen antreibt. Speziell kann
ein homopolares Magnetlager verwendet werden, um in einer berührungslosen
Weise einen Rotor (rotierende Welle) zu stützen, der rotiert, um die Hochgeschwindigkeitswelle
eines Hochgeschwindigkeitsmotors auszubilden, indem ein Magnetfluss
durch die Welle geführt
wird, um eine elektromagnetische Saugkraft zu erzeugen, welche bewirkt,
dass die Welle schwebt, was ein Typ eines radialen Magnetlagers
für eine
Verwendung bei Wellen ist, die bei einer hohen Geschwindigkeit (zum
Beispiel 100.000 min-1 oder mehr) rotieren.
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Die 1A und 1B zeigen
typische schematische Ansichten eines herkömmlichen homopolaren Magnetlagers.
In diesen Figuren ist ein homopolares Magnetlager 1 aus
einem Rotor 3, der an der axialen Mitte eines Gehäuses 2 und
parallel dazu in der axialen Richtung angeordnet ist und bei einer
hohen Geschwindigkeit rotieren kann, U-förmigen Statorkernen 4,
die innerhalb des Gehäuses 2 mit
Spalten zwischen der äußeren Oberfläche des Rotors 3 installiert
sind, und aus Spulen 5 aufgebaut, die um die gezahnten
Enden der Statorkerne 4 platziert sind.
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Zusätzlich ist
eine Mehrzahl von Statorkernen (4 Kerne in den 1A und 1B)
gleichmäßig beabstandet
in der Umfangsrichtung mit Spalten zwischen der äußeren Oberfläche des
Rotors 3 vorgesehen. Obwohl nicht gezeigt, sind Statorkerne 4 in der
axialen Richtung des Rotors 3 an wenigstens zwei Stellen
mit einem vorbestimmten Abstand zwischen ihnen angeordnet. Folglich
kann der Rotor stabil bei einer hohen Geschwindigkeit rotieren.
Ein Statorkern 4 ist aus geschichteten Stahlblechen ausgebildet,
wovon jedes mit einem isolierenden klebenden Material, das an seiner
Oberfläche
angebracht ist, um es mit einem benachbarten dünnen Stahlblech zu verbinden,
hergestellt, und diese sind eines nach dem anderen verbunden, um
eine vorbestimmte Länge
zu erreichen. Wie in den 1A und 1B gezeigt,
ist die Richtung A, in welcher die geschichteten Stahlbleche 4 (Schichtung)
verbunden sind, senkrecht zu der axialen Richtung Z des Rotors 3 angeordnet.
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Wie
oben beschrieben kann in dem homopolaren Magnetlager 1,
da die gezahnten Enden der Statorkerne, die den Rotor 3 umgeben,
nahe beieinander in der axialen Richtung sind und da die Spulen 5 die
N- und S-Pole eines Elektromagneten herstellen, das homopolare Magnetlager 1 die
Welle in einer berührungslosen
Weise floaten und den Rotor 3 durch die Saugkraft der gezahnten
Enden, die sich einander gegenüber
befinden, stützen.
Daher ist die Richtung dieses homopolaren Magnetfeldes parallel zu
der Mittellinie des Rotors und auf der äußeren Oberfläche des
Rotors 3, wie durch die gestrichelten Pfeillinien in 1B gezeigt.
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1C ist
eine schematische Ansicht, die ein herkömmliches Verfahren zum Aufbauen
geschichteter Stahlbleche zeigt, um einen herkömmlichen Statorkern auszubilden.
Normalerweise wird der Statorkern 4 des homopolaren Magnetlagers 1 durch
Herstellen dünner
rechteckiger Stahlbleche 4a, die mit einem isolierenden
Material beschichtet sind, durch ein Verfahren wie zum Beispiel
Stanzen und Aufbauen dieser gestanzten Stahlbleche 4a eines nach
dem anderen hergestellt, um einen geschichteten Statorkern 4 herzustellen.
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Wenn
jedoch die inneren Oberflächen
der oben genannten Statorkerne 4 (geschichtete Stahlbleche)
durch einen rotierenden Schneideprozess geschnitten werden, wird
eine große
Schnittbelastung auf die Enden der geschichteten Stahlbleche 4a in
einer lateralen Richtung ausgeübt,
so dass die Spitzen der geschichteten Stahlbleche 4a gebogen werden,
und das isolierende Material in der Richtung der Rotation durch
die oben erwähnte
Biegebelastung gequetscht wird, was ein praktisches Problem ist.
