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Dokumentenidentifikation DE60116899T2 28.09.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001334286
Titel ROTIERENDE MASCHINE MIT AXIALEM MAGNETISCHEM ANSCHLAG, DER EINEN STROMGENERATOR BEINHALTET
Anmelder Société de Mécanique Magnétique, Saint-Marcel, FR
Erfinder BRUNET, Maurice, F-27950 SAINTE COLOMBE PRES VERNON, FR;
SCHROEDER, Ulrich, F-76130 MONT SAINT AIGNAN, FR;
TREMAUDANT, Yann, F-78300 Poissy, FR
Vertreter CBDL Patentanwälte, 47051 Duisburg
DE-Aktenzeichen 60116899
Vertragsstaaten DE, GB, IT, SE
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 16.11.2001
EP-Aktenzeichen 019966951
WO-Anmeldetag 16.11.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/FR01/03598
WO-Veröffentlichungsnummer 2002040884
WO-Veröffentlichungsdatum 23.05.2002
EP-Offenlegungsdatum 13.08.2003
EP date of grant 25.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.09.2006
IPC-Hauptklasse F16C 39/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine umlaufende Maschine, beispielsweise eine Turbopumpe, mit einer rotierenden Welle, die von magnetischen, aktiven Radiallagern getragen wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Notversorgung der magnetischen Radial- und Axiallager mit elektrischer Energie, vor allem für Geräte, die dazu bestimmt sind, in explosionsgefährdeten Atmosphären zu arbeiten.

Stand der Technik

Die Verwendung von umlaufenden Maschinen mit Magnetlagern ist immer weiter verbreitet. Siehe zum Beispiel das Dokument US-A-5 525 848. Die bei dieser Art von Maschinen eingesetzten aktiven Magnetlager verwenden Elektromagnetvorrichtungen, deren Betrieb elektrischen Strom und folglich eine elektrische Versorgung benötigt.

7 zeigt ein Beispiel eines Turboexpanders. Die Maschine umfaßt eine rotierende Welle 2, die von zwei magnetischen Radiallagern 5 und 6 umgeben ist, die in der Nähe der beiden Enden der Welle und eines Axialanschlags mit Zweifachwirkung angeordnet sind. Ein erstes und ein zweites Rad 3 und 4 sind an dem einen bzw. dem anderen Ende der Welle 2 befestigt. Das erste Rad 3, das sich in der Figur auf der linken Seite befindet, erhält über einen Eingangsweg 11 ein komprimiertes Fluid, das die Rotation der Weile bewirken wird. Dieser Teil des Verdichters stellt folglich die Turbine dar, die im Betrieb die Rotationsbewegung auf das zweite Rad 4 überträgt, das dazu bestimmt ist, ein Fluid zu komprimieren, welches von einem Eingangsweg 10 zu einem Ausgangsweg 9 zirkuliert. Während der Rotation wird die Welle 2 vorteilhafterweise durch die zwei magnetischen Radiallager 5, 6, welche stromgesteuert sind, im Schwebezustand gehalten. Die Struktur, die Funktionsweise sowie die Vorteile der aktiven Magnetlager, wie sie in der Figur dargestellt sind, sind wohl bekannt.

Die magnetischen Radiallager werden über eine Versorgungseinrichtung stromgesteuert, die in einem Kontrollschrank 40 angeordnet ist, welcher seinerseits hauptsächlich durch ein Stromversorgungsnetz 16 gespeist wird. Der Radialverdichter umfaßt ferner passive Hilfslager 7 und 8, wie zum Beispiel Kugel- oder Gleitlager, welche dazu bestimmt sind, die rotierende Welle 2 im Falle eines Ausfalls der Magnetlager aufzunehmen. Jedoch ist es der in Rotation befindlichen Welle erst bei einer bestimmten Geschwindigkeit, die gering genug ist, um die Risiken einer Beschädigung oder Zerstörung der Welle und der Lager zu vermeiden, gestattet, auf die Hilfslager aufzusetzen. Zu diesem Zweck umfaßt der hauptsächlich über das Netz gespeiste Kontrollschrank 40 auch Not- oder Hilfsbatterien 42, welche dazu bestimmt sind, die Netz-Versorgung 16 der Lager im Falle eines Ausfalls zu übernehmen, bis eine Geschwindigkeit erreicht ist, die gering genug ist, um das Aufheben des Schwebzustandes der Welle und deren Aufsetzen auf den Hilfslagern zuzulassen.

