Lageranordnung für ein berührungsloses magnetisches Axiallager und Röntgenröhre mit diesem Lager

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für ein berührungsloses magnetisches Axiallager, aufweisend ein auf einer gemeinsamen Achse relativ zueinander drehbares Rotor/Stator- Paar, wobei sowohl rotorseitig als auch statorseitig Magnete vorgesehen sind, welche eine in axialer Richtung wirkende Magnetfeldlagerung erzeugen, und zwischen Rotor und Stator ein endlicher Spalt vorliegt, so dass sich Rotor und Stator im Betrieb nicht berühren.

Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse und in dem Vakuumgehäuse befindliche Drehanode, welche mindestens ein magnetisches Axiallager für die Drehanode aufweist.

Grundsätzlich sind derartige Lager allgemein bekannt und werden in Verbindung mit Anwendungen in Vakuumumgebungen, wie beispielsweise bei der Lagerung der Rotoren von Turbomoleku- arpumpen oder rotierender Anodenteller in Röntgenröhren mit hoher Dosisleistung, verwendet. Beispielhaft wird hierbei auf die deutsche Druckschrift DE 26 01 529 C2, die Druckschrift US 6,327,340 oder die Druckschrift US 6,198,803 hingewiesen.

Nachteilig bei solchen Lagerungen ist es, dass diese bisher bekannten Ausführungen jeweils relativ große axiale Längen beanspruchen, wodurch die Eigenschwingungsfrequenzen solcher relativ langen rotatorischen Bauteile sich verringern und entsprechend die Resonanzdrehzahlen in Folge mechanischer Verformungen kleiner werden und damit nahe der Betriebsfrequenz des magnetisch gelagerten Rotors liegen können. Sollen diese Bauteile in einem unterkritischen Frequenzbereich betrieben werden, ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten bezüglich der Ausführbarkeit dieser Axiallager. Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Axiallager zu finden, welches mit einer möglichst geringen Baulänge einhergeht. Entsprechend soll auch eine Röntgenröhre vorgeschlagen wer- den, welche eine kompakte Bauweise der Drehanode mit Lagerung ermöglicht .

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin- düng sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.

Die Erfinder haben erkannt, dass eine Lageranordnung eines magnetischen Axiallagers für ein Rotor/Stator-Paar möglich ist, welches auf der Seite des Rotors ausschließlich Perma- nentmagnete aufweist, die Permanentmagnete auf der Rotorseite gegenüberliegend angeordnet und gegengerichtet sind, um eine permanente Abstoßung zwischen Rotor und Stator zu bewirken. Gleichzeitig können dieser abstoßenden Kraft entgegenwirkenden Elektromagnete auf der Statorseite angeordnet werden, die einen Teil des Rotors als Magnetj och verwenden und den Rotor gesteuert anziehen und damit eine genaue Positionierung des Rotors relativ zum Stator über an sich bekannte Steuer- und Regelmechanismen erlauben.

Entsprechend diesem Grundgedanken schlagen die Erfinder die Verbesserung einer Lagerordnung für ein berührungsloses magnetisches Axiallager vor, welches ein auf einer gemeinsamen Achse relativ zueinander drehbares Rotor/Stator-Paar aufweist, wobei sowohl rotorseitig als auch statorseitig Magnete vorgesehen sind, welche eine in axialer Richtung wirkende Magnetfeldlagerung erzeugen, und zwischen Rotor und Stator ein endlicher Spalt vorliegt, so dass sich Rotor und Stator nicht berühren. Die Verbesserung wird dadurch bewirkt, dass auf der Seite des Rotors und auf der Seite des Stators je- weils gegenüberliegende Permanentmagnete angeordnet sind, deren statorseitige Polung entgegengesetzt zur rotorseitigen Polung ausgerichtet ist, und weiterhin auf der Seite des Sta- tors mindestens ein Steuer- und/oder regelbarer Elektromagnet angeordnet ist, dem eine metallische Fläche auf der Seite des Rotors gegenüberliegt, welche als Magnetj och wirkt.

Es werden also rotor- und statorseitig entgegengesetzt orientierte Permanentmagnete eingesetzt, die eine Abstoßung zwischen Rotor und Stator bewirken, wobei die abstoßende Kraft in axialer Richtung verläuft. Als gegenwirkende Kraft werden Elektromagnete auf der Statorseite eingesetzt, welche mit ih- rem Fluss auf eine rotorseitige metallische Fläche einwirken und je nach Stärke des elektrisch betriebenen Magnetfeldes den Rotor gesteuert beziehungsweise geregelt an den Stator heranziehen und damit der abstoßenden Kräfte der Permanentmagnete entgegenwirken.

