Magnetische Lagerung mit Kraftkompensation Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetlagervorrichtung mit einer Magneteinrichtung, die ringförmig ausgebildet ist und eine Mittelachse aufweist, zum Halten einer Welle drehbar durch magnetische Kräfte auf der Mittelachse. Bei herkömmlichen, radialen Magnetlagern, die keine permanent erregte Vormagnetisierung aufweisen, ist die Verwendung einer Drehstromwicklung zur Erzeugung einer stationären Vormagnetisierung bekannt. Hierzu sei beispielsweise auf die Druck ^¬ schrift DE 23 58 527 AI verwiesen. Das dort vorgestellte ak- tive magnetische Lager ist mit einem Drehantrieb, bestehend aus Ständer und Rotor mit einem von Sensoren überwachten Luftspalt, ausgestattet. Einem von Ständerwicklungen durch Speisung mit Drehstrom erzeugten Drehfeld ist ein Steuerfeld überlagert, das von Wicklungen im Ständer durch die Ausgangs- ströme von Verstärkern erzeugt wird.

Darüber hinaus offenbart die Druckschrift EP 2 148 104 AI ein magnetisches Radiallager, das in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Elektromagnete aufweist. Die Elektromagnete weisen jeweils eine gemeinsame Spule zur Erzeugung einer Vormagneti ^¬ sierung und eines magnetischen, mehrphasigen Drehfelds auf. Erste und zweite Hälften der Spulen sind jeweils in einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Beide Sternpunkte sind zum An ^¬ schließen an eine Gleichstromversorgung zur Vormagnetisie- rungserregung vorgesehen. Die verbleibenden Spulenenden sind zum parallelen Anschließen an einem entsprechenden mehrphasigen Drehstromsteller zur Drehfelderregung vorgesehen.

Magnetlager dienen zum Lagern von drehbaren Wellen. Dabei müssen sie auch die Schwerkraft kompensieren, die statisch auf die Welle wirkt. Darüber hinaus müssen sie auch andere vorbestimmbare Kräfte, wie z.B. durch Unwucht erzeugte Kräf ^¬ te, kompensieren können. Zur Kompensation dieser vorbestimm- baren Kräfte und gleichzeitig zur Zentrierung der Welle ist die Steuerung bzw. Regelung des Magnetlagers sowie die Spulen des Magnetlagers entsprechend auszulegen. Aus der Druckschrift DE 23 42 767 AI ist eine gattungsgemäße Magnetlagervorrichtung bekannt. Hierbei ist beispielsweise in einem topfförmigen Permanentmagneten ein Elektromagnet untergebracht, und die beiden wirken mit einem darüber schwebenden weiteren Permanentmagneten zusammen.

Die Druckschrift WO 95/20260 AI zeigt eine Induktionsmaschine mit Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer Querkraft in derselben. Eine ähnliche elekt ^¬ rische Maschine mit einem magnetisch gelagerten Läufer ist aus der Druckschrift DE 91 12 183 Ul bekannt.

Ferner zeigt die Druckschrift US 3 791 704 A eine magnetische Lagerung, bei der Permanentmagnete in ihrer Position mittels einer Schraube verstellbar gesteuert sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Magnetlagervorrichtung vorzuschlagen, die kostengünstiger hergestellt werden kann. Darüber hinaus soll ein verbes ^¬ sertes Verfahren zum magnetischen Lagern einer drehbaren Wel- le vorgeschlagen werden, mit dem auf die Welle wirkende, vor ^¬ bestimmte Kräfte kompensiert werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Magnet ^¬ lagervorrichtung nach Anspruch 1.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Lagerung der Welle also mit zwei unterschiedlichen, voneinander unabhängigen Magneteinrichtungen. Die erste Magneteinrichtung sorgt dafür, dass die Welle auf der Mittelachse des Lagers gehalten wird, und die zweite Magneteinrichtung ist ausschließlich dafür verantwortlich, die auf die Welle wirkende, vorbestimmte Kraft zu kompensieren. Durch diese Trennung der Zuständigkeiten kann die erste Magneteinrichtung deutlich kleiner ausgelegt wer- den, denn sie muss nicht zusätzlich beispielsweise ständig die Schwerkraft mitkompensieren. Damit kann insbesondere auch die Dimensionierung der Elektronik für die Magnetlagervorrichtung reduziert werden.