In dem Fall, in dem der Verdichter dazu bestimmt ist, in einem Bereich mit explosibler Atmosphäre 20 zu arbeiten, wie in 7 veranschaulicht, befindet sich der Kontrollschrank 40 im Abstand von der Maschine in einem geschützten, nicht explosionsgefährdeten Bereich 41. Bei dieser Art der Ausgestaltung befindet sich lediglich die Maschine in dem Bereich mit explosibler Atmosphäre 20, wobei diese Maschine explosionsgeschützt behandelt ist. Die Maschine ist mit dem entfernt angeordneten Schrank über Verbindungen 30 verbunden, die zwischen der Maschine und dem Schrank durch dichte Ummantelungen 31 geschützt sind.

Aus Kostengründen sowie aus Gründen der Beweglichkeit der Einrichtungen, ist es nicht immer möglich, die Kontrollschränke im Abstand in geschützten Umgebungen unterzubringen. In diesen Fällen kann der Kontrollschrank 40 vom Typ explosionsgeschützt – wie in 8 dargestellt – in der Nähe der Maschine in dem Bereich mit explosibler Atmosphäre 20 angeordnet werden, er kann jedoch keine Batterien enthalten. Denn da die vollständige Deaktivierung der Batterien – eine unerläßliche Bedingung für explosionsgefährdete Bereiche – nicht möglich ist, dürfen sich diese nicht in der risikobehafteten Umgebung befinden. So befinden sich die Batterien 42 stets außerhalb des Bereichs 20. Die Verbindungen zwischen dem Kontrollschrank 40 einerseits und den Batterien 42 sowie der Netzversorgungsquelle 16 andererseits werden dann durch mittels dichter Ummantelungen 31 geschützter Verbindungen 15 vom Typ derjenigen sichergestellt, wie sie zwischen dem Schrank und der Maschine in 7 verwendet werden. Demzufolge ermöglicht eine solche Ausführung des Systems aus Maschine und Versorgungsquellen nicht, über ein vollkommen unabhängiges System in Bereichen mit explosionsgefährdeter Atmosphäre zu verfügen.

Da die Lebensdauer der Batterien begrenzt und ihre Wartung problematisch ist, ist es darüber hinaus stets von Vorteil, sich bei diesem Typ von Maschinen von deren Verwendung zu befreien.

Um eventuelle Netzpannen zu beheben und um folglich den Kontroll- oder Steuerverlust der Magnetlager zu vermeiden, ist es demnach erforderlich, über einen weiteren Schutz im Inneren der Maschine selbst, die ihrerseits explosionsgeschützt behandelt ist, zu verfügen.

Eine bekannte Lösung des Standes der Technik betrifft die umlaufenden Maschinen, die einen elektrischen Antriebsmotor aufweisen. Bei dieser Art von Maschine kann der Motor während des Ausfalls des Netzes dann als Generator arbeiten, um die Lager selbst zu versorgen, während die Maschine bis auf eine annehmbare Geschwindigkeit verlangsamt wird, die den Kontakt der Welle mit den Hilfslagern gestattet.

Jedoch kann diese Lösung nur für motorisierte umlaufende Maschinen in Betracht gezogen werden, während es heutzutage sehr viele kleine Turbomaschinen mit Magnetlagern gibt, bei denen die Aspekte Kosten und Platzbedarf nicht die Möglichkeit eines herkömmlichen, in der Maschine plazierten Wechselstromerzeugers bieten, der bei dieser Maschinenart mit kleinen Abmessungen deren Leistungen verändern würde.

Gegenstand und Kurzbeschreibung der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beheben und eine umlaufende Maschine auszubilden, die eine integrierte Notversorgung mit geringem Platzbedarf umfaßt, welche die Steuerung der Magnetlager selbst dann ermöglicht, wenn die Maschine keine interne Motorisierung aufweist.