Eine solche Anordnung lässt sich sehr kompakt verwirklichen, so dass diese Lageranordnung nur sehr geringe Baulänge benötigt und damit auf der Rotorseite geringe Eigenschwingungsfrequenzen vermieden werden können.

Vorteilhafterweise können die Permanentmagnete aus koaxialen Ringpaaren oder aus mehreren koaxial angeordneten Magnetringen bestehen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Elektromagnet aus mindestens einer koaxialen Ringspule aufgebaut ist, wobei es vorteilhaft sein kann, dass die mindestens eine koaxiale Ringspule eine Teilspule für die Grunderregung und eine Teilspule für die Steuererregung aufweist. Hierbei kann die Teilspule für die Grunderregung und/oder die Teilspule für die Steuererregung mit je einem Stromrichter elektrisch verbunden sein.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass vorteilhaft die Perma- nentmagnete radial gesehen innen angeordnet sind, während die Elektromagnete radial gesehen weiter außen angeordnet sind, als die Permanentmagnete. Neben der erfindungsgemäßen Lageranordnung schlagen die Erfinder auch eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse und einer in dem Vakuumgehäuse befindlichen Drehanode vor, wobei für die Drehanode mindestens ein magnetisches Axiallager vorgesehen ist und dieses mindestens eine Axiallager in erfindungsgemäßer Weise ausgestaltet ist.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Rotor innerhalb des Vakuumgehäuses der Röntgenröhre angeordnet ist und im Spalt zwischen Rotor und Stator eine, dem magnetischen Fluss wenig beeinflussende und luftdichte Trennwand verläuft. Hierbei wird bezüglich der Trennwand vorgeschlagen, dass diese zumindest teilweise aus einem Material der folgenden Liste be- steht: Keramik, Edelstahl, Kunststoff, faserverstärkter Kunststoff, Glas.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: magnetisches Axiallager; 2: Rotor; 3: Stator; 4: Permanentmagnet; 5: Koaxialspule; 6: Rotationsachse; 7: magnetischer Fluss; 8: Röntgenröhre; 9: Vakuumgehäuse; 10: Trennwand; 11: Kathodenanordnung; 12: Radiallager; 13: Austrittsfenster; 14: Stromrichter; 15: Spindelgehäuse.

Es zeigen im Einzelnen:

FIG 1: Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes berührungsloses magnetisches Axiallager; FIG 2: Ausführung des magnetischen Axiallagers, gemäß

FIG 1 mit schematisch dargestellten magnetischen Flusslinien; FIG 3: Beispiel einer erfindungsgemäß ausgeführten Röntgenröhre in schematischer Darstellung. Die Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes magnetisches Axiallager 1, welches aus rotorseitig und statorseitig angeordneten Magneten besteht. Auf der Seite des Rotors 2 befinden sich zwei Permanentmagnete 4, wobei deren Ausrichtung so gestaltet ist, dass der magnetische Südpol in Richtung des Stators gerichtet ist. Dem Rotor 2 koaxial zur Rotationsachse 6 gegenüberliegend ist ein Stator 3 angeordnet, welcher ebenfalls ü- ber Permanentmagnete 4 verfügt, die allerdings den Permanentmagneten 4 auf der Rotorseite entgegengerichtet angeordnet sind. Radial weiter von der Rotationsachse 6 entfernt befindet sich auf der Statorseite eine Koaxialspule 5, welche von einem zeitlich veränderbaren Strom durchflössen werden kann. Die Polarität des hier ringförmig ausgestalteten Permanentmagneten 4 ist dem ebenfalls als Ringmagnet ausgestalteten Permanentmagnet 4 auf der Rotorseite entgegengerichtet, so dass eine abstoßende Kraft zwischen den beiden Permanentmagneten 4 entsteht. Die Koaxialspule 5 erzeugt ein Magnetfeld, das so ausgerichtet ist, dass im Falle eines Stromflusses in der Koaxialspule 5 ein Magnetfeld entsteht, welches den Rotor an den Stator heranzieht. Durch entsprechende Steuerung des

Stromflusses lässt sich mit Hilfe von hier nicht näher dargestellten Abstandssensoren eine Richtung erzeugen, welche den Rotor 2 in einem vorgegebenen Abstand zum Stator 3 hält.