In einer Ausführungsform kann die zweite Magneteinrichtung einen Permanentmagneten aufweisen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Schwerkraft der Welle kompensiert wer ^¬ den soll, denn es wird dann für diese Kompensation kein elektrischer Strom benötigt, da ja die notwendige magnetische Kraft durch einen oder mehrere Permanentmagnete aufgebracht wird .

Insbesondere kann ein radialer Abstand des Permanentmagneten zu der Mittelachse der ersten Magneteinrichtung zur Kompensation der vorbestimmbaren Kraft durch eine in die Magnetlagervorrichtung integrierte Regelungseinrichtung regelbar sein. Dies wäre beispielsweise dann vorteilhaft, wenn sich die vor ^¬ bestimmbare Kraft ändern kann. Ändert sich beispielsweise an der Welle bzw. an dem Lager eine Masse, so verändert sich die zu kompensierende Schwerkraft, so dass eine entsprechende Re ^¬ gelung vorteilhaft ist. Treten an der Welle bzw. dem Lager Unwuchten auf, so ist es ebenfalls günstig, diese Unwuchten durch Regelung in geeigneter Weise auszugleichen.

Die zweite Magneteinrichtung ist ringförmig ausgebildet und zur ersten Magneteinrichtung konzentrisch angeordnet. Dadurch können vorbestimmbare Kräfte in alle radialen Richtungen kompensiert werden.

Speziell weist die erste Magneteinrichtung ein erstes Spulen ^¬ system und die zweite Magneteinrichtung ein zweites Spulensystem sowie jedes Spulensystem jeweils mehrere Polpaare auf, und die Polpaarzahl des zweiten Spulensystems ist genau um den Wert eins kleiner oder größer als die Polpaarzahl des ersten Spulensystems. Dadurch verstärken sich zwei gleichge ^¬ richtete Pole (z.B. zwei Nordpole; einer von der ersten Mag ^¬ neteinrichtung und einer von der zweiten Magneteinrichtung) auf der einen Seite der Magnetlagervorrichtung und auf der gegenüberliegenden Seite schwächen sich zwei gegengerichtete Pole (ein Nordpol und ein Südpol; einer von der ersten Mag ^¬ neteinrichtung und einer von der zweiten Magneteinrichtung) .

Dadurch kann gezielt eine Kraft in Richtung der sich verstärkenden Pole erzeugt werden.

Darüber hinaus kann die Magnetlagervorrichtung einen ersten Umrichter zum Ansteuern der ersten Magneteinrichtung und einen zweiten Umrichter zum Ansteuern der zweiten Magneteinrichtung aufweisen. Damit lässt sich die Lagervorrichtung beispielsweise von einem Gleichspannungssystem versorgen, wie es typischerweise in Elektrofahrzeugen bzw. Hybrid-Fahrzeugen bereitgestellt wird.

Wenn die vorbestimmbare Kraft die Schwerkraft ist, ist es vorteilhaft, wenn die zweite Magneteinrichtung eine zweite Regelungseinrichtung aufweist, mit der die zweite Magnetein- richtung zur Kompensation der auf die Welle wirkenden Schwerkraft regelbar ist. Damit ist es nicht mehr notwendig, dass die erste Magneteinrichtung die Schwerkraft kompensiert, so dass sie entsprechend geringer dimensioniert werden kann. Wenn die vorbestimmte Kraft durch eine Unwucht der oder an der Welle bzw. an dem Lager hervorgerufen wird, kann die zweite Magneteinrichtung eine zweite Regelungseinrichtung aufweisen, mit der die zweite Magneteinrichtung zur Kompensation der vorbestimmten Kraft regelbar ist. Damit ist es mög- lieh, auch dynamische Kräfte, die in unterschiedliche radiale Richtungen wirken können, zu kompensieren.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 einen Querschnitt durch ein Magnetlager mit Perma ^¬ nentmagneten zur Kompensation der Schwerkraft; FIG 2 eine Umrichterschaltung zum Betreiben einer Magnetlagervorrichtung mit zwei Spulensystemen und

FIG 3 eine Magnetfeldanordnung eines erfindungsgemäßen

Magnetlagers .

