NO322779B1

NO322779B1 - Lager med permanentmagnetiske elementer

Info

Publication number: NO322779B1
Application number: NO20043556A
Authority: NO
Inventors: Reidar Vardal; Normann Sandoy
Original assignee: Norpropeller As
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2006-12-11
Also published as: EP1817505A4; EP1817505A1; NO20043556L; NO20043556D0; WO2006022554A1

Description

Lager med permanentmagnetiske elementer

Oppfinnelsen gjelder et lager som angitt i innledningen til patentkrav 1, med permanetmagnetiske elementer, særlig for å ta opp aksielle krefter, for eksempel i en navløs skipspropell, generatorturbin eller ei pumpe.

Bakgrunn

Det er ønskelig å bruke lager med permanentmagnetiske element eller passive magnetiske lager (PM-lager) i forskjellige sammenhenger hvor de ikke har vært egnet tidligere. Et eksempel er ved truster-propeller på båter. Det er foreslått bruk av vannsmurt glidelager ved slike propeller, som skal ta opp de aksielle kreftene under drift. Det er ønskelig å utvikle et lager med permanentmagneter, som kan brukes enten alene eller kombinert med et væskesmurt glidelager for dette og liknende formål, hvor lageret er neddykket i ei væske..

Det er kjent passive magnetiske lager med permanente magneter (PM). Men ofte i sammenheng med aktive elektromagneter, ofte brukt i små applikasjoner med elektriske maskiner og høyt turtall og stort sett i radiell retning. Magnetiske lager er populære i sammenheng med svinghjul og roterende energilagre. Dette gir andre problemstillinger enn i denne løsningen hvor turtallet er relativt lavt og arealet som er tilgjengelig for magnetene er relativt stort.

Dokument WO 99/37912 tar for seg en konstruksjon som ligner på oppfinnelsen og beskriver fordeler og utfordringer med konstruksjonen. Når det gjelder opplagring, så omhandler dokumentet en anordning med trekkende og aktivt styrte elektromagneter.

Dokument WO 01/84693 omhandler et passivt magnetisk aksial/radiallager med statiske og roterende PM innrettet med alternerende polaritet. Her roterer en ferromagnetisk del sammen med rotoren.

Patentskrift US S894181 omfatter et passivt magnetisk aksial/radiallager med aksielt roterende PM, hvor lageret er et kompromiss mellom aksiell- og radiell stivhet som motvirker hverandre.

Fra japansk patentsøknad 59037332 (Mitshubishi 1984) er det kjent å innleire kranser av permanentmagnetisk materiale i en faststående og en roterbar bærer, slik at ved monterte lager blir de omsluttende flatene på den faststående og og den roterbare bæreren liggende overfor hverandre. Denne konstruksjonen gir ikke vesentlig forsterkning av feltet.

Fra US 4180296 (Habermann 1979) er det kjent et magnetlager hvor det på motstående sider av ei roterende plate er anordnet en faststående krans av magnetelement. Denne konstruksjonen er beregnet for et spesielt formål, særlig som trustlager for skiver som roterer med høg hastighet.

Formål

Hovedformålet med oppfinnelsen er å skape en lageranordning som primært tar opp aksielle krefter mer effektivt enn kjente magnetlager. Lageret skal gi optimal frastøtningskraft og stivhet. Det skal kunne tilpasses til ulike toleransekrav.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. Det har vist seg at større antall spor og del-magneter gir et stivere lager enn ett spor og en enkelt magnetring.

