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Dokumentenidentifikation DE60209728T2 23.11.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001395759
Titel AKTIVES MAGNETLAGER MIT INTEGRIERTEN SENSOREN
Anmelder Société de Mécanique Magnétique, Saint-Marcel, FR
Erfinder BRUNET, Maurice, F-27950 Sainte Colombe près Vernon, FR;
SCHROEDER, Ulrich, F-76130 Mont Saint-Aignan, FR
Vertreter CBDL Patentanwälte, 47051 Duisburg
DE-Aktenzeichen 60209728
Vertragsstaaten CH, DE, GB, IT, LI, SE
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 13.06.2002
EP-Aktenzeichen 027455229
WO-Anmeldetag 13.06.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/FR02/02022
WO-Veröffentlichungsnummer 2021003216
WO-Veröffentlichungsdatum 27.12.2002
EP-Offenlegungsdatum 10.03.2004
EP date of grant 08.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.11.2006
IPC-Hauptklasse F16C 39/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein aktives Magnetlager mit radialem Magnetfluß für eine umlaufende Maschine mit einer Drehachse OO', wobei das Magnetlager einen Stator, der mit Elektromagnetspulen und einem ersten Paket von ferromagnetischen Blechen, die im Wesentlichen senkrecht zur Achse OO' sind, ausgestattet ist, einen Rotor, der mit einem zweiten Paket von ferromagnetischen Blechen, die im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse OO' sind, ausgestattet ist, Regelkreise, um den Rotor ohne Kontakt mit dem Stator im Gleichgewicht zu halten, sowie wenigstens einen Detektor für die radiale Position des Rotors und wenigstens einen Detektor für die axiale Position des Rotors umfaßt, wobei die Detektoren für die radiale Position und für die axiale Position an die Regelkreise Signale liefern, anhand derer der Strom in den Elektromagneten des Stators geregelt wird.

Die Mehrheit der Anwendungen, die Magnetlager verwenden, entsprechen dem in 8 dargestellten Konzept. Dieses Konzept entspricht einer deutlichen Trennung der verschiedenen Bestandteile und insbesondere eines radialen Magnetlagers 200, eines Detektors für die radiale Position 201 und eines Detektors für die axiale Position 301.

In einigen Fällen umfaßt die Vorrichtung, wie beispielsweise in dem Dokument FR 2 632 451 beschrieben, einen ersten und einen zweiten Radialdetektor, die in der Nähe eines radialen Magnetlagers bzw. eines konischen Magnetlagers angeordnet sind und die sich um den Rotor über einen Winkelsektor von 180° erstrecken. Eine solche Vorrichtung umfaß ferner einen Axialdetektor, der sich um den Rotor über einen Winkelsektor von höchstens 180° erstreckt und der in der Nähe des konischen Magnetlagers im wesentlichen in der gleichen Radialebene wie der zweite Radialdetektor angeordnet ist. So werden Axial- und Radialdetektoren kombiniert und verwenden diese den gleichen Blechkranz des Rotors. Diese Detektoren sind jedoch nicht in ein Lager integriert.

In anderen Fällen, wie sie beispielsweise in dem Patent FR 2 094 326 beschrieben sind, sind die Radialdetektoren zwischen den Radiallagern zwischengeschaltet, die Axialerfassung bleibt jedoch unabhängig.

In einem jeden dieser Fälle führt das Nebeneinanderanordnen der Schichtungen aus Lagern, Radialdetektoren und Axialdetektoren zu einem System, bei dem die gesamte Lager-Funktion eine große Länge aufweist und bei dem die Dynamik des Rotors Probleme bereitet.