Erreicht werden diese Ziele dank einer umlaufenden Maschine mit einer rotierenden Welle, die durch erste und zweite magnetische Radiallager getragen wird, welche durch eine Steuervorrichtung stromgesteuert werden, wobei die rotierende Welle mit einer Axialanschlag-Vorrichtung versehen ist, die einen ersten Rotor aufweist, der von einer mit der rotierenden Welle fest verbundenen Scheibe gebildet und zwischen einem ersten und einem zweiten Stator zwischengeschaltet ist, die ringförmig um die rotierende Welle angeordnet sind und jeweils wenigstens eine ringförmige Spule umfassen, die über ein System zur Regelung der Axialstellung der rotierenden Welle stromgesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Statoren der Axialanschlag-Vorrichtung ferner ein Sekundärteil umfaßt und daß die mit der rotierenden Welle fest verbundene Scheibe eine Induktionsvorrichtung umfaßt, derart, daß während der Rotation der Welle in dem Sekundärelement ein Erregerstrom erzeugt wird, um den magnetischen Radiallagern Energie zu liefern.

Ohne die Struktur der Maschine zu überladen, sind so Stromerzeugungsmittel vorteilhafterweise in der Axialanschlag-Vorrichtung angebracht, die dann zudem ein unabhängiger Stromerzeuger für die Versorgung der Magnetlager wird.

Vorzugsweise sind die Permanentmagneten in der Scheibe gleichmäßig entlang eines Kreises angeordnet, dessen Durchmesser größer, gleich oder kleiner als derjenige des Sekundärteils ist.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Permanentmagneten in der Scheibe in einer ersten Reihe entlang eines Kreises, dessen Durchmesser kleiner als derjenige des Sekundärteils ist, und in einer zweiten Reihe entlang eines zweiten Kreises, dessen Durchmesser größer als derjenige des Sekundärteils ist, gleichmäßig angeordnet, so daß der zwischen der ersten und der zweiten Reihe von Magneten definierte Raum eine Aufnahme für das Sekundärteil bildet.

Das Sekundärteil kann wenigstens eine toroidale Wicklung umfassen, die auf einen Kern gewickelt ist, der an dem Stator der Axialanschlag-Vorrichtung befestigt ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform umfaßt das Sekundärteil wenigstens eine Flachwicklung auf einer gedruckten Schaltung, die an einer ringförmigen Struktur angeordnet ist, welche an dem Stator der Axialanschlag-Vorrichtung befestigt ist.

In diesem Fall ist die Flachwicklung vorzugsweise an der Seite der ringförmigen Struktur angeordnet, welche dem nächstgelegenen Pol der Permanentmagneten gegenüberliegt. Die Steuervorrichtung der magnetischen Radiallager ist mit dem Sekundärteil verbunden, um den in diesem erzeugten Strom zu erhalten.

Die Steuervorrichtung kann an der Maschine befestigt sein und weist dann eine explosionsgeschützte Ummantelung auf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale sowie Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von besonderen, als Beispiele gegebenen Ausführungsformen der Erfindung anhand der beliegenden Zeichnungen hervorgehen, hierin zeigen:

1 eine Axialschnittansicht eines Radialverdichters, welche auf schematische Weise eine Axialanschlag-Vorrichtung zeigt, die mit Stromerzeugungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist,

2 eine Ansicht im axialen Halbschnitt eines ersten Beispiels für die Anordnung der Stromerzeugungsmittel in der Axialanschlag-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,

3 eine Axialschnittansicht entlang der Linie III-III der 2, welche die Anordnung zwischen Magneten, die an dem Rotorteil der Axialanschlag-Vorrichtung befestigt sind, und einer toroidalen Wicklung, die an einem Statorteil der Anschlagvorrichtung befestigt ist, nach einem ersten Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,

4 eine Ansicht im axialen Halbschnitt eines zweiten Beispiels für die Anordnung der Stromerzeugungsmittel in der Axialanschlag-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,