Lageret er et passivt magnetisk lager som kan f.eks. brukes til opplagring av et roterende maskinelement uten aksel. Lageret har en stasjonær og en roterende del. Magnetene er utformet som ringer, og er montert innbyrdes frastøtende. Vanligvis brukes trekkende magneter fordi tiltrekningskraften mellom ulike poler er sterkere enn frastøtningskraften mellom like poler ved samme avstand. Magneter med aksiell magnetisering i samme retning plasseres i konsentriske spor i et ferromagnetiske materialet for vekslende N/S polaritet, hvilket gir komprimering av flux og dermed større frastøtende magnetkraft. Dette gir økt stivhet i lageret. Magnetene som skal plasseres i det ferromagnetiske materialet, beregnes på forhånd mht. sporbredde, avstand og dybde, t forhold til magnetspesifikasjonen for å gi optimal frastøtningskraft og stivhet. Utførelsesformen og plassering av magnetene i lageret er avgjørende for kraften som lageret kan oppta, samt vekten og lengden til lageret. En fordel med lageret er blant annet at spaltedimensjonen kan optimaliseres, ved hjelp av moderne FEM-analyseverktøy i forhold til mediet som systemet arbeider i, og belastning for å redusere viskøse tap. En annen fordel med permanentmagneter i forhold til andre lagermaterialer i de aktuelle applikasjonsområdene, er at prisen på permanentmagneter er meget fordelaktig i forhold til komposittmaterialer som brukes til vannsmurte lager.

Forskjellen fra tidligere kjent teknikk som er vist i WO 99/37912, WO 01/84693 og US 5894181 er bl. a. at den foreliggende oppfinnelsen er et passivt system basert på permanente magneter med frastøtende polaritet, hvilke er lagt inn i spor i et ferromagnetisk materiale som generer motsatt rettede krefter over lagerflaten og på denne måten komprimerer flukstettheten. Oppfinnelsen gir betydelig økt stivhet i lageret.

Flere detaljer ved oppfinnelsen er angitt i den etterfølgende eksempelbeskrivelsen.

Eksempel

Oppfinnelsen er nedenfor beskrevet under henvisning til tegningene, hvor

Fig. 1 viser et skjematisk tverrsnitt gjennom gjennom et ringformet lager i samsvar med en første utførelsesform av oppfinnelsen,

Fig. 2 viser et planriss av en magnetring ved lageret i Fig. 1,

Fig. 3-4 viser tverrsnitt gjennom tre ytterligere varianter av ringformete lager i samsvar med oppfinnelsen, mens Fig. 5 viser et perspektivriss av en delvis åpnet en elektrisk periferidrevet propell, hvor lageret er utformet i samsvar med oppfinnelsen.

Alle lagrene er i figurene 1 og 3 - 4 er vist med åpen magnetspalte, som vil reduseres betydelig ved belastning. Fig. 1 og 2 viser et lager 11 med to lagerringer 12,13, der den nedre lagerringen 12 er faststående med vertikal akse 14. Den øvre lagerringen 13 blir dermed lastbærende. Hver lagerring 12, 13 omfatter en krans 15 av bløtjern med et ringspor 16 med rektangulært tverrsnitt som danner en bunn eller åk 17.1 ringsporet 16 er det innleiret, for eksempel ved klebing, en krans av magnetsegmenter 18, i eksemplet seksten. Magnetsegmentene 18 kan være hensiktsmessige permanentmagneter, f.eks. av sintrert neodym-jern-bor-legering eller samarium-kobolt-legering.En grunnleggende parameter for dimensjonering av bredden av de to aksiale flensene 19 og 20 av bløtjern, som dannes av ringsporet 16, synes å være at de skal ligge like under metning Figur 3 viser snitt gjennom en alternativ utførelsesform, der to lagerringer 22,23 hver har to spor 24, 25 for opptak av segmenter 26 av permanentmagneter på tilsvarende måte som ved sporene 16 i utførelsesformen i fig. 1 og 2. Det dannes på den måten tre steg 27, 28, 29 i det magnetisk ledende bløtjernet. Her vil en få mer bærekraft desto tynnere det magnetisk ledende materialet er, ned til en viss grense hvor materialet går i metning. Figur 4 viser en ytterligere alternativ utførelsesform med to lagerringer 30, 31, hver med tre parallelle ringformete spor 32, 33, 34.1 tillegg til et radialt indre steg 35, og to mellomsteg 36, 37 som alle ender i magnetsegmentenes grenseplan, har den øvre lagerringen 31 en utvendig flens 38 som strekker seg ned utvendig i forhold til den nedre lagerringen 30, slik at det dannes en luftspalte 39 som er lagerets spalte ved nominell last. Dette lageret har en viss radiell stivhet.