Wie aus 9 ersichtlich ist, kompliziert darüber hinaus die Nichtkollokation, d.h. die Tatsache, daß die Stelle der radialen Erfassung 202 nicht mit der Reaktionsstelle 203 des Radiallagers zusammenfällt, insbesondere die Definition der Kontrollregelung. Verformungen, die durch den mechanischen Aufbau des Rotors bedingt sind, können zur Folge haben, daß sich zwischen dem Radiallager 200 und dem Radialdetektor 20 Knoten 204 befinden, so daß es zwischen der Erfassung und der Reaktion zu Phasenumkehrungen kommt, was zu fehlerhaften Reaktionen seitens des Magnetlagers führt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beheben und insbesondere zu ermöglichen, die Länge der umlaufenden Maschinen dank des Einsatzes von kompakteren Magnetlager-Einheiten zu verringern.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Tatsache zu vermeiden, daß die Erfassungs- und die Reaktionsstellen in einer aktiven Magnetaufhängung eines Rotors nicht zusammenfallen.

Erreicht werden diese Ziele dank eines Magnetlagers des Typs wie er zu Beginn der Beschreibung definiert ist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß gemäß der Erfindung das erste Paket von ferromagnetischen Blechen des Stators nacheinander in axialer Richtung wenigstens eine erste Untereinheit von Blechen, die erste Kerben oder Nuten aufweisen, in denen Wicklungen eines Elektromagneten des Stators aufgenommen sind, eine zweite Untereinheit von Blechen, die sowohl erste Kerben oder Nuten, in denen Wicklungen eines Elektromagneten des Stators aufgenommen sind, als auch zweite Kerben oder Nuten aufweisen, in denen ein Radialdetektor aufgenommen ist, sowie eine dritte Untereinheit von Blechen umfaßt, die erste Kerben oder Nuten aufweisen, in denen Wicklungen eines Elektromagneten des Stators aufgenommen sind, und daß das erste Paket von ferromagnetischen Blechen des Stators ferner an seinen axialen Enden eine vierte und eine fünfte Untereinheit von Blechen umfaßt, die jeweils gleiche Kerben oder Nuten aufweisen, in denen ein erster bzw. ein zweiter Axialdetektor aufgenommen sind.

Vorteilhafterweise erfolgt die Erfassung der Position des Rotors durch die Positionsdetektoren oder -geber an derselben Stelle wie die Reaktion des aktiven Magnetlagers.

Nach einem Merkmal der vorliegenden Erfindung erstreckt sich das zweite Blechpaket des Rotors über eine axiale Länge, die geringfügig größer ist diejenige des ersten Blechpakets des Stators.

Nach einem weiteren Merkmal umfaßt der Rotor einen nicht magnetischen, massiven Ring, der sich auf jeder Seite des zweiten Blechpakets des Rotors befindet.

Die nicht magnetischen Ringe können aus Stahl, Bronze oder Aluminium bestehen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt jeder Detektor für die Axial- oder Radialposition einen Satz von mehreren Erfassungselementen.

Nach einer besonderen Ausführungsform umfaßt jeder Detektor für die Axial- oder Radialposition einen Satz von vier Erfassungselementen.

Die Erfassungselemente können Wicklungen induktiven Typs sein.

Nach einem Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die Parallelitätsfehler der Ebenen zwischen den Blechen des zweiten Blechpakets und den nicht magnetischen Ringen dank der seriellen Anordnung der Erfassungselemente jedes Axialdetektors ausgeglichen.

Vorteilhafterweise ist die Erfassung der Axialposition an derselben Stelle wie die Radialerfassung definiert.

Nach einem Aspekt der Erfindung sind die Erfassungselemente eines Axialdetektors mit den Erfassungselementen des anderen Axialdetektors in Brücke geschaltet.

Nach einem weiteren Aspekt ist die Frequenz des Oszillators fd, der die Detektoren erregt, von der Frequenz fp des Stroms, welcher die Elektromagneten des Magnetlagers speist, entkoppelt.

Vorzugsweise wird die Entkopplung dadurch vollzogen, daß die Frequenz fd zur Erregung der Detektoren und die Frequenz fp zur Speisung der Elektromagneten des Magnetlagers in einem Verhältnis von 1 zu 2 synchronisiert werden, so daß fd = fP/2.

Beispielsweise wird die Entkopplung dadurch vollzogen, daß die Magnetlager durch Filter gespeist werden.

Nach einem weitren Merkmal der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke der Bleche des zweiten Blechpakets zwischen 0,1 mm und 0,2 mm.

