Bei der vorliegenden Erfindung geht es um ein Magnetlager gemäss Anspruch 1:
Magnetlager haben grundsätzlich die Aufgabe, einen Rotationskörper berührungslos durch magnetische Kräfte zu halten. Die Berührungslosigkeit hat gegenüber konventioneller mechanischer Lager (Kugel-, Wälz- und Gleitlager) viele Vorteile, so dass einige höchsttourige Anwendungen erst mit Magnetlager möglich wurden. Zu diesem Bereich gehören u.a. Turbomolekularpumpen und Ultrazentrifugen. Magnetlager zeichnen sich dadurch aus, dass sie vollständig verschleiss- und wartungsfrei sind. Dies bedeutet eine beinahe unendliche Lebensdauer. Magnetlager weisen keine Reibungswärme auf, sie arbeiten geräusch- und vibrationsfrei und gewähren somit eine nahezu verlustfreie Lagerung selbst bei sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten.
Da für Magnetlager auch keine Schmierung benötigt wird, werden Anwendungen mit kontaminationsgefährdeten Medien möglich, wie Lebensmittel- und Blutpumpen, oder Betrieb im Ultrahochvakuum bzw. Raumfahrt. Stand der Technik
Bei der magnetischen Lagerung unterscheidet man zwischen aktiven und passiven Magnetlagern. Aktive Magnetlager weisen eine hohe Tragfähigkeit, hohe Rückstellkräfte (mit Steifigkeiten von 10<5> bis 10<6> N/m), jedoch sehr kleine Luftspalte (ca. 0,2 mm) auf. Weiter benötigen sie Lagesensoren und eine Regelelektronik. Allgemein sind aktive Magnetlager heute noch entsprechend teuer.
Passive Magnetlager sind demgegenüber für geringere Rotormassen (ca. 5-10 kg) geeignet. Ihre Rückstellkräfte sind im Vergleich zu den aktiven Magnetlagern um ca. eine Grössenordnung geringer (mit Steifigkeiten von 10<4> bis 10<5> N/m) mit Luftspalten in der Grössenordnung von 2-5 mm. Die grösseren Luftspalten der passiven Magnetlager ermöglichen auch die Rotorlagerung in korrosiven und ätzenden Medien oder bei Anwendungen mit hohen Temperaturen (eine nichtmagnetische Trennwand im Luftspalt ist deswegen möglich). Passive Magnetlager sind infolge des geringeren Materialaufwandes sowie der fehlenden Regelelektronik meist zuverlässiger und auch kostengünstiger.
Industrielle Anwendungen von Magnetlagern finden sich in Turbomolekularpumpen, in Gasexpander und Kompressoren, in Textilmaschinenspindeln, Ultrazentrifugen und Schwungradspeichern, sowie in der Lebensmittelindustrie und in der Medizinaltechnik.
Neben der klassisch mechanischen Rotorlagerung in geschmierten Kugellagern werden heute auch Kombinationen von Permanentmagnetlagern und Kugellagern verwendet. Zur vollkommen berührungslosen Lagerung kommen aktiv gesteuerte Magnetlager verschiedenster Ausführungen zur Anwendung.
Es ist nun bereits eine Vorrichtung bekannt (WO 9 832 973 AI), die als Magnetlager für eine schnelldrehende Turbomolekularpumpe dient.
Dieses in der Zeichnung Fig. 1 (Prior Art) dargestellte Magnetlager 10 besteht aus einem stationären Teil 12 (Stator) in Verbindung mit einem rotationssymmetrischen Permanentmagnet 14 und einem rotierenden Teil 13 (Rotor), welcher um eine Rotationsachse 11 rotieren kann. Der Rotor 13 besteht aus einem elektrisch gut leitenden nicht magnetischen Material, z.B. aus Kupfer oder Aluminium. Der Rotor 13 ist vom im Stator 12 befestigten Permanentmagnetring 14 durch einen Luftspalt 15 getrennt. Der Permanentmagnet erzeugt im Luftspalt 15 ein in radialer Richtung inhomogenes Magnetfeld mit einem relativ starken Gradient. Dies ist so zu verstehen, dass die Intensität des Magnetfeldes in Richtung zur Rotationsachse 11 abnimmt.
Die Richtung der magnetischen Polarisierung des Permanentmagnetringes ist für die Funktion dieses Magnetlagers belanglos, d.h., dass sowohl die radiale zur Rotationsachse 11 gerichtete Polarisierung 14a oder weg von der Rotationsachse 11 gerichtete Polarisierung 14c, als auch die axiale nach rechts gerichtete Polarisierung 14b oder nach links gerichtete Polarisierung 14d zur richtigen Funktion des Magnetlagers führen würde.
Eine andere Version des vorbekannten Magnetlagers für die oben erwähnte Turbomolekularpumpe ist im Fig. 2 (Prior Art) dargestellt. Das Magnetlager 20 diesmal besteht aus einem zweiteiligen Stator 22 und 23, wobei jeder von den Teilen je einen Permanentmagnetring beinhaltet und zwar der innere Stator 22 den inneren Permanentmagnetring 25 und der äussere Stator 23 den äusseren Permanentmagnetring 26. Die magnetische Polarisierung der Permanentmagnetringe ist so gerichtet, dass die Magnete einen abstossenden Modus aufweisen. Im freien Raum zwischen den beiden Permanentmagnetringen 25 und 26 befindet sich ein elektrisch gut leitender nichtmagnetischer Hohlzylinder 24 als Rotor. Infolgedessen entstehen in diesem Fall zwischen dem Rotor 24 und den Permanentmagnetringen 25 und 26 zwei Luftspalten, ein innerer Luftspalt 28 und ein äusserer Luftspalt 27.
Im Bereich zwischen den beiden Permanentmagnetringen 25 und 26, d.h. im äusseren Luftspalt 27, im Rotor 24 und im inneren Luftspalt 28 wird ein in radialer Richtung inhomogenes Magnetfeld erzeugt, das einen noch stärkeren Gradient als im ersten Magnetlagerbeispiel 10 aufweist.
Es gibt insgesamt vier Möglichkeiten, wie die Magnetringe polarisiert werden können: a) beide Magnetringe axial nach rechts gerichtet, 26a, 25a; b) der äussere Magnetring radial zur Rotationsachse 21 und der innere Ring radial weg von der Achse 21 gerichtet, 26b, 25b; c) oder umgekehrt, der äussere Magnetring radial weg von der Rotationsachse 21 und der innere Ring radial zur Achse 21 gerichtet, 26c, 25c; d) und letztens beide Magnetringe axial nach links gerichtet, 26d, 25d.
Alle vier Polarisierungsmöglichkeiten führen zum oben erwähnten abstossenden Modus, welcher zur Funktion dieses Magnetlagers 20 notwendig ist.
Es sei noch an dieser Stelle vermerkt, dass die beiden vorbekannten Magnetlager 10 und 20 ausschliesslich stationäre Permanentmagnete aufweisen. Bei diesen beiden Magnetlagern 10 und 20 gibt es zwar keine destabilisierenden Kräfte im Stillstand, jedoch solche Magnetlager weisen keine axiale Stabilität auf. Nur durch zusätzliche Massnahmen kann die axiale Stabilität erreicht werden.