Folglich kontaktieren die Stahlbleche einander, was in einer Erhöhung der
Wirbelströme
in der Statoreinheit resultiert, so dass ein anderes Problem durch
die reduzierte Schwebekraft, die auf den Rotor 3 ausgeübt wird,
schlechte Rotationseigenschaften und so weiter auftreten. Es ist
noch ein anderes Problem, dass das geschichtete Material durch die
Kante des Schneidewerkzeugs weggeschält wird. Gerade wenn das oben
genannte Verfahren zum Schneiden an einer Drehmaschine durch Verwenden
einer vertikalen Bohrmaschine und so weiter ersetzt wird, um die
inneren Oberflächen
der geschichteten Stahlbleche zu schneiden, gibt es zusätzliche
Probleme, da hier Spalte zwischen benachbarten Stahlblechen sind,
so dass ein reibungsloses Schneiden und eine genaue Rundheit nicht
einfach abgesichert werden kann. Andererseits haben die Erfinder
der vorliegenden Erfindung die homopolare Magnetlagervorrichtung,
die wie in den 2 und 3 gezeigt
aufgebaut ist, mit dem Ziel eines Verbesserns der Eigenschaften
von herkömmlichen
homopolaren Magnetlagern (JP 2001-271836) vorgeschlagen. Gemäß dieser
Magnetlagervorrichtung sind benachbarte N-Pole oder S-Pole miteinander
in der Umfangsrichtung verbunden, oder befinden sich nahe beieinander
mit einem kleinen Spalt zwischen ihnen. Das homopolare Magnetlager
mit diesem Aufbau hat den Vorteil, dass es in der Lage ist, stark
die Erzeugung von Wirbelströmen
und der Wärme
und von Wirbelstromverlusten, die in dem Rotor erzeugt werden, zu reduzieren.
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Wenn
jedoch die Statorkerne 4 des homopolaren Magnetlagers,
die in den 2 und 3 gezeigt
sind, unter Verwendung von geschichteten Stahlblechen mit geringen
Wirbelstromverlusten hergestellt werden, wie in 1 gezeigt,
werden die geschichteten Stahlbleche so dünn an dem Randsteg 4b,
dass sie ausfallen, brechen oder abblättern, wenn sie bearbeitet
werden, was ein praktischer Nachteil ist.
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Im
Speziellen sind in dem homopolaren Magnetlager mit dem Aufbau, der
in den 2 und 3 gezeigt
ist, die Statorkerne 4 miteinander am Umfang verbunden
oder befinden sich nahe beieinander, so dass die Verteilung des
Magnetflusses in dem Rotor gleichmäßiger ist und Verluste reduziert werden
können.
Umgekehrt sind jedoch, wenn die Statorkerne, in welchen die Spitzen
miteinander verbunden sind, mit einem herkömmlichen geschichteten Aufbau
ausgebildet sind, die geschichteten Stahlbleche so klein in den
Bereichen, wo benachbarte Magnetpole miteinander verbunden sind,
dass der geschichtete Aufbau zusammenstürzen kann, wenn die Kerne bearbeitet
werden, weshalb es sehr schwierig ist, die Kerne ohne Loslösen, Abbrechen oder
Abblättern
der Beschichtungen zu bearbeiten.
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Ein
anderes Problem in einer herkömmlichen Vorrichtung
ist es, dass amorphe Materialien nicht verwendet werden können, da
sie schwierig zu beschichten sind, trotz den Vor teilen, einen hohen
elektrischen Widerstand und Permeabilität zu haben, so dass die Auswahl
von elektromagnetischem Stahlblech eingeschränkt ist.
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Im
Folgenden wird der Aufbau eines herkömmlichen homopolaren radialen
Magnetlagers im größeren Detail
als zuvor unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben. 4a ist
eine Vorderansicht eines herkömmlichen
homopolaren radialen Magnetlagers, und 4b ist
die zugehörige
Seitenquerschnittsansicht. 5 ist eine
isometrische Ansicht des Statorkerns eines herkömmlichen homopolaren radialen
Magnetlagers.
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Das
homopolare radiale Magnetlager 1 ist mit einem Gehäuse 2,
einer Mehrzahl von elektromagnetischen Komponenten 13 und
einer rotierenden Welle 3 vorgesehen. Die rotierende Welle 3 ist
aus einem Material hergestellt, welches wenigstens an seiner Oberfläche magnetisch
ist, mit einem äußeren Durchmesser
D1 und einer Länge,
die durch den Rotor bestimmt ist. Der Rotor 3 ist koaxial
mit der Mittellinie des Gehäuses 2,
parallel dazu in der Längsrichtung,
angeordnet und ist so gestützt,
dass er frei rotieren kann. Die Mehrzahl von elektromagnetischen Komponenten 13 stützt den
Rotor 3, so dass er frei rotieren kann, und ist um den
Rotor 3 angeordnet. Zum Beispiel sind vier elektromagnetische
Komponenten miteinander verbunden, um ein Set auszubilden und Sets
von elektromagnetischen Komponenten 13 stützen den
Rotor 3 an zwei Stellen. An jeder Stützstelle sind 4 elektromagnetische
Komponenten gleichmäßig beabstandet
um den Rotor.