5 eine Axialschnittansicht entlang der Linie V-V der 4, welche die Relativanordnung zwischen Magneten, die an dem Rotorteil der Axialanschlag-Vorrichtung befestigt sind, und einer Wicklung auf einer gedruckten Schaltung an einem äußeren Umfangsteil eines an einem Stator der Anschlagvorrichtung befestigten Rings nach einem zweiten Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,

6 eine Ansicht im axialen Halbschnitt eines dritten Beispiels für die Anordnung der Stromerzeugungsmittel in der Axialanschlag-Vorrichtung gemäß er vorliegenden Erfindung,

7 eine Axialschnittansicht eines Radialverdichters und dessen Steuervorrichtung nach einem ersten Beispiel des Standes der Technik, und

8 eine Axialschnittansicht eines Radialverdichters sowie dessen Steuervorrichtung nach einem zweiten Beispiel des Standes der Technik.

Detaillierte Beschreibung besonderer Ausführungsformen

1 zeigt einen Turboexpander, der dazu bestimmt ist, in einem Bereich mit explosibler Atmosphäre 20 zu arbeiten und der eine Axialanschlag-Vorrichtung 100 mit Stromerzeugungsmitteln gemäß der Erfindung aufweist. Der Verdichter umfaßt hauptsächlich eine rotierende Welle 2, die durch erste und zweite aktive, magnetische Radiallager 5 und 6 getragen wird, die über eine Steuervorrichtung 13 stromgesteuert werden, welche in dem Bereich 20 angeordnet und vorzugsweise in die Struktur des Verdichters integriert ist. Die Steuervorrichtung 13 kann entweder in einem explosionsgeschützt behandelten Gehäuse 14 untergebracht werden, wenn die Maschine dazu bestimmt ist, in einem Bereich 20 mit explosibler Atmosphäre zu arbeiten, oder in einem herkömmlichen Anschlußgehäuse oder -kasten für Verwendungen in ungesicherten Umgebungen.

Die Steuervorrichtung 13 wird hauptsächlich aus einem Netz 16 eines elektrischen Verteilernetzes gespeist, dessen Anschlußstelle außerhalb des Bereichs 20 gelegen ist. Die Vorrichtung 13 ist über einen Leiter 15 an das Netz 16 angeschlossen, der eine dichte Ummantelung 31 aufweist, um den Leiter 15 von der explosionsgefährdeten Atmosphäre in dem Bereich 20 zu isolieren. Die Steuervorrichtung 13 versorgt nun die Radiallager entsprechend einer Stromstärke, die proportional zu der für die rotierende Welle 2 erforderlichen Levitationskraft ist, mit elektrischer Energie. In bekannter Weise wird die Position der Welle innerhalb der Radiallager permanent durch Messung ihrer Radialverschiebung und durch Korrektur durch Stromsteuerung der Lager geregelt.

In dem beschriebenen Beispiel weist der Verdichter keine integrierte elektrische Motorisierung auf. Der Drehantrieb der Welle wird durch Zirkulation eines unter Druck stehenden Fluids in einer Eingangsleitung 11 erzielt, das selbst ein erstes Rad 3 antreiben wird, bevor es in eine Ausgangsleitung 12 ausgestoßen wird. Das durch die Zirkulation des unter Druck stehenden Fluids angetriebene Rad übernimmt die Funktion einer Turbine für den Antrieb des Verdichters. Die auf diese Weise in Rotation befindliche Welle wird ein zweites Rad 4 antreiben, welches dazu bestimmt ist, ein Arbeitsfluid zu pumpen, das zwischen einer Eingangsleitung 10 und einer Ausgangsleitung 9 zirkuliert. Diese Art von Verdichter funktioniert folglich durch Antrieb der Turbine, der aufgrund einer Druckgasreserve oder direkt durch Entspannen eines Gases während eines Prozesses zum Trennen der Flüssigphase und der Dampfphase des Gases bewirkt werden kann.

Die nicht motorisierten umlaufenden Maschinen können weitere Vorrichtungen zum Antreiben der Pumpe umfassen. Beispielsweise kann eine außerhalb der Maschine angeordnete Turbine außerhalb des Bereichs mit explosibler Atmosphäre angeordnet und dabei über eine flexible Verbindung mit der Pumpe verbunden sein.