Weitere zum Stand der Technik gehörende Literatur sind: Patent-Liste:
Conrad, Armin; Lembke, Torbjörn: "Reibungspumpe" EP 0 675 289 A1 Priorität: 26.03.94
Conrad, Armin; Lembke, Torbjörn: "Friction pump with magnetic bearings disposed in the impeller" US 5 547 338 Filed: Mar. 24, 1995 Lembke, Torbjörn: "Magnetically suspended high velocity vacuum pump" WO 9 832 973 A1 Filed: Jan. 23, 1998 Pinkerton, Joseph F.: "Magnetic bearing and method utilizing movable closed conductive loops" US 5 302 874 Filed: Dec. 23, 1992 Post, Richard F.: "Dynamically stable magnetic suspension/bearing System" US 5 495 221 Filed: Mar. 9, 1994 Post, Richard F.: "Passive magnetic bearing element with minimal power losses" US 5 847 480 Filed: Nov. 3, 1995 Wissenschaftliche Literatur:
Weitere zum Stand der Technik gehörende Literaturen sind: Reitz, John R.: "Forces on Moving Magnets due to Eddy Currents" J. Appl. Phys., 41, 5 (April 1970) 2067-71 Reitz, John R.; Davis, L. C.: "Force on a Rectangular Coil Moving above a Conducting Slab" J. Appl. Phys, 43,4 (April 1972) 1547-53 Simone, Michelle; Tichy, John: "Force Due to a Magnetic Dipole Near a Sliding Conductor: Application to Magnetic Levitation and Bearings" Trans. ASME, 116 (Oct. 1994) 720-5 Saslow, W. M.: "Maxwell's Theory of Eddy Currents in Thin Conducting Sheets, and Applications to Electromagnetic Shielding and MAGLEV Am. J. Phys., 60, 8 (Aug. 1992) 693-711 Post, R. F. et al.: "Research on Ambient-Temperature Passive Magnetic Bearings at the Lawrence Livermore National Laboratory" LLNL Preprint UCRL-JC-126208 (April 1997) Prepared for submittal to 6th Int.
Symp. on Magnetic Bearings, Cambridge, Mass., Aug. 5-7, 1998 Post, R.F.; Ryutov, D. D.: "Ambient-Temperature Passive Magnetic Bearings: Theory and Design Equations" LLNL Preprint UCRL-JC-129214 (Dec. 30, 1997) Prepared for submittal to 6th Int. Symp. on Magnetic Bearings, Cambridge, Mass., Aug. 5-7,1998 Stell, Richard L.: "The Analysis of Eddy Currents" Clarendon Press, Oxford (1974) Detaillierte Darstellung der Erfindung
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Lagerungsvorrichtung zustande zu bringen, die in allen Richtungen völlig stabil ist und keinerlei Stützlager während des Betriebs erfordert. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, wie in Fig. 3 dargestellt ist, einen möglichst gut geschlossenen Magnetkreis zu bilden und bei Abweichungen des Rotors 39 von der zentrierten Lage eine grössere Änderung des magnetischen Hauptflusses im Luftspalt 36 zu erhalten. Die Aufgaben werden durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Das passive, elektrodynamische Magnetlager ist ein selbstregelndes Lager und beruht auf dem Prinzip der durch Änderung des Magnetflusses entstandenen Wirbelstrominduktion innerhalb elektrisch gut leitender Strukturen oder in kurzgeschlossenen Spulen. Die Wirbelströme erzeugen wiederum eigene Magnetfelder und dadurch auch solche Rückstellkräfte, die die radiale Stabilisierung des Rotors bewirken.
Der Ausdruck "homopolares Magnetlager" bedeutet eine Lagerkonstruktion, bei der das Magnetfeld im System so angeordnet ist, dass der rotierende Teil während der zentrierten Rotation ein konstantes Magnetfeld verspürt. Infolgedessen entstehen in der zentrierten Lage keine Hysteresis- oder Wirbelstromverluste. Deswegen sind solche homopolare Magnetlager beinahe verlustfrei.
Die vorliegende Erfindung baut auf demselben Prinzip auf wie die schwebenden japanischen MAGLEV Züge (MAGnetic LEVitation), welche sich, um die Kontaktlosigkeit zu erreichen abstossende Kräfte zwischen dem Zug und der Unterlage zunutze machen.
Wenn ein Magnet über eine elektrisch leitende Fläche geführt wird, dann werden Wirbelströme auf solche Weise in der Fläche induziert, dass das durch diese Wirbelströme erzeugte Magnetfeld zu abstossenden Kräften zwischen dem Magneten und der Fläche führt. Wenn sich nun der Magnet der Fläche nähert, nimmt die Grösse der induzierten Ströme zu und damit auch die abstossende Kraft. Man kann dies so verstehen, dass die in der Metallfläche fliessenden Wirbelströme als fiktive Magnete mit variabler Magnetisierung aufgefasst werden können.
Ein homopolares, passives, elektrodynamisches Magnetlager nach Erfindung beinhaltet mindestens einen oder mehrere Permanentmagnete, und diese Permanentmagnete sind so angeordnet, dass sie Wirbelströme in einem rotierenden elektrisch gut leitenden Teil induzieren und diese ein Magnetfeld erzeugen, welches eine in radialer Richtung stabilisierende Kraft auf den Rotor ausübt.
Neben dieser zentrierenden Wirkung können rotierende Permanentmagnete - im Falle, dass der Rotor unerwünschte und stark destabilisierende Taumelbewegungen ausübt - in einem diesmal stationären elektrisch gut leitenden Teil Wirbelströme induzieren, welche wiederum entsprechende Rückstellkräfte erzeugen und dadurch diese Instabilität unterdrücken und gleichzeitig wirkungsvoll dämpfen.
Da die induzierten Ströme und damit die veränderlichen Magnetfelder nur bei dem rotierenden Hohlzylinder entstehen, ist das Lager bei Stillstand der Anordnung wirkungslos. Für diesen Fall sind Anlauflager vorhanden, welche die Rotoranordnung im Stillstand und bei Beginn der Rotation unterstützen, oder als Fanglager, wenn der Rotor wieder zum Stillstand kommt. Diese Lager dienen gleichzeitig als Notlager für die Gesamtanordnung im Betrieb. In der Beschreibung oder in den Abbildungen wird die Auslegung der Notlager nicht näher betrachtet. Aufzählung der Zeichnungen
Im Folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1: (Prior Art) Ein Magnetlager für eine Turbomolekularpumpe mit einem elektrisch gut leitenden Zylinder als Rotor und einem ringförmigen Permanentmagneten als Stator, Fig. 2: (Prior Art) Eine andere Ausführung dieses Magnetlagers mit einem elektrisch gut leitenden Rohr als Rotor und zwei ringförmigen Permanentmagneten im abstossenden Modus als Stator, Fig. 3: Magnetlager nach Erfindung mit einem elektrisch gut leitenden Hohlzylinder und mit einem den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teil als Rotor und einem rotationssymmetrischen Permanentmagneten als Stator, Fig. 4:
Eine andere Ausführung des Magnetlagers nach Erfindung mit zwei elektrisch gut leitenden koaxialen Hohlzylindern, wobei der innere Hohlzylinder Teil des Stators während der äussere Teil des Rotors ist, Fig. 5: Eine weitere Anordnung des Magnetlagers nach Erfindung mit zwei rotationssymmetrischen Permanentmagneten, wobei der innere Permanentmagnet Teil des Stators, während der äussere Permanentmagnet Teil des Rotors ist, und weiter mit einem elektrisch gut leitenden Hohlzylinder, der im Bereich des magnetischen Hauptflusses aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht, welches gleichzeitig eine magnetische Permeabilität von grösser als 1 aufweist, Fig. 6:
Eine weitere Anordnung des Magnetlagers nach Erfindung mit einem rotationssymmetrischen Permanentmagneten als Stator und mit zwei elektrisch gut leitenden koaxialen Hohlzylindern, die im Bereich des magnetischen Hauptflusses aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehen, welches gleichzeitig eine magnetische Permeabilität von grösser als 1 aufweist, Fig. 7: Eine noch weitere Ausführung des Magnetlagers nach Erfindung mit zwei rotationssymmetrischen Permanentmagneten, wobei der elektrisch gut leitende Hohlzylinder aus mehreren koaxial angeordneten elektrisch leitenden Hohlzylindern so zusammengesetzt ist, dass alle Hohlzylinder sowohl im mechanischen als auch im elektrischen Kontakt sind, Fig. 8a: Eine schematische Zeichnung der Wirbelstrompfade im Rotor in einer Schnittdarstellung, Fig. 8b:
Eine schematische Zeichnung der Wirbelstrompfade im Rotor in einer Draufsichtdarstellung, Fig. 9: Eine zusätzliche Variante für alle vorgehende Ausführungen des Magnetlagers nach Erfindung, wo sich im Luftspalt zwischen dem rotierenden und stationären Teil im Bereich des stärksten magnetischen Hauptflusses eine magnetische Flüssigkeit befindet. Ausführung der Erfindung
Die Erfindung soll anhand der Abbildungen Fig. 3 bis 9 näher erläutert werden. Das homopolare, passive, elektrodynamische Magnetlager 30 nach Erfindung besteht aus einem stationären Teil 38 (Stator), d.h. aus einer Stütze 32 in Verbindung mit einem rotationssymmetrischen Permanentmagnet 34 und einem rotierenden Teil 39 (Rotor) in Form eines Hohlzylinders 33, welcher um eine Rotationsachse 31 rotieren kann. Der Rotor 39 besteht aus einem elektrisch gut leitenden nicht magnetischen Hohlzylinder 33, welcher z.B. aus Kupfer oder Aluminium hergestellt ist, und aus einem den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teil 35 (obere Hälfte der Abbildung Fig. 3), welcher entweder aus einem weichmagnetischen Material 35a, z.B. Eisen, besteht.