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Die
elektromagnetischen Komponenten 13 sind mit Statorkernen 80 und
Spulen 5 vorgesehen. Der Statorkern 80 ist mit
zwei Jochen 6 und 8 und einem Schaftbereich 7,
wie in 5 gezeigt, vorgesehen. Ein Joch 6 oder 8 ist
ein säulenförmiger Bereich, dessen
eines Ende gegenüber
der äußeren Oberfläche des
Rotors 3 mit einem Spalt zwischen ihnen ist, der einen
Magnetpol an der Oberfläche 9 induziert. Die
zwei Joche 6, 8 sind axial mit einem vorbestimmten
Abstand zwischeneinander angeordnet. Der Schaftbereich 7 ist
ein magnetischer Aufbau zwischen den anderen Enden der zwei Joche 6, 8,
der die Joche miteinander verbindet. Der Statorkern ist eine dicke,
U-förmige
Einheit, die aus den zwei Jochen 6, 8 und dem
Schaftbereich 7 ohne Spalte aufgebaut ist, und ist in einer
Aussparung an dem Innenrand des Gehäuses 2 installiert.
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Die
Spule 5 ist ein Drahtbündel.
Der Draht ist in verschiedenen Lagen um die Joche 6, 8 mit
einem Luftspalt zwischen der Spule und dem Joch gewickelt. Die Spule 4 ist
ein Block mit der gleichen Form wie der Abschnitt des Joches 6 oder 8 mit
einem Luftspalt zwischen der Spule und dem Joch.
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Der
Aufbau des Statorkerns 80 ist im weiteren Detail unter
Bezug auf 5 beschrieben. Der Statorkern 80 ist
aus geschichteten Stahlblechen hergestellt, die aus einer Mehrzahl
von magnetischen Stahlblechen 81 und einem isolierenden
Material ausgebildet sind. Das magnetische Stahlblech 81 ist
ein dünnes
Stahlblech mit einer Dicke T, geformt in der oben genannten U-Form.
Das isolierende Material ist eine nichtleitendes Material und wird
zwischen der Mehrzahl von magnetischen Stahlblechen 81 angewendet.
Wenn der Statorkern 80 als eine elektromagnetische Komponente
aufgebaut ist, wird er in der Umfangsrichtung des Rotors geschichtet. Das
magnetische Stahlblech 81 des gezeigten Statorkerns 80 hat
eine rechteckige Form mit einer Breite W1 und einer Höhe H1, vorgesehen
mit einem Schlitz mit einer Breite W2 und einer Höhe H2, der
an der Seite die Magnetpoloberfläche 9 ausbildet.
Der Statorkern 80 ist aus einer Mehrzahl von geschichteten
magnetischen Stahlblechen 81 mit einer vorbestimmten Länge L1 ausgebildet.
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In
einem anderen Typ einer elektromagnetischen Komponente erstreckt
sich die Breite eines Statorkerns 80 nahe der Magnetpoloberfläche 9 in Umfangsrichtung
in der Richtung der äußeren Oberfläche des
Rotors und kommt in nahen Kontakt mit den Magnetpoloberflächen der
benachbarten elektromagnetischen Komponenten des Statorkerns.
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Gemäß eines
noch anderen Typs einer elektromagnetischen Komponente erstreckt
sich die Breite eines Statorkerns 80 nahe der Magnetpoloberfläche 9 in
Umfangsrichtung in der Richtung der äußeren Oberfläche des
Rotors und ist einstückig
mit der Magnetpoloberfläche
einer benachbarten elektromagnetischen Komponente des Statorkerns 80 ausgebildet.
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Wenn
der oben genannte Statorkern für
ein Magnetlager hergestellt wird, wird dünnes Stahlblech mit einer Dicke
T unter Verwendung von Stanzen gestanzt, um U-förmige Magnetstahlbleche herzustellen.
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Im
Folgenden muss die Magnetpoloberfläche 9 des Statorkerns
für ein
Magnetlager in einem kreisförmigen
Bogen unter Verwendung einer Drehbank oder dergleichen bearbeitet
werden; dabei bewirkt die Rotation eine Schneidelast, die lateral
auf die Ränder
der geschichteten Stahlbleche wirkt, so dass die Spitzen der elektromagnetischen
Stahlbleche gebogen werden; durch diese Biegung wird das Isolationsmaterial
in der Rotationsrichtung gequetscht, was oft darin resultiert, dass
benachbarte elektromagnetische Stahlbleche in Kontakt miteinander
kommen. Das Problem, dass damit verbunden ist, wenn dies passiert,
ist, dass hohe Wirbelströme
in elektromagnetischen Stahlblechen erzeugt werden.