Vorteilhaft ist es hierbei auch, wenn anstelle einer einzigen Koaxialspule zwei Spulen verwendet werden, so dass eine erste Koaxialspule mit einem Grunderregungsstrom beschickt werden kann und eine zweite Koaxialspule mit einem Steuererregungsstrom beschickt werden kann, der letztendlich für die Ab- Standsregulierung zuständig ist. Alternativ ist es auch möglich, anstelle von zwei getrennten Spulen eine einzige Spule mit zwei unterschiedlichen Wicklungen zu verwenden, wobei die eine Wicklung mit dem Grunderregerstrom und die andere Wicklung mit dem Steuererregungsstrom beschickt werden.

Zur Darstellung des Grundprinzips ist in der Figur 2 nochmals die gleiche Lageranordnung wie in der Figur 1 gezeigt, aller- dings sind hier nun die Magnetflüsse 7, die durch die Permanentmagnete und die Koaxialspule entstehen, in schematischer Weise dargestellt.

Die hier dargestellte Anordnung des magnetischen Axiallagers gestattet es nun, den Rotor um die Länge einer Koaxialanordnung zu verringern, so dass aufgrund der geringeren Baulänge auch die Eigenschwingung des Rotors sich erhöht und damit die Resonanzfrequenzen ebenfalls in einen höheren Frequenzbereich verschoben werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Art der axialen Lagerung selbstverständlich mit diversen Bauformen von Radiallagern, vorzugsweise magnetischen Radiallagern, kombinierbar ist. Beispielsweise können hierzu Heteropolarla- ger, Homopolarlager und Unipolarlager verwendet werden.

Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre 8, bestehend aus einem Vakuumgehäu- se 9, in dem sich ein erfindungsgemäßer Rotor 2 befindet, welcher am rechten Ende mit einem ringförmig ausgestalteten Permanentmagneten 4 ausgestattet ist. Dem gegenüberliegend auf der Statorseite ist ebenfalls ein ringförmiger Permanentmagnet angeordnet, der allerdings bezüglich seiner Polung der Polung des rotorseitigen Permanentmagnetes 4 entgegengerichtet ist. Radial weiter außen zum Permanentmagnet 4 auf der Statorseite befindet sich eine oder mehrere Koaxialspule (n) 5, die der abstoßenden Kraft, die durch die Permanentmagnete 4 bewirkt wird, im Falle eines Stromflusses entgegenwirken kann/können. Ergänzend ist eine radiale Lagerung 12 des den Drehteller tragenden Rotors 2 dargestellt. Auch eine solche Lagerung kann in an sich bekannter Weise als magnetische Lagerung ausgestaltet sein. Zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 befindet sich in der hier gezeigten Darstellung eine Trenn- wand 10 aus nicht bis schwer magnetisierbarem Material, welches dafür sorgt, dass im Bereich des Vakuumgehäuses 9 ein ausreichendes Vakuum bestehen bleibt. Wird das statorseitige Gehäuse zusätzlich vom Vakuumgehäuse 9 trennbar ausgestaltet, so besteht die Möglichkeit, das Vakuumgehäuse 9 separat Ar ^¬ beitschritten zuzuführen.

Ergänzend ist in der rein schematischen Darstellung auch noch gezeigt, dass die Spule 5 der Statorseite durch einen Stromrichter 14 versorgt werden kann. Außerdem verfügt das Vakuumgehäuse 9 selbstverständlich über ein Röntgenaustrittsfenster 13 und eine Kathodenanordnung 11, von der aus bei Anlegen ei- ner entsprechenden Hochspannung ein Elektronenstrahl auf die Anodenfläche des als Rotor ausgebildeten Drehtellers auftrifft und Röntgenstrahlung erzeugt.

Insgesamt wird also durch die Erfindung eine Lageranordnung eines berührungslosen magnetischen Axiallagers gezeigt, welche bezüglich ihrer Baulänge wesentlich kürzer als die im Stand der Technik bekannten Lageranordnungen ist und damit entsprechend der zuvor genannten Aufgabe es ermöglicht einen Rotor zu erzeugen, welcher aufgrund der geringeren Baulänge bezüglich seiner Eigenschwingfrequenz gegenüber dem Stand der Technik nach oben verschoben ist und entsprechend auch höhere Resonanzfrequenzen aufweist. Damit ist er auch bei höheren Drehzahlen noch im unterkritischen Drehzahlbereich zu betreiben.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.