Der Rotor 39, bzw. der Hohlzylinder 33, ist vom im Stator 38 befestigten Permanentmagnetring 34 durch einen mechanischen Luftspalt 36 getrennt.
Der Permanentmagnet 34 erzeugt im Luftspalt 36 in radialer Richtung ein Magnetfeld, das sich durch den rotierenden Hohlzylinder 33 und das weichmagnetische Material 35a schliesst und dessen eine magnetische Kraftlinie 37 in der Abbildung Fig. 3 dargestellt ist. Es ist deutlich sichtbar, dass der Magnetfluss des linken magnetischen Luftspaltes von der linken Stirnseite des stationären Permanentmagneten 34 über den mechanischen Luftspalt 36 und den rotierenden Hohlzylinder 33 zur linken Stirnseite des den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teiles 35 (bzw. 35a oder 35b) verläuft. Auf der rechten Seite ist der Verlauf des Magnetflusses ähnlich, nur dass der Magnetfluss dort in entgegengesetzter Richtung verläuft.
Das im Fig. 3 wiedergegebene Magnetlager 30 nach Erfindung (und ähnlich die weiteren unten erwähnten Lager) ist als eine Version mit einem inneren Stator und einem äusseren Rotor in der Abbildungen dargestellt. Es ist selbstverständlich, dass die Wirkungsweise des Lagers grundsätzlich erhalten bleibt, auch wenn die Lage des Rotors mit der Lage des Stators ausgetauscht wird.
Als ein anderes Ausführungsbeispiel des Magnetlagers nach Erfindung soll anhand derselben Abbildung Fig. 3 erwähnt werden. In diesem Fall kann der Teil 35 (die untere Hälfte der Abbildung Fig. 3), welcher den Verlauf des Magnetflusses beeinflusst, aus einem hartmagnetischen Material, d. h. aus einem weiteren Permanentmagneten 35b bestehen, wobei die magnetische Polarisierung von den beiden im Magnetkreis eingegliederten Permanentmagneten 34 und 35b additiv ist. Genau so, wie im oben erwähnten Fall das weichmagnetische Material 35, ist nun der Permanentmagnet 35b Bestandteil des Rotors und ist mit dem rotierenden elektrisch gut leitenden Hohlzylinder 33 mechanisch fest verbunden.
Im Gegensatz zu den auf Fig. 1 und 2 (Prior Art) dargestellten Magnetlagern entstehen im Luftspalt 36 des Magnetlagers 30 nach Erfindung (Fig. 3) anziehende Kräfte, die das Magnetlager axial stabilisieren, aber beim Stillstand oder während den niedrigeren Drehzahlen radial instabil machen. Dies könnte auf den ersten Blick als Nachteil beurteilt werden, was jedoch, wie später erklärt wird, zu einer besseren Fuktionsfähigkeit des Magnetlagers führt. Es sollte betont werden, dass das Magnetlager 30 nach Erfindung neben den stationären Magnetteilen 34, auch rotierende Magnetteile 35b beinhaltet.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie die Magnetringe polarisiert werden können. Wir begrenzen uns jedoch in der Beschreibung ausschliesslich auf die axiale Polarisierung, die für die vorliegende Anwendung von leistungsfähigeren anisotropen Permanentmagneten aus Herstellungsgründen vorteilhaft ist:
1) Im Falle, dass der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende Teil 35 aus einem weichmagnetischen Material besteht, wird: a) der Magnetring 34 axial nach links 34a und der weichmagnetische Ring 35 indifferent 35a polarisiert b) der Magnetring 34 axial nach rechts 34b und der weichmagnetische Ring 35 ebenso indifferent 35a polarisiert
2) Im Falle, dass der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende Teil 35 aus einem hartmagnetischen Material, d.h. aus einem weiteren Permanentmagneten besteht, wird: a) der Magnetring 34 axial nach links 34a und der Magnetring 35 axial nach rechts 35b polarisiert b) der Magnetring 34 axial nach rechts 34b und der Magnetring 35 axial nach links 35c polarisiert.
Alle von diesen vier Polarisierungsmöglichkeiten führen zum oben erwähnten anziehenden Modus, welcher zur Funktion dieses Magnetlagers 30 notwendig ist.
Eine weitere Ausführung des Magnetlagers nach Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Einfachheitshalber ist nur die obere Hälfte oberhalb der Rotationsachse 31 des Magnetlagers dargestellt. Das Magnetlager 40 besteht wiederum aus einem rotierenden Teil 39, welcher aus einem nicht magnetischen und elektrisch gut leitenden Hohlzylinder 33 und einem den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teil 35 zusammengesetzt ist und aus einem stationären Teil 38, d.h. aus einer Stütze 32 in Verbindung mit einem axial polarisierten rotationssymmetrischen Permanentmagneten 34, welcher diesmal noch mit einem zusätzlichen nichtmagnetischen elektrisch gut leitenden Hohlzylinder 47 mechanisch fest verbunden ist. Die beiden Hohlzylinder, d.h. der rotierende Hohlzylinder 33 und der stationäre Hohlzylinder 47, sind mechanisch durch einen Luftspalt 36 getrennt.
Der Permanentmagnet 34 erzeugt im Luftspalt 36 in radialer Richtung wiederum ein Magnetfeld, das sich durch den stationären Hohlzylinder 47, den rotierenden Hohlzylinder 33 und das weichmagnetische Material 35 schliesst und dessen eine magnetische Kraftlinie 37 in der Abbildung Fig. 4 dargestellt ist. Es ist deutlich sichtbar, dass der Magnetfluss des linken magnetischen Luftspaltes 36 von der linken Stirnseite des stationären Permanentmagneten 34, über den stationären Hohlzylinder 47, den mechanischen Luftspalt 36 und den rotierenden Hohlzylinder 33 zur linken Stirnseite des den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teiles 35 verläuft. Auf der rechten Seite ist der Verlauf des Magnetflusses ähnlich, nur der Magnetfluss dort in entgegengesetzter Richtung verläuft.
Es ist zu beachten, dass der magnetische Luftspalt in radialer Richtung länger als der mechanische Luftspalt 36 ist.
Der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende Teil 35 kann selbstverständlich im Sinne der in der Abbildung Fig. 3 dargestellten Kombinationen (34a, 35b oder 34b, 35c) durch einen Permanentmagnet ersetzt werden.