Nach einer ersten besonderen Ausführungsform ist das aktive Magnetlager vom radialen Typ.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist das aktive Magnetlager vom konischen Typ mit radialer und axialer Wirkung.

Weitere Merkmale sowie Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von besonderen, als Beispiele gegebenen Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor, in diesen zeigen:

1 eine Ansicht im axialen Halbschnitt eines Ausführungsbeispiels eines aktiven Magnetlagers gemäß der Erfindung,

2 eine Ansicht eines aktiven Magnetlagers, welche im axialen Halbschnitt des oberen Teils Lagerwicklungen und im Halbschnitt des unteren Teils einen Radialdetektor sowie zwei Axialdetektoren zeigt, die Signale an einen Regelkreis liefern,

2A eine Ansicht entlang der Linie IIA-IIA der 2, welche einen Ausschnitt von Blechen des Stators zeigt, die erste Kerben oder Nuten für die Radiallager-Funktion aufweisen,

2B eine Ansicht entlang der Linie IIB-IIB der 2, welche einen Ausschnitt von Blechen des Stators zeigt, die sowohl erste Kerben oder Nuten für die Radiallager-Funktion als auch zweite Kerben oder Nuten für die Radialdetektor-Funktion aufweisen,

2C eine Ansicht entlang der Linie IIC-IIC der 2, die einen Ausschnitt von Blechen des Stators zeigt, die Kerben oder Nuten für die Axialdetektor-Funktion aufweisen,

3 eine Ansicht, die eine Variante der 2B zeigt,

4 eine Ansicht entlang des Pfeils F der 3,

5 auf schematische Weise die Brückenschaltung der Wicklungen des Radialdetektors der 2B,

6 auf schematische Weise die Brückenschaltung der Wicklungen der Axialdetektoren der 2C,

7 eine ähnlichen Ansicht wie die der 2, hierin ist jedoch das aktive Magnetlager konischen Typs mit radialer und axialer Wirkung,

8 eine Ansicht im axialen Halbschnitt eines Beispiels eines aktiven Magnetlagers des Standes der Technik, und

9 das Phänomen der nicht vorhandenen Koinzidenz der Stelle der Radialerfassung und der Reaktionsstelle des Radiallagers des Standes der Technik.

1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen kompakten, aktiven Magnetlagers 1 mit radialem Magnetfluß, das dazu bestimmt ist, in einer umlaufenden Maschine eingesetzt zu werden. Das Magnetlager 1 umfaßt einen Stator 2 sowie einen Rotor 3, die in relativer Rotationsbewegung zueinander sind, wobei sich der Rotor 3 entweder innerhalb oder außerhalb des Stators 2 befinden kann. Der Stator 2 ist mit Elektromagnetspulen 21, einem Paket von ferromagnetischen Blechen 22, einem Detektor 6 zur Erfassung der Radialstellung des Rotors 3 sowie mit zwei Detektoren 4 und 5 zur Erfassung der Axialstellung des Rotors 3 ausgestattet. Der Rotor 3 ist mit einem Paket von ferromagnetischen Blechen 9 ausgestattet, das sich über eine axiale Länge erstreckt, die geringfügig größer ist als die des Blechpakets 22 des Stators, sowie mit zwei massiven, nicht magnetischen Ringen 7 und 8, wobei ein jeder auf jeder Seite des Blechpakets 9 des Rotors gelegen ist. Die nicht magnetischen Ringe 7 und 8 können beispielsweise aus Stahl, aus Bronze oder aus Aluminium bestehen.

Der mit ferromagnetischen Blechen 9 ausgestattete Rotor 3 wird über die Magnetfelder gehalten, die von den an dem Stator 2 angeordneten Elektromagneten erzeugt werden. Der Rotor 3 befindet sich somit im Gleichgewicht ohne mechanischen Kontakt mit dem Stator 2. Seine Position wird mit Hilfe von Detektoren 4, 5 und 6 erfaßt, die vorzugsweise induktiven Typs sind, jedoch auch von jedwedem anderen Typ sein können und die permanent die eventuellen Verlagerungen aufnehmen und Signale liefern, die ermöglichen, über einen elektronischen Regelkreis die Ströme in den Elektromagnetwicklungen 21 derart zu steuern, daß die Kräfte magnetischer Anziehung den Rotor im Falle einer Verlagerung in seine Nennstellung zurückbringen.