Erste und zweite Hilfslager 7 und 8 sind um jedes Ende der Welle 2 herum angeordnet. Die Funktion dieser passiven Lager besteht vor allem darin, die Welle 2 im Falle eines Ausfalls der magnetischen Radiallager aufzunehmen. Jedoch ist es der Welle 2 erst unter eine bestimmten Rotationsgeschwindigkeit gestattet, mit den Hilfslagern in Kontakt zu gelangen, um eventuelle Schäden zu vermeiden. Diese zulässige Geschwindigkeit liegt in der Größenordnung von 1000 Umdrehungen pro Minute. Man muß folglich das Magnetschweben der Welle bewahren können, bis deren Rotationsgeschwindigkeit im Falle eines Ausfalls der Stromversorgung des Netzes 16 bis auf die zulässige Geschwindigkeit selbst abbremst. Man hat gesehen, daß die Lösungen des Standes der Technik nicht ermöglichten, eine Hilfs- oder Notvorrichtung zu erhalten, die gleichzeitig die Sicherheitsaspekte und die Aspekte des Platzbedarfs kombiniert, die bei dieser Art von umlaufenden Maschine dennoch sehr wichtig sind.

Die Erfindung schlägt folglich vor, vorfeilhafterweise die magnetische Axialanschlag-Vorrichtung, die bei umlaufenden Maschinen sehr verbreitet ist, zu verwenden. Die Axialanschlag-Vorrichtung 100 umfaßt herkömmlicherweise einen Rotor 101 in Form einer mit der Welle 2 fest verbundenen Scheibe, der zwischen zwei Statoren 102 und 104 zwischengeschaltet ist, die jeweils eine oder mehrere ringförmige Spulen 103 und 105 aufweisen. Diese Spulen werden über ein bekanntes Regelungssystem stromgesteuert, das eine axiale Verschiebung der Welle über einen Positionsgeber erfaßt, um eine Stromreaktion zu erhalten, die proportional zu der zu korrigierenden Axialbewegung ist. Bei den Ausführungsformen der Axialanschlag-Vorrichtungen, die mit den erfindungsgemäßen Erzeugungsmitteln ausgestattet sind, welche in der Fortsetzung des Textes beschrieben werden, sind die gemeinsamen Elemente der Anschlagvorrichtung mit den gleichen Zehnerzahlen bezeichnet.

Gemäß der Erfindung ist eine Induktionsvorrichtung 107 zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Scheibe 101 angeordnet, während sich in deren Nähe ein Sekundärteil 106 befindet, das an dem Stator 104 gegenüber der Scheibe befestigt ist. Wenn die rotierende Welle in Betrieb ist, befindet sich die Induktionsvorrichtung 107 in Rotation in der Nähe des festen Sekundärteils 106, wodurch es zu einer Magnetflußschwankung kommt, die einen elektrischen Erregerstrom in dem Sekundärteil erzeugen wird. In 1 befindet sich die Induktionsvorrichtung in einer kreisförmigen Öffnung, die in der rechten Seite der Scheibe ausgebildet ist, wodurch festgelegt ist, daß der Stator 104 das Sekundärteil 106 umfassen muß. Jedoch könnte die Induktionsvorrichtung in gleicher Weise auf der linken Seite der Scheibe gelegen sein und mit einer in den Stator 102 eingeschlossenen Induktionsvorrichtung funktionieren.

Die 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform eines Axialanschlags 200 auf, der mit den erfindungsgemäßen Stromerzeugungsmittel ausgestattet ist. Die Scheibe 201, welche mit der Welle fest verbunden ist, umfaßt eine erste Reihe von Permanentmagneten 208 sowie eine zweite Reihe von Permanentmagneten 209, die entlang zweier Kreise mit unterschiedlichem Durchmesser, die zur Achse der Scheibe 201 konzentrisch sind, angeordnet sind. Die Magneten einer jeden Reihe sind derart angeordnet, daß jeweils zwei Magneten der ersten und der zweiten Reihe fluchten und hinsichtlich der Polarität entlang einer radialen Richtung der Scheibe 201 ausgerichtet sind, um ein Polpaar zu bilden, das ein Magnetfeld erzeugt, welches durch die Linien 211 um jedes Paar herum materialisiert ist. Die Konfiguration der Magneten auf der Scheibe 201 kann wieder diejenige der für die Flachmotoren bekannten möglichen Anordnungen annehmen, und dies in Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl von Polpaaren.