In der Abbildung Fig. 5 ist ein weiteres Magnetlager 50 gezeigt. Einfachheitshalber ist wieder nur die obere Hälfte oberhalb der Rotationsachse 31 des Magnetlagers dargestellt. Der stationärer Teil 38 ist aus einem axial polarisierten rotationssymmetrischen Permanentmagneten 34, aus einem linken Polschuh 42 und einem rechten Polschuh 41 zusammengesetzt, wobei die beiden Polschuhe aus einem weichmagnetischen Material, z.B. aus Eisen, bestehen.
Der rotierende Teil 39 ist auch aus einem axial polarisierten rotationssymmetrischen Permanentmagneten 35b, aus einem linken Polschuh 44 und einem rechten Polschuh 43 zusammengesetzt, wobei die beiden Polschuhe ebenso aus einem weichmagnetischen Material, z.B. aus Eisen, bestehen. Der rotierende nichtmagnetische elektrisch gut leitende Hohlzylinder 33 ist mit den beiden rotierenden Polschuhen 44 und 43 mechanisch fest verbunden.
Bei höheren Drehzahlen, d.h. bei höheren Frequenzen haben generell die elektrischen Ströme eine Tendenz, nur unmittelbar unter der Leiteroberfläche zu fliessen (der so genannte Skineffekt). Deswegen, um die Durchdringungstiefe des Magnetfeldes in das Material zu erhöhen, können die Polschuhe 42, 41, 44 und 43 und der den Verlauf des Magnetflusses beeinflussende Teil 35 laminiert, d.h. geblecht werden oder aus so einem Material hergestellt werden, das gleichzeitig eine hohe magnetische Permeabilität, eine hohe magnetische Sättigung und einen hohen elektrischen spezifischen Widerstand aufweist, wie es z.B. bei kunststoffgebundenen Pulverkernen der Fall ist.
Das Material des Hohlzylinders 33 ist im Bereich des magnetischen Hauptflusses 46 und 45 durch ein anderes Material ersetzt, welches neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine relative Permeabilität von grösser als 1 aufweist. Das könnte z.B. ein metallischer, insbesondere ein anisotropischer Verbundstoff sein. Die Ringe 46 und 45 sind mit den restlichen Hohlzylindern 33 mechanisch fest verbunden, z.B. durchs Löten oder Schweissen, insbesondere durchs Reibungsschweissen, wobei die beiden Ringe 46 und 45 mit den restlichen Hohlzylindern 33 auch in einem guten elektrischen Kontakt sind, so dass der elektrische Übergangswiderstand zwischen den zusammengesetzten Hohlzylindern 33 und Ringen 46 und 45 möglichst klein wird.
Aus der Abbildung Fig. 5 ist es deutlich sichtbar, dass im diesen Fall der mechanische, den Rotor 39 und Stator 38 trennende Luftspalt 36 mit dem magnetischen Luftspalt geometrisch übereinstimmt. Dadurch wird ein gut geschlossener Magnetkreis ohne nennenswerte Streuung gebildet, und der magnetische Hauptfluss im Luftspalt nimmt eine grössere Intensität auf, und dies beinahe unabhängig von der radialen Dicke des Hohlzylinders 33. Auf der linken Seite verläuft der Luftspalt zwischen der äusseren Umfangsfläche des Polschuhes 42 und der inneren Umfangsfläche des Ringes 46, auf der rechten Seite zwischen der inneren Umfangsfläche des Ringes 45 und der äusseren Umfangsfläche des Polschuhes 41. Der Verlauf einer magnetischen Kraftlinie ist wiederum mit Ziffer 37 markiert.
Die in der Abbildung Fig. 5 gezeigte Verbesserung kann im Sinne der Abbildung Fig. 4 noch weiter geführt werden. Wie im Fig. 6 dargestellt ist, beinhaltet das Magnetlager 60 einen stationären Teil 38, welcher aus einer Stütze 32, aus einem axial polarisierten rotationssymmetrischen Permanentmagneten 34, aus einem linken 42 und einem rechten weichmagnetischen Polschuh 41 und aus einem nichtmagnetischen elektrisch gut leitenden Hohlzylinder 47 besteht. Weiter beinhaltet das Magnetlager 60 einen rotierenden Teil 39, welcher aus einem nichtmagnetischen elektrisch gut leitenden Hohlzylinder 33 und aus einem den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teil 35 besteht, welcher wiederum z. B. aus Eisen hergestellt ist.
Das Material des rotierenden Hohlzylinders 33, so wie des stationären Hohlzylinders 47, ist im Bereich des magnetischen Hauptflusses 46, 45, 49 und 48 durch ein anderes Material ersetzt, welches neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine relative Permeabilität von grösser als 1 aufweist.
Die Ringe 46, 45, 49 und 48 sind mit den restlichen Hohlzylinderteilen 33, bzw. 47 mechanisch fest verbunden, z.B. durchs Löten oder Schweissen, insbesondere durchs Reibungsschweissen, wobei die beiden Ringe 46 und 45 mit den restlichen Hohlzylinderteilen 33, so wie die beiden Ringe 49 und 48 mit den restlichen Hohlzylinderteilen 47, auch in einem guten elektrischen Kontakt sind, so dass der elektrische Übergangswiderstand zwischen den zusammengesetzten Hohlzylindern 33 und Ringen 46 und 45, so wie zwischen den zusammengesetzten Hohlzylindern 47 und Ringen 49 und 48, möglichst klein wird.
Der Permanentmagnet 34 erzeugt im Luftspalt 36 in radialer Richtung ein Magnetfeld, das sowohl durch den rotierenden Hohlzylinder 33 als auch durch den stationären Hohlzylinder 47 verläuft und zwar durch die Ringe 46 und 45, bzw. 49 und 48, welche aus einem Material, das neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine relative Permeabilität von grösser als 1 aufweist. Weiter schliesst sich das Magnetfeld durch das weichmagnetische Material 35, wobei eine magnetische Kraftlinie 37 in der oberen Hälfte der Abbildung Fig. 6 über der Rotationsachse 31 dargestellt ist.
Es ist deutlich ersichtlich, dass der Magnetfluss des linken magnetischen Luftspaltes von der linken Stirnseite des stationären Permanentmagneten 34, durch den linken Polschuh 42 und Ring 49 über den mechanischen Luftspalt 36 und den rotierenden Ring 46 zum den Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teil 35 verläuft. Auf der rechten Seite ist der Verlauf des Magnetflusses ähnlich, beginnend vom Verlauf des Magnetflusses beeinflussenden Teil 35, durch den rotierenden Ring 45, über den mechanischen Luftspalt 36, durch den stationären Ring 48 und Polschuh 41 zur rechten Stirnseite des stationären Magneten 34.
Ferner ist es aus der Abbildung Fig. 6 deutlich erkennbar, dass auch im diesen Fall der mechanische, den Rotor und Stator trennende Luftspalt 36 mit dem magnetischen Luftspalt geometrisch übereinstimmt. Dadurch wird ein gut geschlossener Magnetkreis ohne nennenswerte Streuung gebildet und der magnetische Hauptfluss im Luftspalt nimmt eine grössere Intensität auf, und dies beinahe unabhängig von der radialen Dicke der Hohlzylinder 33 und 47. Gleichzeitig wird bei Abweichungen des Rotors 39 von der zentrierten Lage oder bei Taumelbewegungen des Rotors eine grössere Änderung des magnetischen Hauptflusses im Luftspalt 36 erzielt. Daraus folgt, dass stärkere Wirbelströme in den elektrisch gut leitenden Hohlzylindern 33 und 47 induziert werden und infolgedessen auch eine erhöhte Steifigkeit des Magnetlagers 60 erreicht wird.