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. In dem Beispiel von FIG 1 ist ein Längsschnitt durch ein mag ^¬ netisches Lager dargestellt. Es besitzt eine Mittelachse 1, um die eine Welle 2 drehbar gelagert werden soll. Außerdem besitzt das Magnetlager ein Gehäuse 3, in dem Magneteinrichtungen zur Lagerung untergebracht sind. Typischerweise weist ein derartiges Magnetlager eine erste Magneteinrichtung auf, die zur Zentrierung der Welle 2 dient. Diese erste Magneteinrichtung ist in FIG 1 der Übersicht halber nicht eingezeichnet. Sie umfasst ein Spulensystem mit mehreren Spulen, die am Umfang verteilt angeordnet sind.

Auf die Welle wirkt die Schwerkraft, die in der Abbildung von FIG 1 nach unten gerichtet ist. Daher wird in der Magnetla ^¬ gervorrichtung, hier innerhalb des Gehäuses 3, eine zusätzliche zweite Magneteinrichtung vorgesehen, die der Schwerkraft entgegen wirkt. In Beispiel von FIG 1 weist die zweite Mag ^¬ neteinrichtung einen Permanentmagneten 4 auf. Der Permanentmagnet 4 kann aus mehreren einzelnen Magneten bestehen. Er besitzt, betrachtet in axialer Richtung, vorzugsweise bogen ^¬ förmige Gestalt, wobei sein Abstand zu der Welle 2 günstiger- weise überall gleich ist.

Über eine mittige Schraube 5 kann die auf die Welle 2 wirken de Magnetkraft durch Abstandsänderung zur Welle eingestellt werden. Falls an Stelle des Permanentmagneten ein Elektromag net Verwendung findet, kann die Feldstärke und damit die An ^¬ ziehungskraft zusätzlich oder alternativ durch eine Änderung des elektrischen Stroms erreicht werden. Links und rechts von der Schraube 5 können Führungsbolzen 6 vorgesehen sein, um den Permanentmagneten 4 zu führen, wenn dessen Abstand von der Welle 2 geändert wird. Die Einstellung des Abstands zwischen Permanentmagnet 4 und Welle 2 kann bei- spielsweise unter Zuhilfenahme einer Kraftmessdose 7 erfol ^¬ gen. Besitzt nämlich wie in dem Beispiel von FIG 1 die Mag ^¬ netlagervorrichtung ein Fanglager 8, so kann dieses Fanglager 8 über die Kraftmessdose 7 an dem Gehäuse 3 abgestützt wer ^¬ den. Bei dem Fanglager 8 kann es sich beispielsweise um ein loses Kugellager handeln, das bei einem Ausfall des Magnetla ^¬ gers die Welle 2 mechanisch fängt. Wird nun der Abstand zwi ^¬ schen dem Permanentmagneten 4 und der Welle 2 so eingestellt, das die Schwerkraft der Welle 2 vollständig kompensiert wird, so misst die Kraftmessdose 7 nur noch das Gewicht des Fangla- gers 8. Damit lässt sich die Schwerkraftkompensation durch die zweite Magneteinrichtung (hier den Permanentmagneten 4) optimal einstellen.

Der Abstand zwischen Permanentmagnet 4 und Welle 2 kann so weit reduziert werden, dass eine drehfeste Fixierung der Wel ^¬ le 2 erreicht wird. Der Magnet 4 kann hierdurch als eine Art Feststellbremse verwendet werden. Bei Windkraftgeneratoren können so beispielsweise leichter Reparaturarbeiten durchgeführt werden.