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Ein
anderes Problem, dass die geschichteten Stahlbleche während des
Schneidens voneinander getrennt werden, kann auftreten.
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Hierbei
gibt es auch ein anderes Problem, dass, wenn eine vertikale Bohrmaschine
anstelle einer Drehbank verwendet wird, Differenzen an den Rändern zwischen
benachbarten geschichteten Stahlblechen erzeugt werden, und ein
genauer, gleichmäßiger Kreis
nicht abgesichert werden kann.
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Mit
dem Typ eines Statorkerns für
ein Magnetlager, in welchem die Magnetpoloberfläche des Statorkerns sich über die äußere Oberfläche des
Rotors erstreckt, kann man, da die geschichteten Stahlbleche in
den gedehnten Bereichen sehr dünn
werden, Probleme erzeugen, indem sie während des Bearbeitens losgelöst, gequetscht
oder abgeschält
werden.
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Die
JP 2000-205260A und die JP-2001-271836A offenbaren eine Anordnung
von Statorkernen und einen Rotor für ein homopolares Magnetlager
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch.
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Die
JP-2000 031135A offenbart eine Anordnung von Statorkernen für ein homopolares
Magnetlager, welches U-förmige
geschichtete Bleche aufweist, wobei die Bleche geschnittene Kerne
sind, die durch Wickeln eines fortlaufenden Stahlbleches in einer
rechteckigen Form und durch Schneiden des Rechteckes in zwei gleiche
Abschnitte hergestellt werden. Jeder Kern ist als ein Buchstabe „U" geformt, von welchem
die Mittelseite offen ist, gesehen von der Seite des Rotors. Vier
Statorkerne sind vorgesehen, welche mit gleichen Abständen um
einen Rotor angeordnet sind, wobei die Statorkerne Abstände zueinander
haben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen einfach herzustellenden Statorkern
für ein
Magnetlager zur Verfügung
zu stellen, in welchem die Erzeugung von Wirbelströmen auf
einem Minimum gehalten wird. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zum Herstellen von Kernen für ein Magnetlager zur Verfügung zu
stellen, welches ver meiden kann, dass geschichtete Stahlbleche losgelöst, gequetscht
oder abgeschält
werden und welche effizient geschnitten und bearbeitet werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 3 bzw. 4 gelöst.
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Unter
Verwendung eines Aufbaus gemäß Anspruch
1 kann die Erzeugung von Wirbelströmen drastisch reduziert werden,
wodurch die Rotorverluste durch die Wärme, die durch die Wirbelströme erzeugt
wird, stark reduziert werden können.
Da der Statorkern aus geschichteten Stahlblechen mit einer U-Form
aufgebaut ist, so dass die Mittelseite offen ist, gesehen von der
Mittellinienseite, die sich in axialer Richtung des Rotors erstreckt,
können
Auskragungen, die in Kontakt miteinander sind, einstückig in einem
Körper
zusammen mit den Spulen ausgebildet sein. Der geschichtete Stahl
in Auskragungen ist ein integraler Teil des gleichen Stahlbleches
wie das an der Stelle der Spulen, so dass eine geschichtete Struktur
einer Bearbeitung widerstehen kann ohne zusammenzubrechen, und wobei
auch vermieden wird, dass sie losgelöst, gequetscht oder abgeschält wird,
wodurch das Blech effizient geschnitten und bearbeitet werden kann.
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Da
die Auskragungen einander kontaktieren, kann die Erzeugung von Wirbelströmen beträchtlich reduziert
werden, weshalb Wärme
und Verluste durch Wirbelströme,
die in dem Rotor erzeugt werden, stark reduziert werden können. Zusätzlich können, da
die Auskragungen einander an den ebenen Bereichen kontaktieren,
die Statorkerne einfach platziert werden und der Innenrand kann
präzise
geschnitten und bearbeitet werden.
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Da
die Kerne nach dem Ausbilden und Schneiden bearbeitet werden können, kann
darüber hinaus
gerade ein amorphes Material und dergleichen, das nicht einfach
geschichtet werden kann, verwendet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung werden die oben genannten U-förmigen geschichteten
Stahlkerne aus einem fortlaufenden Stahlblech hergestellt, das mit
einem Isolationsmaterial beschichtet ist, das in einer rechteckigen
Form gewickelt ist und dann in gleiche Teile geschnitten wird.