In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Magnetlager ein Statorjoch 2, das mit Wicklungen 21 versehen ist. Der Statorteil 2 des Magnetlagers wirkt mit einem Anker aus ferromagnetischen Material 9 des Rotors 3 zusammen, der gegenüber dem Statorjoch 2 entlang der Achse OO' angebracht ist. An dem Rotor wird ein einziges Blechpaket mit einer Dicke von 0,1 mm bis 0,2 mm mit beispielsweise Eisen- oder Siliziumblechen verwendet. Für die Radialmagnetlager-Funktion ist das Paket von Rotorblechen geringfügig breiter als das Paket von Statorblechen, derart, daß es durch das Radiallager nicht zu einer Erhitzung im Rotor kommt. Das Magnetlager weist auch einen herkömmlichen magnetischen Axialanschlag auf, der in 2 nicht dargestellt ist, der jedoch anhand des in das Radiallager integrierten zweifachen Axialdetektors 4, 5 gesteuert wird.

Das Joch des Statorteils 2 ist mit einem Paket aus ferromagnetischen Blechen 22 versehen. Das Paket aus ferromagnetischen Blechen des Stators umfaßt nacheinander in axialer Richtung fünf Blecheinheiten. In eine erste Einheit von Blechen 2a sind Elektromagnetwicklungen 21 des Stators für die alleinige Radiallager-Funktion integriert (2A). In eine zweite Einheit von Blechen 2b sind Elektromagnetwicklungen 21 für die Radiallager-Funktion sowie ein Radialdetektor 6 integriert (2B). Eine dritte Einheit von Blechen 2a ist mit der ersten Einheit von Blechen 2a identisch und nimmt Elektromagnetwicklungen 21 des Stators für die alleinige Radiallager-Funktion auf (2A). Die Enden des Pakets aus ferromagnetischen Blechen 22 des Stators 2 umfaßt eine vierte und eine fünfte Einheit 2c von Blechen, in die ein erster Axialdetektor 4 bzw. ein zweiter Axialdetektor 5 integriert sind (2C) und die auf beiden Seiten der mittleren Gruppe von Blechen angeordnet sind, welche die erste, die zweite und die dritte Einheit von Blechen umfaßt.

In der Ausführungsform der 2 sind die Axialdetektoren 4, 5 sowie der Radialdetektor 6 induktiven Typs, die Signale liefern, anhand derer der Strom in den Wicklungen des radialen Magnetlagers und des nicht dargestellten magnetischen Axialanschlags mit Hilfe eines herkömmlichen Regelkreises 10 geregelt wird. Die Aufgabe des Regelkreises 10 ist es, die Position des Rotors 3 dadurch zu kontrollieren, daß er auf Grundlage der über die Positionsgeber gelieferten Signale auf den Strom in den Elektromagneten einwirkt.

Die nicht magnetischen Ringe 7 und 8, die sich auf jeder Seite des Blechpakets 9 des Rotors 3 befinden, dienen als Bezugsringe, die es den Axialdetektoren 4 und 5 ermöglichen, die axiale Position des Rotors 3 gegenüber der Statoreinheit 2 präzise zu bestimmen. Die Axialdetektoren 4 und 5 wirken nämlich teilweise mit den nicht magnetischen Ringen 7 und 8 zusammen. Bei einer axialen Verlagerung des Rotors 3 sind somit die teilweisen Überlappungen eines jeden der nicht magnetischen Ringe 7, 8 und des Ankers 9 des Rotors 3 unterschiedlich, so daß die über die Axialdetektoren 4 und 5 gelieferten Signale unterschiedlich sind und ermöglichen, Informationen über die axiale Position des Rotors mit einer zweifachen Genauigkeit zu liefern, wodurch der Axialanschlag für das Halten einer vorbestimmten axialen Position korrekt geregelt werden kann. In einer axialen Nennstellung erstrecken sich die nicht magnetischen Ringe 7, 8 über die Hälfte des Pakets aus festen Blechen des Axialdetektors 4 bzw. des Axialdetektors 5.