Die Magneten sind in die Scheibe eingelassen, derart, daß sie durch die Scheibe gegenüber den Fliehkräften positiv gehalten werden.

Diese Magneten verändern nicht den Pfad des für den Betrieb des Axialanschlages verwendeten Magnetfeldes. Nicht magnetische Teile 207 und 208 können zwischen den Polen der benachbarten Magneten und der Masse der Scheibe angeordnet werden.

Der kreisförmige Teil der Scheibe 201, der zwischen den zwei Reihen von Magneten gelegen ist, ist ausgespart, um eine Vertiefung 210 zu bilden, in die ein Teil des Sekundärteils 206 eingefügt wird. Das Sekundärteil 206 kann – wie in 3 dargestellt – von einer toroidalen Wicklung 215 gebildet sein, deren Windungen auf einen Eisen- oder Ferritkern 216 gewickelt sind. In dieser Ausgestaltung ist das Sekundärteil 206 über eine Vielzahl von Befestigungselementen 212, die zwischen dem Kern 216 und dem Stator 204 eingefügt sind, an dem Stator 204 befestigt. Alternativ hierzu kann die Wicklung auf einer gedruckten Schaltung ausgebildet sein, die an einer ringförmigen, aus einem eisenhaltigen Material bestehenden Struktur befestigt ist. Unabhängig von der Struktur, die die verwendete Wicklung aufweist, kann diese zweiphasig oder dreiphasig sein und kann die Induktionsvorrichtung eine beliebige Anzahl von Polen umfassen.

Da die Wicklung der Statorteil der Stromerzeugungsmittel ist, fließt nur ein Strom in der Wicklung, wenn sich die Scheibe dreht, wodurch die Polpaare in der Nähe der Wicklung vorbeilaufen. Natürlich sollen diese Stromerzeugungsmittel die elektromagnetischen Eigenschaften der Axialanschlag-Vorrichtung nicht signifikant verändern, um nicht deren Betrieb zu stören. Aus diesem Grund schlägt die Erfindung vor, an dem Rotorelement der Anschlagvorrichtung Permanentmagneten in einem Teil unterzubringen, das einem der Statorelemente der Anschlagvorrichtung gegenüberliegt, wobei das betrachtete Statorelement eine Wicklung umfaßt, in der nur dann ein Strom fließt, wenn die Permanentmagneten in Bewegung sind.

Da die Magneten kreisförmig in der Scheibe angeordnet sind, laufen sie darüber hinaus, selbst bei relativ geringen Rotationsgeschwindigkeiten der Welle, mit einer bedeutenden Umfangsgeschwindigkeit vorbei, wodurch es möglich ist, die Magnetlager mit einem Strom zu speisen, der ausreichend ist, um die Levitation oder das Schweben der Welle selbst bei geringer Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. In allen Fällen ist die maximale, für einen Kontakt zwischen der Welle und den Hilfslagern zulässige Rotationsgeschwindigkeit, die in der Größenordnung von 1000 Umdrehungen pro Minute liegt, ausreichend, damit die Stromerzeugungsmittel des Anschlags genug Energie für die Versorgung der Radiallager erzeugen. Während des Startens liefern die in die Anschlagvorrichtung integrierten Stromerzeugungsmittel, sobald eine Rotationsgeschwindigkeit von einigen Tausend Umdrehungen pro Minute an den Hilfslagern erreicht ist, ausreichend Leistung, um die Magnetlager zu aktivieren und um die rotierende Welle eigenständig in den Schwebezustand zu versetzen, die solange in diesem Zustand magnetischen Schwebens gehalten wird, wie die Welle eine ausreichende Geschwindigkeit hat, d.h. eine Geschwindigkeit, die über etwa 1000 Umdrehungen pro Minute liegt.