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Bei
Verwendung dieses Aufbaus haben solche Statorkerne auskragende Bereiche,
die aus benachbarten N- und S-Polen aufgebaut sind, die sich in
Umfangsrichtung so erstrecken, dass sie in Kontakt miteinander sind,
und aus U-förmigen
geschichteten Stahlblechen mit einem isolierenden Material zwischen
den Schichtungen aufgebaut sind und die U-Form so ist, dass die
Mittelseite offen ist, gesehen von der Seite der Welle, wobei die
Kerne schnell und effizient durch Bearbeiten der äußeren Form
und Schneiden der Innenseite der geschnittenen Kerne hergestellt
werden können.
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Zusätzlich sind
die geschnittenen Kerne in einer rechteckigen Form mit einer zentralen Öffnung mit
vorbestimmten Größen gewickelt
und können schnell
und einfach ausgebildet werden. Außerdem können durch Teilen dieser gewickelten
rechteckigen Formen in zwei gleiche Teile mit einer Schneidemaschine
U-förmige
geschichtete Stahlbleche einfach hergestellt werden, wobei jeder
davon mit einem isolierenden Material isoliert ist. Weiterhin müssen keine kostspieligen
Stanzformen verwendet werden, sondern einfache und kompakte Wickelformen
können verwendet
werden, um die geschnittenen Kerne herzustellen, so dass die Herstellungskosten
reduziert werden können,
die Schichtungsschritte weggelassen werden können und daher die Produktivität verbessert
werden kann. Zusätzlich
kann das Abfallmaterial, das andererseits von den zentralen Teilen
der Stahlbleche während
des Stanzprozesses erzeugt werden würde, wenn Stanzformen verwendet
werden, vermieden werden, wodurch die Ausbeute der Stahlbleche drastisch
verbessert werden kann.
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Unter
Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch
3 kann ein Schneiden des Inneren einer Mehrzahl von geschnittenen
Kernen in einem Arbeitsgang ausgeführt werden, und die Kerne können mit
einem ausgezeichneten Rundlauf hergestellt werden. Zusätzlich können die
Innenoberflächen
der Enden der Zähne
in der Richtung der Blechbeschichtungen und in der Ebene der Beschichtungen
während der
Rotation geschnitten werden, ohne eine Rückstell- oder Biegebelastung
auszuüben,
wodurch die geschnittenen Oberflächen
der Stahlbleche gleichmäßig und
regelmäßig bleiben,
ohne dass das isolierende Material gequetscht, gebrochen oder abgeschält wird,
so dass eine befriedigende, ausgezeichnete Rundheit abgesichert
werden kann.
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Bei
Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch
4 ist ein Schneiden der inneren Oberfläche zweimal erforderlich, jedoch
kann die Anzahl von Bearbeitungsschritten reduziert werden. Zusätzlich kann,
wenn der Innenrand der gezahnten Enden während einer Rotation geschnitten
wird, der Schneideschritt in der Richtung der Schichtung und in
der horizontalen Ebene der Stahlbleche an dem Innenrand der gezahnten
Enden ausgeführt
werden, ohne eine Rückstellkraft
oder Auslenkung zu erzeugen, wodurch die geschnittenen Enden der
Stahlbleche gleichmäßig gehalten
werden können,
ohne irgendwelche Unregelmäßigkeiten
an dem Rand jedes Schnittes, und die Ränder der Kerne können gleichmäßig und
genau kreisförmig
gehalten werden, ohne einem Zusammenbrechen, Abreißen oder
Abschälen des
isolierenden Materials.
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Andere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in den folgenden
Absätzen
unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen offenbart.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die 1A bis 1C sind
schematische Ansichten, die den Aufbau eines herkömmlichen
homopolaren Magnetlagers zeigen.
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Die 2A und 2B zeigen
den Aufbau des homopolaren Magnetlagers, das sich auf die frühere Anwendung
bezieht.
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3 ist
eine isometrische Ansicht der Statorkerne, die in 2 gezeigt
sind. Die 4a und 4b sind
eine Vorderansicht und eine Seitenansicht eines herkömmlichen
homopolaren radialen Magnetlagers.
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5 ist
eine isometrische Zeichnung, die herkömmliche Statorkerne für ein homopolares
radiales Magnetlager zeigt.
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Die 6A bis 6C zeigen
die Statorkerne für
ein Magnetlager.
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Die 7A bis 7C zeigen
eine Ausführungsform
der Statorkerne.
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Die 8A und 8B sind
schematische Ansichten der Ausführungsform
der Statorkerne basierend auf der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
ein Verfahren zum Herstellen von Statorkernen.