In einer Ausgestaltung des Magnetlagers weist der Magnet, wie bereits angesprochen wurde, eine Wölbung auf, welche einem äußeren Radius der Welle 2 in etwa entspricht. So kann der Luftspalt 9 zwischen Welle und Magnet reduziert und die Wirk- kraft des Magneten erhöht werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des Magnetlagers ist die Änderung des Abstands 9 zwischen dem Magneten 4 und der Welle 2 automatisiert. Die Änderung des Abstands kann gesteuert oder geregelt erfolgen. Eine Regelgröße ist beispielsweise die durch die Kraftmessdose 7 gemessene Kraft. Anhand dieser Kraft kann geregelt werden, wobei vorteilhaft ein Maximalwert und ein Minimalwert der Kraft festgelegt sind. In einem Re- gelkreis zur Regelung der Kraft, in welchem der Abstand des Magneten von der Welle eine Stellgröße ist, kann ein minima ^¬ ler Wert der Stellgröße festgelegt werden, der nicht unter ^¬ schritten werden darf.

Falls die Welle 2 ein nicht magnetisches Material aufweisen sollte, kann die Welle mit einem magnetischen Ringaufsatz (Manschette) ausgestattet werden. Diese kann auch geblecht ausgeführt sein, um Wirbelsturmverluste zu minimieren. Zur Minimierung der Wirbelsturmverluste kann auch eine weichmag ^¬ netische Welle mit einer entsprechenden Manschette versehen werden .

Das in FIG 1 dargestellte Lager kann auch, was hier nicht be- ansprucht wird, ein mechanisches Lager mit magnetischer Kom ^¬ pensationseinheit sein. In diesem Fall wäre das in FIG 1 dar ^¬ gestellte Lager 8 ein übliches Wälzlager (z.B. Kugel- oder Rollenlager) und es bräuchte keine erste Magneteinrichtung zur Zentrierung der Welle vorgesehen sein. Selbst bei einem einfachen stationären Magnetfeld der zweiten Magneteinrichtung (Permanentmagnet 2), welches eine auf das Lager wirkende Gewichtslast reduziert, kann so eine größere Betriebsdauer des Lagers durch dessen Entlastung erreicht werden. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn der Austausch von Lagern sehr schwierig und kostenintensiv ist (z.B. offshore Windparks) .

Anhand der FIG 2 und 3 wird nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung erläutert, bei der die zweite Magneteinrichtung zur Kompensation einer vorbestimmbaren Kraft auf die Welle (z.B. Schwerkraft oder durch Unwuchten hervorgerufene Kräfte) Elektromagnete aufweist. Die Schaltung von FIG 2 zeigt einen möglichen schaltungstechnischen Aufbau einer derartigen Magnetlagervorrichtung. Die Vorrichtung besitzt zur Zentrierung der Welle (in FIG 2 nicht dargestellt) beispielsweise ein dreiphasiges Spulensystem 10. Ein Umrichter 11 speist dieses erste Spulensystem 10. Außerdem besitzt der Umrichter 11 hier eine Steuerung bzw. Rege- lung, um die Ströme durch das erste Spulensystem 10 so zu re ^¬ gulieren, das die vorbestimmbare Kraft auf die Welle durch das Magnetfeld des Spulensystems 10 kompensiert wird. Eine etwaige Regelschleife, bei der beispielsweise eine Kraft auf die Welle 2 oder ein Versatz der Welle zur Mittelachse 1 ge ^¬ messen wird, ist in FIG 2 nicht eingezeichnet.

Die Magnetlagervorrichtung weist außerdem eine zweite Magneteinrichtung auf, die ein zweites Spulensystem 12 umfasst. Die beiden Spulensysteme 10 und 12 sind voneinander unabhängig, und das zweite Spulensystem 12 wird hier auch durch einen separaten Umrichter 13 angesteuert. Dieser Umrichter 13 erzeugt auch hier einen Dreiphasenstrom für das dreiphasige Spulensystem 12.