Der Radialdetektor 6 erfaßt jede Änderung des Luftspalts, d.h. des Freiraums zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2. Das Signal des Detektors 6 wird anschließend über den Regelkreis 10 mit einem Referenzsignal verglichen, das die Nennstellung des Rotors 3 definiert, wodurch es möglich ist, das Radiallager für das Halten einer radialen Position in der Mitte des Stators 2 entlang der Achse OO' korrekt zu regeln.

Die 2A, 2B und 2C zeigen die unterschiedlichen Ausschnitte der Bleche des Stators 2.

2A zeigt ein Blech 22a, das zur ersten oder zur dritten Einheit von Blechen 2a gehören kann. Das Blech 22a weist eine Vielzahl von Kerben oder Nuten 70 auf, in denen Elektromagnetwicklungen 21 für die alleinige Radiallager-Funktion aufgenommen sind.

2B zeigt ein Blech 22b, das zur zweiten Einheit von Blechen 2b gehört. Das Blech 22b weist eine Vielzahl von Kerben oder Nuten 60 auf, in denen Elektromagnetwicklungen 21 für die Radiallager-Funktion entlang der Achsen X und Y aufgenommen sind. Einige Nuten, die entlang von zwischen den Achsen X und Y eingefügten Achsen A und B ausgerichtet sind, weisen zusätzliche Zähne 61, 62, 63 und 64 auf, um die Erfassungswicklungen 65, 66, 67 und 68 für die Radialdetektor-Funktion gewickelt sind. Die Tatsache, daß der Radialdetektor zwischen den Achsen X und Y des Radiallagers eingefügt ist, führt dazu, daß die Nutzfläche des aktiven Lagers geringfügig verkleinert wird, wodurch es zu einem Spannungsverlust kommt, der durch eine gewisse Verbreiterung des Lagers kompensiert werden muß. Der Spannungsverlust bleibt jedoch sehr gering, da die verlorene Fläche einem großen Winkel gegenüber der Achse des Lagers entspricht, und der Projektionsverlust an der Lastachse ist begrenzt. Eine an einem realen Lager mit einem Durchmesser von 150 mm durchgeführte genaue Berechnung zeigt, daß der Spannungsverlust, welcher durch die Integration eines Radialdetektors bedingt ist, lediglich zu einem Verlust der längenbezogenen Ladung in der Größenordnung von 10 % führt, während der Raumbedarfsgewinn viel größer ist.

2C zeigt ein Blech 2c, das zur vierten oder fünften Einheit von Blechen 2c gehört, die eine Vielzahl von Zähnen 41, 42, 43, 44 oder 51, 52, 53, 54 der gleichen Form aufweist, die entlang von Achsen A und B ausgerichtet sind, die zwischen den Achsen X und Y der Bleche eingefügt sind, welche zu den Wirkungsachsen des Radiallagers relativ sind. Die Einheit von Blechen, welche die Zähne 41, 42, 43 und 44 aufweist und elektromagnetische Wicklungen 45, 46, 47 bzw. 48 aufnimmt, stellt den ersten Axialdetektor 4 dar, während die Einheit von Blechen, welche die Zähne 51, 52, 53 und 54 aufweist und elektromagnetische Wicklungen 55, 56, 57 bzw. 58 aufnimmt, den zweiten Axialdetektor 5 darstellt. Die zwischen den zwei Detektoren 4 und 5 abgestimmte induktive Erfassung liefert eine Angabe über die axiale Position des Rotors 3.

Vergleicht man den axialen Raumbedarf eines Magnetlagers gemäß der Erfindung und den axialen Raumbedarf eines Magnetlagers des Standes der Technik wird ersichtlich, daß der Längengewinn beispielsweise 34 mm von 157 mm betragen kann, was einem Gewinn von etwa 22 % bei äquivalenter Last entspricht.

Die 3 und 4 zeigen eine besondere Ausführungsform eines Radiallagers gemäß der Erfindung, in das Axialdetektoren 4, 5 und ein Radialdetektor 6 integriert sind.