Eine noch weitere Ausführung des Magnetlagers 70 ist in der Abbildung Fig. 7 gezeigt. In diesem Fall ist der elektrisch gut leitende stationäre Hohlzylinder 47 aus mehreren koaxial angeordneten elektrisch leitenden Hohlzylindern 61, 62, 63 und 64 so zusammengesetzt, dass alle Hohlzylinder 61, 62, 63 und 64 sowohl im mechanischen als auch im elektrischen Kontakt sind. Es ist von besonderer Wichtigkeit, dass der elektrische Übergangswiderstand auf der Kontaktfläche 65 zwischen den zusammengefügten Hohlzylindern 61, 62, 63 und 64 möglichst klein gehalten wird. Die zusätzlich elektrisch leitenden Hohlzylinder 62, 63 und 64 mit dem den Luftspalt 36 -angrenzenden Hohlzylinder 61 können z.B. durch Ausnutzung der Wärmeausdehnung und durch nachfolgende mechanische Pressung fest verbunden werden.
Um den Übergangswiderstand noch kleiner zu machen, können die Kontaktflächen 65 zwischen allen zusammengefügten Hohlzylindern z.B. auch mit Silber beschichtet werden.
Es ist selbstverständlich, dass im Sinne der Abbildungen Fig. 4 und 6 auch der rotierende Hohlzylinder 33 ebenso aus mehreren koaxial angeordneten Hohlzylindern zusammengesetzt werden kann.
Eine schematische Darstellung der Wirbelstrompfade im Rotor 39 ist in den Abbildungen Fig. 8a und 8b gezeigt. Sobald sich der Rotor 39 aus der zentrierten Lage bewegt, ändern sich auch die Ausmasse des Luftspaltes 36 und entstehen somit Flussänderungen 71 und 72 im Magnetkreis 37. Durch diese Flussänderungen werden Wirbelströme 73 und 74 erzeugt. Wie aus der Abbildung Fig. 8b deutlich zu sehen ist, fuhren die Wirbelstrompfade 73 und 74 durch das Material 46 und 45 hindurch. Dieses Material 46 und 45, wie bereits oben erwähnt, weist neben einer relativen Permeabilität von grösser als 1 auch eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Um die Intensität der Wirbelströme 73 und 74 im Hohlzylinder 33 nicht zu beeinträchtigen, ist die gute elektrische Leitfähigkeit dieses Materials von grösster Wichtigkeit.
Jede Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Wirbelstrompfade 73 und 74 - insbesondere im Bereich des magnetischen Hauptflusses 46 und 45 - hat eine Erhöhung der Intensität der im Hohlzylinder 33 induzierten Wirbelströme zur Folge. Infolgedessen werden auch stärkere Rückstellkräfte im Magnetlager entstehen. Die relative Permeabilität des Materials 46 und 45 von grösser als 1 hilft wieder den Magnetkreis 37 besser zu schliessen und damit die unerwünschten magnetischen Streuflüsse zu reduzieren, was wiederum eine erhöhte Steifigkeit des Magnetlagers erbringt.
In der letzten Abbildung Fig. 9 ist ein Teil 80 des Magnetlagers 50, 60 oder 70 dargestellt, wo sich im Luftspalt 36 zwischen dem rotierenden 33 und stationären 47 Hohlzylindern im Bereich des stärksten magnetischen Hauptflusses 37, wo auch die magnetisch und elektrisch gut leitenden Ringe 46, 45, 49 und 48 angeordnet sind, eine ferromagnetische Flüssigkeit 52 und 51 befindet. Eine magnetische Flüssigkeit (Ferrofluid) ist eine kolloidale Dispersion feiner magnetischer Teilchen, welche in einem flüssigen Träger schweben. Da sich die relativen Permeabilitäten der magnetischen Flüssigkeiten im Bereich von 1,5 bis 5 bewegen, bedeutet die Anwesenheit solcher magnetischen Flüssigkeiten im Luftspalt eine Reduzierung der Luftspaltreluktanz, was zu einer noch erhöhten Steifigkeit des Magnetlagers führt.
Die absolute Berührungslosigkeit zwischen dem Rotor 39 und Stator 38 des Magnetlagers geht zwar verloren, aber für eine gewisse Art von relativ langsamtourigen Anwendungen, wo eine schwache hydrodynamische Reibung nicht hinderlich wird, könnte diese Variante durchaus annehmbar sein.
Alle die oben aufgezählten Varianten des Magnetlagers 30, 40, 50, 60, 70 und 80 nach Erfindung weisen eine axiale Stabilität nach dem Prinzip der minimalen magnetischen Reluktanz auf, d.h. durch direkt wirkende Rückstellkraft des bei einer axialen Verschiebung veränderten magnetischen Hauptflusses. Infolgedessen gibt es destabilisierende radiale Kräfte im Stillstand, welche jedoch mit zunehmender Drehzahl des rotierenden Teiles 39 abnehmen, bis sie bei noch höherer Drehzahl in abstossende Rückstellkräfte umgewandelt werden. Dadurch wird das Magnetlager in allen restlichen Freiheitsgraden, abgesehen von der Rotationsrichtung, stabilisiert.
Interessanterweise, je grösser die radiale Instabilität im Stillstand ist, desto stärker wird auch die gewünschte radiale Dämpfung bei der Nenndrehzahl. Die zur Stabilisierung notwendige Energie wird aus der Rotation bezogen. Aufgrund der homopolaren Auslegung des Magnetlagers erfährt der Rotor 39 in der zentrierten Lage ein konstantes Magnetfeld, so dass während der Rotation weder Hysteresis- noch Wirbelstromverluste entstehen.
The present invention relates to a magnetic bearing according to claim 1:
Magnetic bearings basically have the task to hold a body of revolution non-contact by magnetic forces. The contactlessness has many advantages over conventional mechanical bearings (ball, roller and slide bearings), so that some high-speed applications were possible only with magnetic bearings. This area includes i.a. Turbomolecular pumps and ultracentrifuges. Magnetic bearings are characterized by the fact that they are completely free of wear and maintenance. This means an almost infinite life. Magnetic bearings have no frictional heat, they work noiselessly and vibration-free, thus ensuring almost loss-free storage even at very high rotational speeds.
Since no lubrication is needed for magnetic bearings, applications are possible with contaminated media, such as food and blood pumps, or operation in ultrahigh vacuum or space travel. State of the art
Magnetic bearings distinguish between active and passive magnetic bearings. Active magnetic bearings have a high load capacity, high restoring forces (with stiffnesses of 10 <5> to 10 <6> N / m), but very small air gaps (about 0.2 mm). Next they need position sensors and control electronics. In general, active magnetic bearings are still expensive today.
Passive magnetic bearings, in contrast, are suitable for lower rotor masses (about 5-10 kg). Their restoring forces are about one order of magnitude lower (compared to the active magnetic bearings) (with stiffnesses of 10 <4> to 10 <5> N / m) with air gaps of the order of 2-5 mm. The larger air gaps of the passive magnetic bearings also allow rotor bearing in corrosive and corrosive media or in high temperature applications (a non-magnetic air gap partition is therefore possible). Passive magnetic bearings are usually more reliable and cheaper due to the lower cost of materials and the lack of control electronics.
Industrial applications of magnetic bearings can be found in turbomolecular pumps, in gas expanders and compressors, in textile machine spindles, ultracentrifuges and flywheel stores, as well as in the food industry and in medical technology.
In addition to the classic mechanical rotor bearings in lubricated ball bearings, combinations of permanent magnet bearings and ball bearings are also used today. For completely non-contact storage, actively controlled magnetic bearings of various designs are used.
There is already a device known (WO 9 832 973 AI), which serves as a magnetic bearing for a high-speed turbomolecular pump.
This in the drawing FIG. 1 (Prior Art) shown magnetic bearing 10 consists of a stationary part 12 (stator) in conjunction with a rotationally symmetric permanent magnet 14 and a rotating part 13 (rotor), which can rotate about a rotation axis 11. The rotor 13 consists of a highly electrically conductive non-magnetic material, for. B. made of copper or aluminum. The rotor 13 is separated from the permanent magnet ring 14 fixed in the stator 12 by an air gap 15. In the air gap 15, the permanent magnet generates a magnetic field which is inhomogeneous in the radial direction and has a relatively high gradient. This is to be understood that the intensity of the magnetic field in the direction of the rotation axis 11 decreases.