I fig. 5 er det vist en utførelsesform av et lager i samsvar med oppfinnelsen brukt for opplagring av en elektrisk periferidrevet propell 48. Propellen 48 er omgitt av et sylindrisk rørformet hus 49 med en oppragende, sentralt plassert rørstuss 50, som delvis tjener for tilførsel av elektriske kabler, delvis for montering til et fartøy ved hjelp av en monteringsflens 51.

Ved hver ende av huset 49 er det opptil propellen 48 utformet et ringspor 52. Innerst i ringsporet 52 er det plassert en indre lagerring 53 i samsvar med oppfinnelsen, for eksempel som vist i Fig. 3. Lagerringen 53 har en bærekrans 54 av bløttstål, med to magnetringer 55, 56 satt sammen av segmenter montert inn i ringspor. Symmetrisk mot lagerringen 53 er det plassert en identisk ytre lagerring 57. Lagerringen 53 er skrudd fast til propellen 48 med skruer i bunnen av ringsporet 52.

En tilsvarende lagerring er plassert ved den andre enden av det rørformete huset 49. Hver av de to lagerringene holdes på plass av en klemring 58 som presser den ytre lagerringen 57 fast mot en avtrapning 59 i ringsporet 52. Klemringene 58 monteres med ei rekke festeskruer. rundt omkretsen.

Lagerringene kan dekkes med et belegg som hindrer korrosjon når lagrene brukes nedsenket i vann.

Oppfinnelsen er blitt utviklet for en lOOkW truster som er montert på en båt. Utgangspunktet for lageret var at det skullel yte en kraft (støte fra) på ISOOkg med en avstand på 2mm mellom lagerflatene. Dimensjonene på lageret var:

Det ble brukt permanentmagneter av en neodym-Iegering.

Modifikasjon

Det kan anordnes flere rekker magneter limet inn ende mot ende i ringspor enn det som er vist.. De ringformete magnetene kan videre være sammensatte av færre eller flere segmenter en det som er vist i eksemplene.

Stegene eller tennene mellom og ved siden av magnetringene er i eksemplene vist med avslutning jevnt med magnetringene. Det kan også lages utførelsesformer der disse stegene og endeflensene rager litt ut fra permanentmagnetene, for å ta av for støt og for å kompensere for unøyaktighet i sammenstillingen. Disse vil da fortrinnsvis bli utformet som et belegg i komposittmateriale.

Claims

1. Anordning ved lager (11) med permanentmagnetiske elementer(lS), som er anordnet i to innbyrdes roterbare, konsentriske ringformete kranser (12,13), hvor en er stasjonær, hvor en av de ringformete kransene (13) er forbundet med eller integrert i et roterende element, og hvor det mellom de to ringformete kransene med permanentmagnetiske elementer opprettholdes ei spalte (a) på grunn av den frastøtende kraft som virker mellom dem, særlig for bruk ved navløse sktpspropeller, generatorturbiner og pumper, karakterisert ved at de permanentmagnetiske elementene (18) er opptatt i hver sin magnetholder (15) av ferromagnetisk ledende materiale, som danner par av motstående, konsentrisk ringformete krager (19, 20) som skaper konsentrerte, generelt aksiale magnetfelt mellom seg.

2. Anordning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at utsparingene (16) strekker seg radialt over bredden av magnetholderne (15).

3. Anordning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at det ferromagnetisk ledende materialet er bløtjern.

4. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 -3, karakterisert ved at den omfatter to eller flere rekker av utsparinger (24,25; 32-34) anordnet side om side.

5. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1-4, karakterisert ved at de to permanentmagnetene er satt sammen av bueformete elementer (18) som er plassert med innbyrdes endekontakt

6. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1- 5, karakterisert ved at de permanentmagnetiske elementene (18) er klebet fast til den bærende kransen (12; 13).

7. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 • 4, karakterisert ved at spalta mellom de to innbyrdes roterbare rekkene av permanentmagnetiske elementene har konisk form.

8. Anordning i samsvar med patentkravene 1-7, karakterisert ved at det arrangeres like magnetiske trykklager i begge ender av et roterende element, slik at rotoren er labil i sentrert posisjon.

9. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 - 8, karakterisert ved at den ene magnetholderen (31) av ferromagnetisk ledende materiale har en krage (38) som rager aksialt ned utenfor den andre magnetholderen (30), slik at de dannes en luftspalte (39) mot denne.