Magnetisches Radiallager mit Einzelblechen in tangentialer Richtung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisches Radiallager zur drehbaren Lagerung eines Rotors mit einem Stator, der mehrere Spulenanordnungen aufweist, wobei die Spulenanordnungen in einer Umfangsrichtung um eine Achse des Radiallagers angeordnet sind, jede der Spulenanordnungen jeweils ein

Blechpaket mit Einzelblechen aufweist, und jede der Spulenanordnungen jeweils eine Spule aufweist, die um das korrespondierende Blechpaket gewickelt ist. Bei einem herkömmlichen magnetischen Radiallager weist der

Stator Spulen auf, die radial nach innen zu der zu lagernden Welle gerichtet sind. D.h. die Spulenachsen verlaufen im Wesentlichen radial. Aus dem Buch „magnetic bearings" von Gerhard Schweitzer und

Eric H. Maslen, Springer Verlag Berlin, 2009, XV, Seiten 82 bis 84 und 96 sind auch radiale Magnetlager mit axialen Spulen bekannt. Dies bedeutet, dass sich die Spulenachsen parallel zur Lagerachse erstrecken. Dementsprechend erfolgt die Flussführung sowohl in den Spulen als auch im Rotor im Wesentlichen in axialer Richtung.

Magnetische Radiallager müssen hochdynamisch Störgrößen ausregeln können. Dabei soll die Kraft dem Strom mit möglichst geringer Verzögerung folgen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Dynamik eines magnetischen Radiallagers zu verbessern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein magnetisches Radiallager zur drehbaren Lagerung eines Rotors mit einem Stator, der mehrere Spulenanordnungen aufweist, wobei die Spulenanordnungen in einer Umfangsrichtung um eine Achse des Radiallagers angeordnet sind, jede der Spulenanordnungen jeweils ein Blechpaket mit Einzelblechen aufweist, und jede der Spulenanordnungen jeweils eine Spule aufweist, die um das korrespondierende Blechpaket gewickelt ist, wobei die Einzel - bleche bei jedem Blechpaket in der Umfangsrichtung gestapelt sind, und wobei die Spulen jeweils als Axialfeldspule ausgebildet sind.

In vorteilhafter Weise besitzt also das magnetische Radialla- ger Spulen in Axialrichtung auf Blechpaketen, deren Einzelbleche in tangentialer Richtung gestapelt sind. Damit wird im magnetischen Kreis die Wirbelstromdichte gering gehalten. Hierdurch kann die Kraft dem Strom sehr rasch folgen, wodurch ein sehr dynamisches Verhalten des Radiallagers erreicht wer- den kann. Dabei hat die Blechung natürlich auch die Aufgabe, das magnetische Feld zu führen und aufgrund der Positionierung in radialer Richtung am Umfang verteilt die Tragkräfte aufzunehmen . Vorzugsweise besitzt das magnetische Radiallager vier paarweise gegenüberstehende Spulenanordnungen. Hierdurch lässt sich eine ausreichende Lagerung bei einfachem Aufbau erzielen . Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn jedes Blechpaket in einer axial verlaufenden Schnittebene einen U- förmigen Querschnitt aufweist, der zwei Schenkel und einen die Schenkel verbindenden Abschnitt aufweist. Dabei ist die jeweilige Spule um einen Teil des Blechpakets in einer Richtung senkrecht zu der Achse des Radiallagers gewickelt, und der Teil des

Blechpakets ist dem verbindenden Abschnitt des Querschnitts zugeordnet. Damit kann über einer etwaigen zu lagernden Welle ein nahezu geschlossener Magnetkreis realisiert werden. Jedes Blechpaket kann in der Umfangsrichtung bogenförmig sein. Vorzugsweise besitzt es in Umfangsrichtung eine Kontur, die einen konstanten Abstand zu einer zu lagernden, vorgege- benen Welle besitzt. Die Spulenanordnung insgesamt besitzt dann in etwa eine nierenförmige Gestalt.

Darüber hinaus kann jede Spulenanordnung einen Spulenträger bzw. -körper aufweisen, der um das jeweilige Blechpaket angeordnet ist. Ein derartiger Spulenträger verleiht der jeweiligen Spule den gewünschten Halt. Der Spulenträger kann teilbar sein. Insbesondere sollte er aus mindestens zwei Teilen bestehen, die leicht auf ein vorgefertigtes Blechpaket aufge- steckt werden können. So empfiehlt sich beispielsweise eine Zweiteilung dergestalt, dass sich ein radial äußeres Spulen- trägerteil und ein radial inneres Spulenträgerteil gegenüberstehen . In einer speziellen Ausführungsform kann der Spulenträger auch an das jeweilige Blechpaket gespritzt sein. Auch so kann der Spulenträger ohne hohen Fertigungsaufwand an das Blechpaket montiert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann das magnetische Radiallager ein ringförmiges Gehäuse aufweisen, in dem die Spulenanordnungen befestigt sind. Durch dieses ringförmige Gehäuse lassen sich nicht nur die Spulenanordnungen befestigen, sondern es kann damit auch ein Schutz gegen Umgebungseinflüs- se gewährleistet werden.

Das Gehäuse kann zweiteilig sein, wobei die beiden Gehäuseteile ebenfalls ringförmig sind. Das Gehäuse lässt sich somit in axialer Richtung zusammenfügen, wobei zwischen den beiden Gehäusehälften die Spulenanordnungen gehalten werden.