The direction of the magnetic polarization of the permanent magnet ring is irrelevant to the function of this magnetic bearing, d. H. in that both the polarization 14a directed radially to the axis of rotation 11a or polarization 14c directed away from the axis of rotation 11, and the axial right polarization 14b or leftward polarization 14d would lead to the correct functioning of the magnetic bearing.
Another version of the previously known magnetic bearing for the above-mentioned turbomolecular pump is shown in FIG. 2 (Prior Art) shown. The magnetic bearing 20 this time consists of a two-part stator 22 and 23, wherein each of the parts each includes a permanent magnet ring, namely the inner stator 22, the inner permanent magnet ring 25 and the outer stator 23, the outer permanent magnet ring 26th The magnetic polarization of the permanent magnet rings is directed so that the magnets have a repulsive mode. In the free space between the two permanent magnet rings 25 and 26 is a good electrically conductive non-magnetic hollow cylinder 24 as a rotor. As a result, arise in this case between the rotor 24 and the permanent magnet rings 25 and 26, two air gaps, an inner air gap 28 and an outer air gap 27th
In the area between the two permanent magnet rings 25 and 26, d. H. In the outer air gap 27, in the rotor 24 and in the inner air gap 28, a radially inhomogeneous magnetic field is generated, which has an even stronger gradient than in the first magnetic bearing example 10.
There are a total of four ways in which the magnetic rings can be polarized: a) both magnetic rings are directed axially to the right, 26a, 25a; b) the outer magnet ring is directed radially to the axis of rotation 21 and the inner ring radially away from the axis 21, 26b, 25b; c) or vice versa, the outer ring magnet radially away from the axis of rotation 21 and the inner ring radially directed to the axis 21, 26c, 25c; d) and recently both magnetic rings directed axially to the left, 26d, 25d.
All four polarization options lead to the aforementioned repulsive mode, which is necessary for the function of this magnetic bearing 20.
It should be noted at this point that the two previously known magnetic bearings 10 and 20 have exclusively stationary permanent magnets. Although there are no destabilizing forces at standstill in these two magnetic bearings 10 and 20, such magnetic bearings have no axial stability. Only by additional measures, the axial stability can be achieved.
Further literature belonging to the prior art are: Patent list:
Conrad, Armin; Lembke, Torbjörn: "Friction Pump" EP 0 675 289 A1 Priority: 26. 03. 94
Conrad, Armin; Lembke, Torbjörn: "Friction pump with magnetic bearings in the impeller" US 5,547,338 Filed: Mar. 24, 1995 Lembke, Torbjörn: Magnetically suspended high velocity vacuum pump WO 9 832 973 A1 Filed: Jan. 23, 1998 Pinkerton, Joseph F. : "Magnetic bearing and movable condenser loops" US 5,302,874 Filed: Dec. 23, 1992 Post, Richard F. : "Dynamically stable magnetic suspension / bearing system" US 5 495 221 Filed: Mar. 9, 1994 Post, Richard F. : "Passive magnetic bearing element with minimal power losses" US 5 847 480 Filed: Nov. 3, 1995 Scientific Literature:
Other prior art literatures are: Reitz, John R. : "Forces on Moving Magnets due to Eddy Currents" J. Appl. Phys. , 41, 5 (April 1970) 2067-71 Reitz, John R. ; Davis, L. C. : "Force on a Rectangular Coil Moving Above a Conducting Slab" J. Appl. Phys., 43.4 (April 1972) 1547-53 Simone, Michelle; Tichy, John: "Force Due to a Magnetic Dipole Near a Sliding Conductor: Application to Magnetic Levitation and Bearings" Trans. ASME, 116 (Oct. 1994) 720-5 Saslow, W. M. : "Maxwell's Theory of Eddy Currents in Thin Conducting Sheets, and Applications to Electromagnetic Shielding and MAGLEV. J. Phys. , 60, 8 (Aug. 1992) 693-711 Post, R. F. et al. : "Research on Ambient Temperature Passive Magnetic Bearings at the Lawrence Livermore National Laboratory" LLNL Preprint UCRL-JC-126208 (April 1997) Prepared for submittal to 6th Int.
Symp. on Magnetic Bearings, Cambridge, Mass. , Aug. 5-7, 1998 Post, R. F. ; Ryutov, D. D. : "Ambient-Temperature Passive Magnetic Bearings: Theory and Design Equations" LLNL Preprint UCRL-JC-129214 (Dec. 30, 1997) Prepared for submittal to 6th Int. Symp. on Magnetic Bearings, Cambridge, Mass. , Aug. 5-7,1998 Stell, Richard L. : "The Analysis of Eddy Currents." Clarendon Press, Oxford (1974) Detailed Description of the Invention
It is the object of the present invention to provide a storage device which is completely stable in all directions and does not require any support bearings during operation. It is a further object of the invention as shown in FIG. 3 is shown to form a magnetic circuit closed as well as possible and to obtain a larger change in the main magnetic flux in the air gap 36 in the case of deviations of the rotor 39 from the centered position. The objects are achieved by the features of claim 1.
The passive, electrodynamic magnetic bearing is a self-regulating bearing and is based on the principle of eddy current induction resulting from changes in the magnetic flux within structures with good electrical conductivity or in short-circuited coils. The eddy currents in turn generate their own magnetic fields and thus also those restoring forces that cause the radial stabilization of the rotor.
The term "homopolar magnetic bearing" means a bearing structure in which the magnetic field is arranged in the system so that the rotating part senses a constant magnetic field during the centered rotation. As a result, no hysteresis or eddy current losses occur in the centered position. Therefore, such homopolar magnetic bearings are almost lossless.
The present invention is based on the same principle as the floating Japanese MAGLEV trains (MAGnetic LEVitation), which, in order to achieve contactlessness, make use of repelling forces between the train and the base.
When a magnet is passed over an electrically conductive surface, eddy currents are induced in the surface in such a way that the magnetic field generated by these eddy currents results in repulsive forces between the magnet and the surface. As the magnet approaches the surface, the magnitude of the induced currents increases and hence the repulsive force increases. This can be understood as meaning that the eddy currents flowing in the metal surface can be regarded as fictitious magnets with variable magnetization.
A homopolar passive electrodynamic magnetic bearing according to the invention includes at least one or more permanent magnets, and these permanent magnets are arranged to induce eddy currents in a rotating electrically well conducting part and to generate a magnetic field which produces a radially stabilizing force on the rotor exercises.
In addition to this centering effect rotating permanent magnets - in the event that the rotor exerts undesirable and strong destabilizing wobbling - induce eddy currents in this time stationary electrically good conductive part, which in turn generate corresponding restoring forces and thereby suppress this instability and at the same time effectively dampen.