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10 ist
eine andere Ansicht, die das Verfahren zum Herstellen von Statorkernen
zeigt.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unten im Hinblick auf die Zeichnungen
beschrieben. Gemeinsame Teile, die in jeder Zeichnung gezeigt sind,
sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und es erfolgen keine
doppelten Beschreibungen.
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Die 6A und 6B zeigen
Statorkerne für
ein Magnetlager. Wie in den Figuren gezeigt, umfasst das Magnetlager
Statorkerne für
ein homopolares Magnetlager wie das, das in 13 gezeigt
ist, wobei die gezahnten Enden der Statorkerne 10 N-Pole
und S-Pole benachbart
zueinander in axialen Richtungen ausbilden und einen Rotor 3 umgeben.
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In
den Statorkernen für
ein Magnetlager sind die Statorkerne 10 mit Auskragungen 11 vorgesehen, die
sich in der Umfangsrichtung von benachbarten N- und S-Polen erstrecken,
um somit in Kontakt mit oder in nächster Nähe zueinander zu sein.
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6C zeigt
typischerweise das Verfahren zum Herstellen U-förmiger geschichteter Stahlbleche für die Statorkerne 10.
In 6C sind die U-förmigen geschichteten Stahlbleche
für die
geschnittenen Kerne 12 durch Wickeln eines fortlaufenden
Stahlbleches 12a, das mit einem Isolationsmaterial beschichtet
ist, in einer rechteckigen Form, seinem Ausbilden und seinem Schneiden
in gleiche Teile hergestellt.
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Daher
sind die Statorkerne 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
aus U-förmigen
geschichteten Stahlblechen mit einem isolierenden Material dazwischen
und mit offenen zentralen Seiten, gesehen von der Mittellinie, aufgebaut.
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Die 7A bis 7C zeigen
eine Ausführungsform
der Statorkerne. In den Figuren ist 7A eine
isometrische Ansicht, die die Anordnung von vier Statorkernen 10 für den Fall
zeigt, in welchem die Anzahl der Magnetpole vier ist, 7B ist
eine Darstellung eines der Kerne, nachdem er an der Außenseite
bearbeitet wurde, und 7C ist eine Draufsicht der Anordnung
der vier Statorkerne 10. In jeder Ansicht zeigen unterbrochene
Linien die Schnittoberflächen
der geschnittenen Kerne 12.
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In
der Ausführungsform,
die in den 7A bis 7C gezeigt
ist, erstrecken sich Auskragungen 11 um den Umfang und
kommen in Punktkontakt (genauer in drei Dimensionen, Linienkontakt)
miteinander am Punkt A auf einer Ebene. Jedoch können die Auskragun gen auch
nahe beieinander mit einem geringen Spalt anstelle eines Punktkontaktes
ausgebildet werden. Auch ist die Ausführungsform nicht nur auf einen
Fall mit vier Magnetpolen beschränkt,
mit anderen Worten können
drei oder fünf
oder mehr Pole eingebaut sein.
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Die
oben genannte Ausbildung kann stark die Erzeugung von Wirbelströmen reduzieren,
da hier kein Spalt oder ein nur sehr geringer Spalt zwischen den
Auskragungen 11 ist, wodurch Wärme und Verluste durch Wirbelströme, die
in dem Rotor erzeugt werden, stark reduziert werden können.
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Die 8A und 8B zeigen
eine Ausführungsform
der Statorkerne gemäß der vorliegenden Erfindung. 8A zeigt
einen der vier Statorkerne 10, nachdem er an der Außenseite
bearbeitet wurde, und 8B ist eine Draufsicht, die
die Anordnung der vier Statorkerne 10 zeigt. In jeder Zeichnung
zeigen unterbrochene Linien, wo die geschnittenen Kerne 12 geschnitten
werden, um den Statorkern auszubilden.
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In
der Ausführungsform,
die in den 8A und 8B gezeigt
ist, erstrecken sich die Auskragungen 11 in der Umfangsrichtung
und kommen miteinander an dem Punkt A in der Draufsicht in Kontakt. Auch
in dieser Ausführungsform
ist die Anzahl der Magnetpole nicht nur auf vier beschränkt, sondern drei
oder fünf
Pole können
eingebaut sein.
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Da
hier keine Spalte zwischen Auskragungen 11 in diesem Aufbau
sind, kann die Erzeugung von Wirbelströmen beträchtlich reduziert werden, womit
Wärme und
Verluste durch Wirbelströme,
die in dem Rotor erzeugt werden, stark reduziert werden können. Zusätzlich kann,
da die Auskragungen einander in den Ebenen kontaktieren, der Kern
einfach platziert werden und der Innenrand kann genau geschnitten
und bearbeitet werden.