5 zeigt die Wicklungen 65, 66, 67 und 68 des Radialdetektors 6, die in Brücke geschaltet sind. Die Wicklungen 65 und 66 liefern die Erfassung mit Unterdrückung der geradzahligen Oberschwingungen entlang der Achse B. Die Wicklungen 67 und 68 liefern die Erfassung mit Unterdrückung der geradzahligen Oberschwingungen entlang der Achse A. Die Erfassung entlang der Achsen X und Y des Radiallagers wird durch die Kombination über die elektronischen Kontrollschaltungen des Regelkreises 10 erzielt. Die Erfassung entlang der Radialachse X wird dadurch erzielt, daß das Erfassungssignal entlang der Achse A und das Erfassungssignal entlang der Achse B addiert werden, so daß ein Signal X = A + B erhalten wird. Die Erfassung entlang der radialen Achse Y wird dadurch erzielt, daß das Erfassungssignal entlang der Achse A von dem Erfassungssignal entlang der Achse B subtrahiert wird, so daß man ein Signal Y = B – A erhält.

Die Wicklungen 45, 46, 47 und 48 des ersten Axialdetektors 4 sind in Reihe geschaltet, wodurch eine erste Einheit gebildet wird, um den Parallelitätsfehler der Flanke des nicht magnetischen Rings an den Blechen des Ankers des Rotors 3 auszugleichen. Eine zweite Einheit wird durch die Serienschaltung der Wicklungen 55, 56, 57 und 58 des zweiten Axialdetektors 5 gebildet, der sich auf der anderen Seite des Lagers befindet. Die erste Einheit wird dann zu der zweiten Einheit in Brücke geschaltet. Diese Brückenschaltung, welche die Erfassungsempfindlichkeit verdoppelt, definiert auch eine Brücke zur virtuellen axialen Erfassung, die in der Mitte der beiden Kränze zur axialen Erfassung, d.h. in der Mitte des Radiallagers an der gleichen Stelle wie die radiale Erfassung gelegen ist. Demzufolge erfolgt die Erfassung der Position des Rotors 3 durch die Detektoren zum Erfassen der axialen und der radialen Position 4, 5, 6 an derselben Stelle wie die Reaktion des aktiven Magnetlagers 1. Dieses Zusammenfallen der Erfassung und der Reaktion vereinfacht das Kontrollsystem und erhöht die Genauigkeit der Regelung.

Die Tatsache, daß die Axialdetektoren und der Radialdetektor in das Radiallager integriert sind, könnte die Risiken der magnetischen und elektrischen Kopplung zwischen den Detektoren und dem Lager erhöhen. Um diese Kopplung zu vermeiden, wird die Frequenz fd des die Detektoren 4, 5, 6 erregenden Oszillators von der Frequenz fP des die Elektromagneten des Magnetlagers speisenden Stroms entkoppelt.

Dieses Entkoppeln kann dadurch vollzogen werden, daß die Frequenz der Detektoren fd und die Frequenz fP der Elektromagneten des Magnetlagers in einem Verhältnis von 1 zu 2 synchronisiert werden, d.h. fd = fp/2.

Diese Synchronisierung entkoppelt die beiden Funktionen vollständig. Eventuell kann die Entkopplung dadurch realisiert werden, daß die Magnetlager durch induktivekapazitive Filter (LC-Filter) gespeist werden, die am Ausgang der Verstärker angeordnet sind, um die hohe Pendelfrequenz der Verstärker in der Metallmasse des Lagers und somit die oben erwähnten Kopplungen zu vermeiden.

7 ist eine Axialschnittansicht eines aktiven Magnetlagers 101 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nach dieser Ausführungsform ist das aktive Magnetlager 101 ein konisches Lager mit radialer und axialer Wirkung, bei dem alle Funktionen nämlich Axiallager, Radiallager, Axialdetektor und Radialdetektor in ein und dieselbe Einheit integriert sind.