Der in der Wicklung des Sekundärteils 206 erzeugte Strom wird auf die Steuervorrichtung 13 übertragen, die eine (nicht dargestellte) elektronische Vorrichtung umfaßt, welche insbesondere einen DC/DC-Wandler mit einer breiten Eingangsspanne aufweist, wodurch die Stromversorgung der Steuerelektronik der aktiven Magnetlager 5, 6 mit einer konstanten Spannung selbst bei geringer Geschwindigkeit gewährleistet ist.

Auf dem gleichen Funktionsprinzip wie demjenigen, das in Verbindung mit den 2 und 3 dargelegt ist, können zahlreiche Anordnungsvarianten, entweder für das Sekundärteil oder für die Induktionsvorrichtung, absolut in Betracht gezogen werden, ohne daß die oben erwähnten Vorteile verloren gehen.

Die 4 und 5 zeigen Ansichten eines Beispiels für eine mögliche Variante. Bei diesem Beispiel umfaßt die Induktionsvorrichtung nur eine einzige Reihe von Permanentmagneten 308, die in der Struktur einer Scheibe 301 angeordnet sind, welche zu einer Axialanschlag-Vorrichtung 300 gehört, die vom gleichen Typ wie diejenigen sind, welche bereits in der vorliegenden Anmeldung beschrieben sind. Das Sekundärteil 306 kann von einer toroidalen Wicklung des Typs wie er bereits in Verbindung mit 3 beschrieben ist, oder aber – wie in 5 dargestellt – von einer ringförmigen Struktur 314 gebildet sein, die eine äußere Umfangsfläche aufweist, welche eine eine Flachwicklung definierende gedruckte Schaltung 312 umfaßt. Alternativ kann diese Wicklung auf der inneren Umfangsfläche der ringförmigen Struktur 314 angeordnet sein, unter der Bedingung, daß die Reihe von Permanentmagneten 308 entlang eines Kreises mit geringerem Durchmesser derart angeordnet ist, daß die Magneten innerhalb der ringförmigen Struktur gelegen sind.

Die ringförmige Struktur ist in der Nähe der ringförmigen Spule 305 des Stators 304 befestigt. In der vorgestellten Ausbildung kann die Befestigung der ringförmigen Struktur durch ein nicht eisenhaltiges Material 313 verstärkt werden, das zwischen einem Abschnitt des Innenumfangs der ringförmigen Struktur und des Stators 304 angeordnet ist.

6 zeigt noch eine weitere Ausführungsvariante der Stromerzeugungsmittel in der Axialanschlag-Vorrichtung. In dieser Figur umfaßt die Anschlagvorrichtung 400 eine Scheibe 401, die eine Reihe von Permanentmagneten 408 einschließt, die immer noch entlang eines zu der Achse der Scheibe 401 konzentrischen Kreises angeordnet sind. Jedoch weicht bei dieser Ausführung die Ausrichtung der Pole der Magneten von den zuvor veranschaulichten Ausrichtungen ab. Die Pole sind nämlich entlang einer zur Achse der Scheibe parallelen Richtung ausgerichtet, wodurch ein Magnetfeld mit Feldlinien 411 erzeugt wird, die sich in einer zur Scheibe senkrechten Richtung erstrecken. In diesem Fall muß das Sekundärteil 406 ebenfalls anders ausgerichtet werden, um einen Strom unter dem Einfluß des durch die Bewegung der Magneten 408 erzeugten Magnetflusses zu erzeugen.

Wenn das Sekundärteil 406 von einer toroidalen Wicklung gebildet ist, wird diese dann um einen eisenfreien Kern gewickelt und befindet sich in dem Stator 404, ohne die der Scheibe 401 gegenüberliegende Fläche des Stators zu überragen. Wenn die Sekundärteile 406 von einer Flachwicklung auf einer gedruckten Schaltung gebildet sind, ist letztere direkt auf der Seite der Mittel 406 angeordnet, die zu der gegenüberliegenden Fläche der Scheibe 401 parallel verläuft.