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Die
Statorkerne 10, die in den 6 bis 8 gezeigt sind, sind aus geschichteten
Stahlblechen ausgebildet, die wie der Buchstabe U, von welchem die Mittelseite
offen ist, gesehen von der Seite der Welle, geformt sind, wodurch
die Auskragungen 11 einander kontaktieren oder sich nahe
beieinander befinden und die geschnittenen Kerne einstückig in
einem Körper
zusammen mit den Spulen vorgesehen sein können. Folglich sind die geschichteten
Stahlbleche in den auskragenden Spitzen (Auskragungen 11)
die gleichen Stahlbleche, wie diejenigen, wo sich die Spulen befinden,
so dass die Schichten der Schichtungen verhindern, dass die Bleche
während
des Erarbeitens kollabieren, und auch ein Lösen, Quetschen oder Abschälen der
Beschichtungen kann vermieden werden, und die Kerne können effizient
geschnitten und bearbeitet werden.
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Da
die Kerne bearbeitet werden können, nachdem
sie aus den geschnittenen Kernen ausgebildet sind, kann gerade ein
amorphes Material, das nicht einfach geschichtet werden kann, in
der Praxis verwendet werden.
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(Herstellungsverfahren
1)
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9 zeigt
das Verfahren zum Herstellen von Statorkernen gemäß der vorliegenden
Erfindung. Dieses Verfahren der vorliegenden Erfindung besteht aus
einem Außenbearbeitungsschritt
(A), einem Spulenaufbauschritt (B), einem Kernaufbauschritt (C) und
einem Innenschneideschritt (D).
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In
dem Außenbearbeitungsschritt
(A) wird ein geschnittener Kern 12, der durch Wickeln eines fortlaufenden
Stahlbleches 12a, beschichtet mit einem isolierenden Material,
in einer rechteckigen Form hergestellt ist, die vorher ausgebildet
wurde und dann in gleiche Teile geschnitten wurde, an deren Außenseite
bei Belassen der Auskragungen 11 bearbeitet.
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In
dem Spulenaufbauschritt (B) wird eine Spule 5 auf dem geschnittenen
Kern 10 installiert, dessen Außenseite bearbeitet wurde.
In dem Kernaufbauschritt (C) wird eine Mehrzahl (vier in diesem Beispiel)
von geschnittenen Kernen 10 in vorgeschriebenen Positionen
angeordnet. In dem Innenschneideschritt (D) wird die Innenseite
der Mehrzahl von geschnittenen Kernen 10, die in der Position
platziert wurden, geschnitten, wodurch die Statorkerne 10 fertiggestellt
werden.
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Mittels
des Herstellungsverfahrens, das in 9 gezeigt
ist, kann die Innenseite der Mehrzahl von geschnittenen Kernen 10 gleichzeitig
fertiggestellt werden, und die geschnittenen Oberflächen können sehr
genau und konzentrisch ausgebildet werden. Wenn der Innenrand jedes
gezahnten Endes geschnitten wird, bewegt sich das Schneidewerkzeug
in der Richtung der Schichtung und in der Ebene der Schichten der
Schichtungen an dem Innenrand der gezahnten Enden, so dass keine
exzentrische Belastung oder Biegung stattfindet, die Schichten der
Stahlbleche ohne irgendwelche Unregelmäßigkeiten durch das Schneiden
geschichtet bleiben, das isolierende Material davor bewahrt wird,
gequetscht oder gerissen oder auf andere Weise abgeschält zu werden,
und dies sichert ab, dass die Innenoberfläche eben und genau rund ist.
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(Herstellungsverfahren
2)
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10 zeigt
ein anderes Verfahren zum Herstellen von Statorkernen gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Herstellungsverfahren, dass in 10 gezeigt
ist, umfasst gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Innenschneideschritt (E), einen Außenbearbeitungsschritt
(F) und einen Spulenaufbauschritt (G).
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In
dem Innenschneideschritt (E) wird eine Mehrzahl (vier in diesem
Beispiel) von geschnittenen Kernen 12, die durch Wickeln
eines fortlaufenden Stahlbleches 12a, beschichtet mit einem
isolierenden Material, in einer rechteckigen Form, wobei das Rechteck
vorher ausgebildet wurde und dann in zwei gleiche Teile geschnitten
wurde, in den erforderlichen Positionen angeordnet und deren Innenseite
wird geschnitten.