Since the induced currents and thus the variable magnetic fields arise only in the rotating hollow cylinder, the bearing is ineffective at standstill of the arrangement. In this case, thrust bearings are available, which support the rotor assembly at a standstill and at the beginning of the rotation, or as a backup bearing when the rotor comes to rest again. These bearings also serve as emergency storage for the overall arrangement in operation. In the description or in the figures, the design of the emergency warehouse is not considered in detail. Enumeration of the drawings
In the following some embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. It show Fig. 1: (Prior Art) A magnetic bearing for a turbomolecular pump having a cylinder with good electrical conductivity as rotor and an annular permanent magnet as stator, FIG. 2: (Prior Art) Another embodiment of this magnetic bearing with a good electrically conductive tube as a rotor and two annular permanent magnets in the repulsive mode as a stator, Fig. 3: magnetic bearing according to the invention with a hollow cylinder with good electrical conductivity and with a part influencing the course of the magnetic flux as rotor and a rotationally symmetrical permanent magnet as stator, 4:
Another embodiment of the magnetic bearing according to the invention with two electrically good conductive coaxial hollow cylinders, wherein the inner hollow cylinder is part of the stator during the outer part of the rotor, Fig. 5: A further arrangement of the magnetic bearing according to the invention with two rotationally symmetric permanent magnets, wherein the inner permanent magnet part of the stator, while the outer permanent magnet part of the rotor, and further with a good electrical conductive hollow cylinder, in the region of the magnetic main flux of an electrically good conductive material which simultaneously has a magnetic permeability of greater than 1, Fig. 6:
A further arrangement of the magnetic bearing according to the invention with a rotationally symmetrical permanent magnet as a stator and with two electrically good conductive coaxial hollow cylinders, which consist in the main magnetic flux of a good electrically conductive material which simultaneously has a magnetic permeability of greater than 1, Fig. 7: A still further embodiment of the magnetic bearing according to the invention with two rotationally symmetric permanent magnets, wherein the electrically good conductive hollow cylinder of a plurality of coaxially arranged electrically conductive hollow cylinders is composed so that all hollow cylinders are both in mechanical and in electrical contact, Fig. 8a: a schematic drawing of the eddy current paths in the rotor in a sectional view, FIG. 8b:
A schematic drawing of the eddy current paths in the rotor in a plan view, Fig. 9: An additional variant for all previous embodiments of the magnetic bearing according to the invention, where there is a magnetic fluid in the air gap between the rotating and stationary part in the region of the strongest magnetic main flow. Embodiment of the invention
The invention will be described with reference to FIGS. 3 to 9 will be explained in more detail. The homopolar, passive, electrodynamic magnetic bearing 30 according to the invention consists of a stationary part 38 (stator), d. H. from a support 32 in conjunction with a rotationally symmetrical permanent magnet 34 and a rotating part 39 (rotor) in the form of a hollow cylinder 33 which can rotate about a rotation axis 31. The rotor 39 consists of a good electroconductive non-magnetic hollow cylinder 33, which z. B. is made of copper or aluminum, and from a the flow of the magnetic flux influencing part 35 (upper half of the figure Fig. 3), which either made of a soft magnetic material 35 a, z. B. Iron, exists.
The rotor 39, or the hollow cylinder 33 is separated from the permanent magnet ring 34 fixed in the stator 38 by a mechanical air gap 36.
The permanent magnet 34 generates in the air gap 36 in the radial direction a magnetic field, which closes by the rotating hollow cylinder 33 and the soft magnetic material 35 a and whose magnetic force line 37 in the figure. 3 is shown. It is clearly visible that the magnetic flux of the left magnetic air gap from the left end side of the stationary permanent magnet 34 via the mechanical air gap 36 and the rotating hollow cylinder 33 to the left end of the influencing the course of the magnetic flux part 35 (or. 35a or 35b). On the right side, the course of the magnetic flux is similar, except that the magnetic flux runs in the opposite direction.
The in Fig. 3 shows magnetic bearings 30 according to the invention (and similarly the other bearings mentioned below) is shown as a version with an inner stator and an outer rotor in the figures. It goes without saying that the action of the bearing is basically maintained, even if the position of the rotor is replaced with the position of the stator.
As another embodiment of the magnetic bearing according to the invention, FIG. 3 mentioned. In this case, the part 35 (the lower half of FIG. 3), which influences the course of the magnetic flux, of a hard magnetic material, i. H. consist of a further permanent magnet 35b, wherein the magnetic polarization of the two incorporated in the magnetic circuit permanent magnets 34 and 35b is additive. Just as in the case mentioned above, the soft magnetic material 35, the permanent magnet 35b is now part of the rotor and is mechanically fixedly connected to the rotating electrically well-conducting hollow cylinder 33.
In contrast to the on Fig. 1 and 2 (Prior Art) shown magnetic bearings formed in the air gap 36 of the magnetic bearing 30 according to the invention (Fig. 3) attractive forces that stabilize the magnetic bearing axially, but make it radially unstable at a standstill or during the lower speeds. This might at first sight be regarded as a disadvantage, but as explained later, this leads to a better ability to operate the magnetic bearing. It should be emphasized that the magnetic bearing 30 according to the invention includes, in addition to the stationary magnet parts 34, also rotating magnet parts 35b.
There are several ways that the magnetic rings can be polarized. However, in the description we limit ourselves exclusively to the axial polarization, which is advantageous for the present application of more powerful anisotropic permanent magnets for manufacturing reasons:
1) In the case that the part of the magnetic flux influencing the part 35 consists of a soft magnetic material, a) the magnet ring 34 axially to the left 34a and the soft magnetic ring 35 indifferent 35a polarized b) the magnetic ring 34 axially to the right 34b and the soft magnetic ring 35 also indifferent 35a polarized
2) In case that the magnetic flux flowing part 35 is made of a hard magnetic material, i. H. consists of a further permanent magnet, is: a) the magnet ring 34 axially to the left 34a and the magnet ring 35 axially polarized to the right 35b b) the magnet ring 34 axially to the right 34b and the magnet ring 35 axially polarized to the left 35c.
All of these four polarization possibilities lead to the above-mentioned attractive mode, which is necessary for the function of this magnetic bearing 30.
Another embodiment of the magnetic bearing according to the invention is shown in FIG. 4. For the sake of simplicity, only the upper half is shown above the axis of rotation 31 of the magnetic bearing. The magnetic bearing 40 in turn consists of a rotating part 39, which is composed of a non-magnetic and electrically well-conducting hollow cylinder 33 and the course of the magnetic flux influencing part 35 and from a stationary part 38, d. H. from a support 32 in conjunction with an axially polarized rotationally symmetric permanent magnet 34, which is this time still mechanically fixedly connected to an additional non-magnetic well-conductive hollow cylinder 47. The two hollow cylinders, d. H. the rotating hollow cylinder 33 and the stationary hollow cylinder 47 are mechanically separated by an air gap 36.
The permanent magnet 34 again generates in the air gap 36 in the radial direction a magnetic field which is closed by the stationary hollow cylinder 47, the rotating hollow cylinder 33 and the soft magnetic material 35 and whose magnetic force line 37 in FIG. 4 is shown. It is clearly visible that the magnetic flux of the left magnetic air gap 36 extends from the left end side of the stationary permanent magnet 34, via the stationary hollow cylinder 47, the mechanical air gap 36 and the rotating hollow cylinder 33 to the left end side of the part 35 influencing the course of the magnetic flux. On the right side, the course of the magnetic flux is similar, only the magnetic flux runs there in the opposite direction.
It should be noted that the magnetic air gap in the radial direction is longer than the mechanical air gap 36.
The part 35 influencing the course of the magnetic flux can, of course, be used in the sense of FIG. 3 combinations (34a, 35b or 34b, 35c) are replaced by a permanent magnet.
In the picture Fig. 5, another magnetic bearing 50 is shown. For the sake of simplicity, only the upper half above the axis of rotation 31 of the magnetic bearing is shown again. The stationary part 38 is composed of an axially polarized rotationally symmetric permanent magnet 34, a left pole piece 42 and a right pole piece 41, wherein the two pole pieces of a soft magnetic material, for. B. made of iron.
The rotating part 39 is also composed of an axially polarized rotationally symmetric permanent magnet 35b, a left pole piece 44 and a right pole piece 43, wherein the two pole pieces also made of a soft magnetic material, for. B. made of iron. The rotating nonmagnetic hollow cylinder 33, which conducts electricity well, is mechanically firmly connected to the two rotating pole shoes 44 and 43.
At higher speeds, d. H. At higher frequencies, electric currents generally tend to flow just below the conductor surface (the so-called skin effect). Therefore, in order to increase the penetration depth of the magnetic field into the material, the pole shoes 42, 41, 44 and 43 and the magnetic flux flow-influencing member 35 may be laminated, i. H. be laminated or made of such a material which simultaneously has a high magnetic permeability, a high magnetic saturation and a high electrical resistivity, as z. B. is the case with plastic-bonded powder cores.