Die Versorgung der beiden Umrichter 11 und 13 erfolgt im vorliegenden Beispiel über einen Zwischenkreis 14. Der Zwischenkreis 14 wiederum wird von einem Gleichrichter gespeist, der beispielsweise einen einphasigen Wechselstrom gleichrichtet.

Auch der zweite Umrichter 13 kann eine Regelung aufweisen, mit der es möglich ist, die durch das zweite Spulensystem hervorgerufenen magnetischen Kompensationskräfte in Abhängigkeit von unterschiedlichen Messgrößen zu regeln. So kann zum Erfassen eine Unwucht eine Beschleunigung oder beispielsweise ein Ausschlag der Welle gemessen und einem in den Umrichter 13 integrierten Regler zugeführt werden.

Der Regler in dem zweiten Umrichter 13 kann eine geringere Regelgenauigkeit besitzen als der Regler in dem ersten Umrichter 11, denn Letzterer muss für die exakte mittige Positionierung des Rotors sorgen.

Mit der Schaltung von FIG 2 lässt sich nun ein Magnetfeld re- alisieren, das in FIG 3 symbolisch angedeutet ist. Hierzu ist zu bemerken, dass die erste Magneteinrichtung mit dem ersten Spulensystem 10 und die zweite Magneteinrichtung mit dem zweiten Spulensystem 12 jeweils ringförmig sind und konzen- trisch angeordnet sind. Dadurch überlagern sich die Magnetfelder beider Magneteinrichtungen in der in FIG 3 dargestellten Weise. Das Beispiel von FIG 3 bezieht sich auf eine erste Magnetein ^¬ richtung mit einer achtpoligen Wicklung. D.h. das Spulensystem 10 besitzt am Umfang verteilt acht Pole und somit eine Polpaarzahl p = 4. Die zweite Magneteinrichtung hingegen besitzt eine sechspolige Wicklung. D.h. das zweite Spulensystem 12 besitzt sechs Pole am Umfang verteilt und somit eine Pol ^¬ paarzahl p = 3. In FIG 3 sind die acht Pole des ersten Spu ^¬ lensystems, welches für die Zentrierung der Welle verantwort ^¬ lich ist, mit den großen Buchstaben N und S dargestellt. Die sechs am Umfang verteilten Pole des zweiten Spulensystems 12 sind mit den Buchstaben n und s dargestellt. Auf der zwölf

Uhr-Position liegen die Pole beider Spulensysteme übereinander, wie auch in der sechs Uhr-Position. Werden nun die beiden Spulensysteme 10 und 12 so bestromt, das sich die in FIG 3 dargestellten magnetischen Pole ergeben, so verstärken sich die Magnetfelder in der oberen Hälfte der ringförmigen Magnetanordnung, da sich jeweils Nordpole N, n und Südpole S, s sehr nahe stehen. Dem gegenüber stehen sich in der unteren Hälfte der Magnetanordnung jeweils Südpol S, s und Nordpol N, n sehr nahe. Dadurch ergibt sich eine Schwächung des jeweili- gen Magnetfelds. Zu dem Zeitpunkt mit der Magnetkonstellation gemäß FIG 3 würde also die im Inneren der Magnetlagervorrichtung laufende Welle nach oben gezogen werden. Dies könnte zur Kompensation der Schwerkraft dienen. Eine derartige Magnet ^¬ konstellation kann aber auch dynamisch in unterschiedlichste Richtungen gedreht werden, so dass sich damit beispielsweise eine Unwucht ausgleichen lässt.

Wird also während des Betriebs eines Rotationskörpers (Welle mit gegebenenfalls angebauten Teilen) eine Unwucht festge- stellt, so kann diese Unwucht mittels der beschriebenen Mag ^¬ netlagervorrichtung kompensiert werden. Prinzipiell kann anstelle der zweiten Spulenanordnung 12, wie oben angedeutet wurde, auch ein Permanentmagnet 4, dessen Luftspalt zum Rota- tionskörper geregelt verändert werden kann, eingesetzt wer ^¬ den .

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Magnet dazu eingesetzt werden, z.B. zu Testzwecken eine Schwingung im Rotationskörper anzuregen oder zu dämpfen.