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In
dem Außenbearbeitungsschritt
(F) werden die Außen-
und Innenoberflächen
der Mehrzahl von geschnittenen Kernen 10 bearbeitet, wobei
Auskragungen 11 an der Außenseite der geschnittenen
Kerne 10 belassen werden. In dem Spulenaufbauschritt (G)
werden Spulen 5 auf der Mehrzahl von geschnittenen Kernen 10,
von welchen die Außenseite
bearbeitet wurde, installiert, wodurch die Herstellung der Statorkerne 10 fertiggestellt
wird.
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Obwohl
das Herstellungsverfahren in 10 erfordert,
dass die Innenoberfläche
zwei Mal geschnitten wird, kann die Anzahl von Bearbeitungsschritten
reduziert werden. Zusätzlich
kann, wenn der Innenrand der verzahnten Enden geschnitten wird und
durch Rotieren der Kerne bearbeitet wird, die Schneidetätigkeit
sowohl in der Richtung der Schichtung als auch in der Ebene der
Schichten der Schichtungen an der Innenoberfläche der gezahnten Enden ausgeführt werden,
ohne eine exzentrische Belastung oder Biegekraft zu erzeugen, so
dass die geschnittenen Enden der Stahlbleche eben und frei von Rauhigkeit
bleiben, und es verhindert wird, dass das isolierende Material durch
Quetschen oder Reißen
abgeschält
wird, wodurch abgesichert wird, dass die Innenoberfläche eben
und genau rund ist.
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In
den oben genannten Ausführungsformen wurde
ein radiales Lager als ein Beispiel verwendet, jedoch sind anwendbare
Lager in der Praxis nicht nur auf dieses Beispiel beschränkt, und
die vorliegende Erfindung kann auch bei einem Axiallager angewendet
werden. Zusätzlich
ist die Erfindung, obwohl die Beschreibungen unter Annahme eines
Aufbaus zum Stützen
eines rotierenden Rotors angegeben wurden, nicht nur auf dieses
Beispiel beschränkt,
sondern beispielsweise kann die vorliegende Erfindung für eine Führung für einen
linearen Bewegungsantrieb verwendet werden. Ein Vormagnetisierungsmagnet
kann auch als Teil eines Statorkerns umfasst sein.
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Die
oben genannten Statorkerne für
ein Magnetlager und das Verfahren zum Herstellen dieses Magnetlagers
zeigen die folgenden Vorteile.
- 1. Da die geschichteten
Stahlbleche eines geschnittenen Kerns befriedigend verbunden sind, können Vorsprünge eines
Magnetpols auch in einem geschichteten Aufbau hergestellt werden.
- 2. Vorsprünge
sind miteinander magnetisch verbunden aber elektrisch isoliert,
so dass Verluste verringert werden können, ohne die Eigenschaften
des Lagers zu beeinträchtigen.
D. h., unter Verwendung der geschnittenen Kerne können die Vorsprünge von
Magnetpolen auch aus geschichteten Stahlblechen hergestellt werden,
was in einer Verringerung von Eisenverlusten resultiert.
- 3. Eine breitere Auswahl von Typen von elektromagnetischen Stahlblechen
wird möglich,
und amorphe Materialien, die schwer zu schichten sind, können auch
für die
Magnetpole verwendet werden.
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Daher
können
der Statorkern für
ein Magnetlager und das Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden
Erfindung aus geschichteten Stahlblechen aufgebaut werden, gerade
wenn die Statorkerne mit Auskragungen vorgesehen sind, die sich
in der Umfangsrichtung erstrecken; zusätzlich können die geschichteten Stahlbleche
davor bewahrt werden, gelöst,
zerbrochen oder abgeschält
zu werden, so dass sie effizient geschnitten und bearbeitet werden
können;
weiterhin kann ein amorphes Material, das schwierig zu schichten
ist, als ein Rohmaterial verwendet werden; folglich können die
Herstellungs- und Bearbeitungskosten der Statorkerne verringert
werden, während
die Wirbelströme,
die in der Statoreinheit erzeugt werden, auch stark verringert werden
können,
was exzellente Vorteile in der Praxis sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt Statorkerne für ein Magnetlager zur Verfügung, das
in einer solchen Weise aufgebaut ist, das die Verwendbarkeit von
Materialien hoch ist, die Werkstücke
mit einer hohen Genauigkeit bearbeitet werden können und Wirbelstromverluste
auf ein Minimum reduziert werden können.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben wurde, ist es verständlich,
dass der Schutzrechtsbereich, der von der vorliegenden Erfindung umfasst
wird, nicht nur auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
Umgekehrt sollte der Schutzrechtsumfang der vorliegenden Erfindung
alle Verbesserungen, Modifikationen und äquivalente Dinge umfassen,
die zu dem Schutzbereich der angefügten Ansprüche gehören.