The material of the hollow cylinder 33 is replaced in the region of the main magnetic flux 46 and 45 by another material, which in addition to a good electrical conductivity and a relative permeability of greater than 1 has. That could be z. B. a metallic, in particular an anisotropic composite. The rings 46 and 45 are mechanically firmly connected to the remaining hollow cylinders 33, z. B. by soldering or welding, in particular by friction welding, wherein the two rings 46 and 45 with the remaining hollow cylinders 33 are also in good electrical contact, so that the electrical contact resistance between the composite hollow cylinders 33 and rings 46 and 45 is as small as possible.
From the picture Fig. 5 it is clearly visible that in this case the mechanical, the rotor 39 and stator 38 separating air gap 36 coincides geometrically with the magnetic air gap. As a result, a well-closed magnetic circuit is formed without appreciable scattering, and the main magnetic flux in the air gap assumes a greater intensity, and this is almost independent of the radial thickness of the hollow cylinder 33. On the left side of the air gap between the outer peripheral surface of the pole piece 42 and the inner peripheral surface of the ring 46, on the right side between the inner peripheral surface of the ring 45 and the outer peripheral surface of the pole piece 41st The course of a magnetic line of force is again marked with numeral 37.
The in Fig. Fig. 5 shown in FIG. 4 to be continued. As in FIG. 6, the magnetic bearing 60 includes a stationary part 38, which consists of a support 32, an axially polarized rotationally symmetric permanent magnet 34, a left 42 and a right soft magnetic pole piece 41 and a non-magnetic well-conductive hollow cylinder 47. Next, the magnetic bearing 60 includes a rotating part 39, which consists of a non-magnetic well-conductive hollow cylinder 33 and from a course of the magnetic flux influencing part 35, which in turn z. B. made of iron.
The material of the rotating hollow cylinder 33, such as the stationary hollow cylinder 47, is replaced in the region of the main magnetic flux 46, 45, 49 and 48 by another material, which in addition to a good electrical conductivity and a relative permeability of greater than 1.
The rings 46, 45, 49 and 48 are connected to the remaining hollow cylinder parts 33, and 47 mechanically firmly connected, z. B. by soldering or welding, in particular by friction welding, wherein the two rings 46 and 45 with the remaining hollow cylinder parts 33, as the two rings 49 and 48 with the remaining hollow cylinder parts 47, are also in good electrical contact, so that the electrical contact resistance between the composite hollow cylinders 33 and rings 46 and 45, as between the composite hollow cylinders 47 and rings 49 and 48, as small as possible.
The permanent magnet 34 generates in the air gap 36 in the radial direction, a magnetic field which passes through both the rotating hollow cylinder 33 and by the stationary hollow cylinder 47 through the rings 46 and 45, and 49 and 48, which consists of a material which, in addition to a good electrical conductivity, also has a relative permeability of greater than 1. Further, the magnetic field closes by the soft magnetic material 35, wherein a magnetic line of force 37 in the upper half of the figure. 6 is shown above the axis of rotation 31.
It can be clearly seen that the magnetic flux of the left magnetic air gap extends from the left end face of the stationary permanent magnet 34, through the left pole piece 42 and ring 49 via the mechanical air gap 36 and the rotating ring 46 to the part 35 influencing the course of the magnetic flux. On the right side, the course of the magnetic flux is similar, starting from the course of the magnetic flux influencing part 35, through the rotating ring 45, over the mechanical air gap 36, through the stationary ring 48 and pole piece 41 to the right end side of the stationary magnet 34th
Furthermore, it is shown in FIG. 6 clearly recognizable that even in this case, the mechanical, rotor and stator separating air gap 36 coincides geometrically with the magnetic air gap. As a result, a well-closed magnetic circuit is formed without appreciable scattering and the main magnetic flux in the air gap assumes a greater intensity, and this almost independent of the radial thickness of the hollow cylinder 33 and 47th At the same time a larger change of the magnetic main flux in the air gap 36 is achieved in deviations of the rotor 39 from the centered position or during wobbling movements of the rotor. It follows that stronger eddy currents are induced in the electrically highly conductive hollow cylinders 33 and 47 and consequently also an increased rigidity of the magnetic bearing 60 is achieved.
A still further embodiment of the magnetic bearing 70 is shown in FIG. 7. In this case, the electrically highly conductive stationary hollow cylinder 47 is composed of a plurality of coaxially arranged electrically conductive hollow cylinders 61, 62, 63 and 64 so that all hollow cylinders 61, 62, 63 and 64 are both in mechanical and in electrical contact. It is of particular importance that the electrical contact resistance on the contact surface 65 between the assembled hollow cylinders 61, 62, 63 and 64 is kept as small as possible. The additionally electrically conductive hollow cylinder 62, 63 and 64 with the air gap 36 -angrenzenden adjacent hollow cylinder 61 may, for. B. be firmly connected by utilizing the thermal expansion and by subsequent mechanical pressing.
To make the contact resistance even smaller, the contact surfaces 65 between all assembled hollow cylinders z. B. also be coated with silver.
It goes without saying that in the sense of FIGS. 4 and 6, the rotating hollow cylinder 33 can also be composed of a plurality of coaxially arranged hollow cylinders.
A schematic representation of the eddy current paths in the rotor 39 is shown in FIGS. 8a and 8b shown. As soon as the rotor 39 moves out of the centered position, the dimensions of the air gap 36 also change and thus flux changes 71 and 72 occur in the magnetic circuit 37. These flux changes generate eddy currents 73 and 74. As shown in the picture Fig. 8b, the eddy current paths 73 and 74 pass through the material 46 and 45. This material 46 and 45, as already mentioned above, in addition to a relative permeability of greater than 1 and a good electrical conductivity. In order not to impair the intensity of the eddy currents 73 and 74 in the hollow cylinder 33, the good electrical conductivity of this material is of utmost importance.
Any improvement in the electrical conductivity of the eddy current paths 73 and 74 - in particular in the region of the main magnetic flux 46 and 45 - results in an increase in the intensity of the eddy currents induced in the hollow cylinder 33. As a result, stronger restoring forces will be created in the magnetic bearing. The relative permeability of the material 46 and 45 greater than 1 again helps to close the magnetic circuit 37 better and thus reduce the unwanted magnetic flux leakage, which in turn provides an increased rigidity of the magnetic bearing.
In the last picture Fig. 9, a part 80 of the magnetic bearing 50, 60 or 70 is shown, where in the air gap 36 between the rotating 33 and stationary 47 hollow cylinders in the region of the strongest magnetic flux main 37, where the magnetically and electrically well conductive rings 46, 45, 49 and 48, a ferromagnetic fluid 52 and 51 is located. A magnetic fluid (ferrofluid) is a colloidal dispersion of fine magnetic particles floating in a liquid carrier. Since the relative permeabilities of the magnetic fluids are in the range of 1.5 to 5, the presence of such magnetic fluids in the air gap means a reduction in air gap reactance, resulting in even more rigidity of the magnetic bearing.
Although the absolute contactlessness between the rotor 39 and the stator 38 of the magnetic bearing is lost, this variant could be quite acceptable for some kind of relatively slow-speed applications where weak hydrodynamic friction does not hinder.
All of the above enumerated variants of the magnetic bearing 30, 40, 50, 60, 70 and 80 according to the invention have an axial stability according to the principle of minimal magnetic reluctance, d. H. by directly acting restoring force of the magnetic main flux which is changed during an axial displacement. As a result, there are destabilizing radial forces at a standstill, but these decrease with increasing rotational speed of the rotating member 39, until they are converted at even higher speed in repulsive restoring forces. As a result, the magnetic bearing in all remaining degrees of freedom, except for the direction of rotation, stabilized.
Interestingly, the greater the radial instability at standstill, the stronger will be the desired radial damping at rated speed. The energy required for stabilization is taken from the rotation. Due to the homopolar design of the magnetic bearing, the rotor 39 experiences a constant magnetic field in the centered position, so that neither hysteresis nor eddy current losses occur during the rotation.