Die drei Ausführungsformen, die soeben beschrieben wurden, stellen Beispiele dar, die lediglich einen Teil der Varianten zeigen, die im Rahmen der Erfindung realisiert werden können. Es können problemlos weitere Ausführungen durch den Fachmann in Betracht gezogen werden.

Des weiteren ist die Axialanschlag-Vorrichtung, die mit den erfindungsgemäßen Stromerzeugungsmitteln ausgestattet ist, in Verbindung mit nicht motorisierten umlaufenden Maschinen beschrieben worden. In Anbetracht des geringen Platzbedarfs und der Wahrung der dynamischen Eigenschaften der Maschine dank deren Integration in die Anschlagvorrichtung, können diese Mittel jedoch vorteilhafterweise auch in motorisierten umlaufenden Maschinen angebracht werden, wodurch es möglich ist, über eine vollkommen unabhängige Notversorgung der Lager zu verfügen.


Anspruch[de]
  1. Umlaufende Maschine mit einer rotierenden Welle (2), die durch erste und zweite magnetische Radiallager (5, 6) getragen wird, welche durch eine Steuervorrichtung (13) stromgesteuert werden, wobei die rotierende Welle mit einer Axialanschlag-Vorrichtung (100) versehen ist, die einen Rotor aufweist, der von einer mit der rotierenden Welle (2) fest verbundenen Scheibe (101) gebildet und zwischen einem ersten und einem zweiten Stator (102, 104) zwischengeschaltet ist, die ringförmig um die rotierende Welle angeordnet sind und jeweils wenigstens eine ringförmige Spule (103; 105) umfassen, die über ein System zur Regelung der Axialstellung der rotierenden Welle stromgesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Statoren der Axialanschlag-Vorrichtung (100) ferner ein Sekundärteil (106) umfaßt und daß die mit der rotierenden Welle fest verbundene Scheibe (101) eine Induktionsvorrichtung (107) umfaßt, derart, daß während der Rotation der Welle in dem Sekundärelement ein Erregerstrom erzeugt wird, um den magnetischen Radiallagern Energie zu liefern.
  2. Umlaufende Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsvorrichtung mehrere Permanentmagneten (208, 209; 308; 408) umfaßt, die in der Struktur der Scheibe (101) befestigt sind.
  3. Umlaufende Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagneten (308; 408) in der Scheibe gleichmäßig entlang eines Kreises angeordnet sind, dessen Durchmesser größer, gleich oder kleiner als derjenige des Sekundärteils ist.
  4. Umlaufende Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagneten (208, 209) in der Scheibe in einer ersten Reihe entlang eines Kreises, dessen Durchmesser kleiner als derjenige des Sekundärteils (206) ist, und in einer zweiten Reihe entlang eines zweiten Kreises, dessen Durchmesser größer als derjenige des Sekundärteils ist, gleichmäßig angeordnet sind, so daß der zwischen der ersten und der zweiten Reihe von Magneten definierte Raum eine Aufnahme (210) für das Sekundärteil bildet.
  5. Umlaufende Maschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärteil (206) wenigstens eine toroidale Wicklung (215) umfaßt, die auf einen Kern (216) gewickelt ist, der an dem Stator (204) der Axialanschlag-Vorrichtung (200) befestigt ist.
  6. Umlaufende Maschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärteil (306) wenigstens eine Flachwicklung (312) auf einer gedruckten Schaltung umfaßt, die an einer ringförmigen Struktur (314) angeordnet ist, welche an dem Stator (304) der Axialanschlag-Vorrichtung (300) befestigt ist.
  7. Umlaufende Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachwicklung (312) an der Seite der ringförmigen Struktur (314) angeordnet ist, welche dem nächstgelegenen Pol der Permanentmagneten gegenüberliegt.
  8. Umlaufende Maschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (13) der magnetischen Radiallager mit dem Sekundärteil verbunden ist, um den in diesem erzeugten Strom zu erhalten.
  9. Umlaufende Maschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (13) an der Maschine befestigt ist und eine explosionsgeschützte Ummantelung (14) aufweist.
  10. Umlaufende Maschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Bereich (20) mit explosibler Atmosphäre arbeitet.
  11. Umlaufende Maschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie keine integrierte elektrische Motorisierung umfaßt.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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