Das Magnetlager 101 umfaßt ein kegelförmiges Statorjoch 2, das mit Elektromagnetwicklungen 121 versehen ist. Der Statorteil 102 des Magnetlagers wirkt mit einem kegelförmigen Anker aus ferromagnetischem Material 109 des Rotors 103zusammen, der gegenüber dem Statorjoch 102 entlang der Achse OO' angeordnet ist. Die konische Form des Magnetlagers erzeugt zusätzlich zu der radialen Komponente eine axiale Komponente des Magnetfeldes, und somit ist ein zusätzlicher magnetischer Axialanschlag nicht mehr erforderlich.

Das Joch des Statorteils 2 ist mit einem konischen Paket aus ferromagnetischen Blechen 122 ausgestattet. Das Paket aus ferromagnetischen Blechen 122 des Stators umfaßt nacheinander in axialer Richtung fünf Einheiten von Blechen. In eine erste Einheit von Blechen sind Elektromagnetwicklungen 121 lediglich für die Radiallager-Funktion integriert. In eine zweite Einheit von Blechen sind Elektromagnetwicklungen 121 für die Radiallager-Funktion sowie ein Radialdetektor 106 integriert. In eine dritte Einheit von Blechen sind Elektromagnetwicklungen 121 lediglich für die Radiallager-Funktion integriert. Die Enden des Pakets von ferromagnetischen Blechen 122 des Stators 102 umfassen eine vierte und eine fünfte Einheit von Blechen, in die ein erster Axialdetektor 104 bzw. ein zweiter Axialdetektor 105 integriert ist. Die Axialdetektoren 104, 105 sowie der Radialdetektor 106 liefern Signale, anhand derer der Strom in den Wicklungen des Radial- und Axialmagnetlagers mit Hilfe des Regelkreises 110 geregelt wird.

Die nicht magnetischen Ringe 107 und 108 sind kegelförmig ausgebildet und befinden sich auf jeder Seite des Blechpakets 109 des Rotors. Diese Ringe 107, 108 dienen als Bezugsringe, die es den Axialdetektoren 104 und 105 ermöglichen, die Axialposition des Rotors 103 gegenüber der Statoreinheit 102 präzise zu bestimmen.

Außer der Kegelstumpfform der Wände des Stators 102 und des Rotors 103, welche den Luftspalt begrenzen, und der Tatsache, daß das Lager direkt auf die durch den Radialdetektor 106 und die Axialdetektoren 104, 105 an den Regelkreis 110 übertragenen Signale reagieren kann, ist die Gestaltung des Stators 102 analog zu der des Stators 2 des Lagers der 2 und sind die in Bezug auf die 2A, 2B, 2C und 3 bis 6 gegebenen Erläuterungen auch auf die Ausführungsform der 7 anwendbar.


Anspruch[de]
Aktives Magnetlager (1; 101) mit radialem Magnetfluß für eine umlaufende Maschine mit einer Drehachse OO', wobei das Magnetlager (1; 101) einen Stator (2; 102), der mit Elektromagnetspulen (21; 121) und einem ersten Paket von ferromagnetischen Blechen (22, 122), die im Wesentlichen senkrecht zur Achse OO' sind, ausgestattet ist, einen Rotor (3; 103), der mit einem zweiten Paket von ferromagnetischen Blechen (9; 109), die im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse OO' sind, ausgestattet ist, Regelkreise (10; 110), um den Rotor (3; 103) ohne Kontakt mit dem Stator (2; 102) im Gleichgewicht zu halten, und wenigstens einen Detektor für die radiale Position (6; 106) des Rotors und wenigstens einen Detektor für die axiale Position (4, 5; 104, 105) des Rotors umfaßt, wobei die Detektoren für die radiale Position und für die axiale Position an die Regelkreise (10; 110) Signale liefern, anhand derer der Strom in den Elektromagneten (21; 121) des Stators (2; 102) geregelt wird; dadurch gekennzeichnet, daß das erste Paket von ferromagnetischen Blechen (22; 122) des Stators (2; 102) nacheinander in axialer Richtung wenigstens eine erste Untereinheit (2a) von Blechen (22a), die erste Kerben (70) aufweisen, in denen Wicklungen (21; 121) eines Elektromagneten des Stators (2; 102) aufgenommen sind, eine zweite Untereinheit (2b) von Blechen (22b), die sowohl erste Kerben (60), in denen Elektromagnetwicklungen (21; 121) des Stators (2; 102) aufgenommen sind, als auch zweite Kerben aufweisen, in die ein Radialdetektor (6; 106) integriert ist, sowie eine dritte Untereinheit (2a) von Blechen (22a) umfaßt, die erste Kerben (70) aufweisen, in denen Elektromagnetwicklungen (21; 121) des Stators (2; 102) aufgenommen sind, und daß das erste Paket von ferromagnetischen Blechen (22; 122) des Stators (2; 102) ferner an seinen Axialenden eine vierte und eine fünfte Untereinheit (2c) von Blechen (22c) umfaßt, die jeweils gleiche Kerben aufweisen, in denen ein erster bzw. ein zweiter Axialdetektor (4, 5; 104, 105) aufgenommen ist. Magnetlager (1, 101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Position des Rotors (3; 103) durch die Positionsdetektoren (4, 5, 6; 104, 105, 106) an demselben Punkt wie die Reaktion des aktiven Magnetlagers (1; 101) erfolgt. Magnetlager (1, 101) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das zweite Blechpaket (9; 109) des Rotors über eine axiale Länge erstreckt, die etwas größer ist als die des ersten Blechpakets (22; 122) des Stators. Magnetlager (1; 101) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3; 103) einen nicht magnetischen, massiven Ring (7, 8; 107, 108) umfaßt, der sich auf jeder Seite des zweiten Blechpakets (9; 109) des Rotors befindet. Magnetlager (1; 101) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht magnetischen Ringe (7, 8; 107, 108) aus Stahl, Bronze oder Aluminium bestehen. Magnetlager (1; 101) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor einer Axial- oder Radialposition (4, 5, 6; 104, 105, 106) einen Satz von mehreren Erfassungselementen umfaßt. Magnetlager (1; 101) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor einer Axial- oder Radialposition (4, 5, 6; 104, 105, 106) einen Satz von vier Erfassungselementen (45, 46, 47, 48) oder (55, 56, 57, 58) oder (65, 66, 67, 68) umfaßt. Magnetlager (1, 101) nach irgendeinem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungselemente Wicklungen induktiven Typs sind. Magnetlager (1; 101) nach Anspruch 4 und irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelitätsfehler der Ebenen zwischen den Blechen des zweiten Blechpakets (9; 109) und den nicht magnetischen Ringen (7, 8; 107, 108) dank der seriellen Anordnung der Erfassungselemente (45, 46, 47, 48) oder (55, 56, 57, 58) jedes Axialdetektors (4, 5) ausgeglichen werden. Magnetlager (1; 101) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Axialposition an derselben Stelle wie die Radialerfassung definiert ist. Magnetlager (1; 101) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungselemente (45, 46, 47, 48) eines Axialdetektors (4) mit den Erfassungselementen (55, 56, 57, 58) des anderen Axialdetektors (5) in Brücke geschaltet sind. Magnetlager (1; 101) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Oszillators fd, der die Detektoren (4, 5, 6; 104, 105, 106) erregt, von der Frequenz fp des Stroms, der die Elektromagneten des Magnetlagers speist, entkoppelt ist. Magnetlager (1; 101) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplung dadurch vollzogen wird, daß die Frequenz fd zur Erregung der Detektoren und die Frequenz fp zur Speisung der Elektromagneten des Magnetlagers in einem Verhältnis von 1 zu 2 synchronisiert werden, so daß fd = fp/2. Magnetlager (1; 101) nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplung dadurch vollzogen wird, daß die Magnetlager durch Filter gespeist werden. Magnetlager (1; 101) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Bleche des zweiten Blechpakets (9; 109) zwischen 0,1 mm und 0,2 mm beträgt. Magnetlager (1; 101) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Magnetlager vom radialen Typ (1) ist. Magnetlager (1; 101) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Magnetlager vom konischen Typ (101) mit radialer und axialer Wirkung ist.






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