Am Innenumfang des ringförmigen Gehäuses kann ein separater Stützring zum radialen Stützen der Spulenanordnungen angebracht sein. Dieser Stützring kann nicht nur Stützaufgaben, sondern bei geeigneter Materialwahl auch Isolieraufgaben übernehmen . Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen magnetischen Radiallagers in einem Querschnitt entlang der Achse des Radiallagers;

FIG 2 einen Querschnitt durch die Aktivteile des magnetischen Radiallagers von FIG 1 quer zur Achse;

FIG 3 eine perspektivische Ansicht eines Blechpakets;

FIG 4 das Blechpaket von FIG 3 mit Spulenträger;

FIG 5 das Blechpaket von FIG 4 mit einer auf den Spulenträger gewickelten Spule, wodurch sich eine Spulenanordnung ergibt ;

FIG 6 die Spulenanordnung von FIG 5 eingesetzt in eine

Gehäusehälfte;

FIG 7 die Gehäusehälfte von FIG 6 besetzt mit weiteren

Spulenanordnungen und einem Stützring; und

FIG 8 das mit der zweiten Gehäusehälfte komplettierte

magnetische Radiallager.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar . In FIG 1 sind die Aktivteile eines erfindungsgemäßen magnetischen Radiallagers im Längsschnitt, d.h. in einem Schnitt entlang der Achse 1 des Radiallagers dargestellt. Das Radiallager weist einen Stator 2 auf, der zur drehbaren Lagerung eines Rotors 3 dient. Der Rotor 3 besitzt eine Welle 4, die im Bereich des Stators von einem Rotorblech 5 umgeben ist. Das Rotorblech 5 hat die Aufgabe, Wirbelstromverluste möglichst gering zu halten, wenn das Magnetfeld aufgrund geringer Polzahl tief in den Rotor eindringt. Mit einer geringen Polzahl wiederum kann eine geringe Ummagnetisierungsfrequenz erreicht werden.

Der Stator weist am Umfang verteilt mehrere Spulenanordnungen 6 auf, von denen jede ein Blechpaket 7 besitzt. Jedes Blech- paket 7 besitzt Einzelbleche, die bezogen auf die Mitte des Blechpakets in tangentialer Richtung des Radiallagers gestapelt sind. Der Querschnitt jedes Blechpakets 6 entlang der Achse 1 des Radiallagers besitzt im Wesentlichen eine U-Form. Diese U-Form repräsentiert zwei Schenkel 8, 9 und einen die beiden Schenkel verbindenden Abschnitt 10. Auf diesen verbindenden Abschnitt 10 bzw. den korrespondierenden Blechpaketabschnitt ist eine Axialfeldspule 11 gewickelt. Die Achse der Axialfeldspule 11 verläuft parallel zu der Achse 1 des Radi- allagers.

Bei einer Grunderregung der Spulenanordnungen 6 ergibt sich in dem Radiallager beispielsweise der in FIG 1 durch Pfeile 12, 13 eingezeichnete Magnetfluss. Demnach verläuft der mag- netische Fluss entsprechend dem Pfeil 12 zunächst aus der

Axialfeldspule 11 durch den Schenkel 9 des Blechpakets 7. Von dort fließt er weiter durch den radialen Luftspalt 14 zwischen Stator 2 und Rotor 3. Anschließend fließt er durch das Rotorblech 5 und die Welle 1 und von dort entsprechend dem Pfeil 13 in analoger Weise zurück in die Axialfeldspule 11. Der Magnetfluss verläuft also in der Axialfeldspule 11 zunächst in axialer Richtung, wird im Blechpaket 7 umgelenkt, sodass er in radialer Richtung durch den Schenkel 9, den Luftspalt 14 und das Rotorblech 5 im Wesentlichen radial nach innen verläuft. Im Rotor 3 wird der Magnetfluss wieder in axialer Richtung umgelenkt, verläuft unter der Spule 11 hindurch, wird wieder in radialer Richtung umgelenkt, sodass er den Rotor 3 zum Stator 2 verlässt. In dem Schenkel 8 des Blechpakets 7 wird der Magnetfluss wieder in axialer Richtung umgelenkt. Ein ähnlicher Magnetfluss ergibt sich auch für alle anderen Spulenanordnungen 6.

In FIG 2 sind die Aktivteile von FIG 1 im Querschnitt senkrecht zu der Achse 1 des Radiallagers dargestellt. Insbeson- dere sind dort die Blechpakete 7, 7' zu erkennen, bei denen die Einzelbleche in tangentialer Richtung bzw. in Umfangs- richtung gestapelt sind. Im vorliegenden Beispiel sind vier Spulenanordnungen, die jeweils ein Blechpaket 7 und eine Axialfeldspule 11 aufweisen, am Umfang gleich verteilt angeordnet. D.h. es stehen sich immer zwei der vier Spulenanordnungen bezogen auf die Achse 1 paarweise gegenüber.

In FIG 2 ist auch die Stromrichtung 15 für die Grunderregung in jeder Axialfeldspule 11 eingezeichnet. Diese Stromrichtung führt zu dem Magnetfluss von FIG 1.

FIG 3 zeigt ein Blechpaket 7 in perspektivischer Ansicht. Das Blechpaket 7 besitzt, wie erwähnt, in axialer Richtung den U- förmigen Querschnitt. In Umfangsrichtung ist das Blechpaket 7 gebogen. Der Konturverlauf des dem Rotor zugewandten Ab- Schnitts des Blechpakets entspricht einem Kreisbogenabschnitt. Ein Blechpaket 7 überdeckt somit in etwa einen 90°- Kreissektor des Rotors 3 im vorliegenden Beispiel. Die in Um- fangsrichtung bzw. in tangentialer Richtung gestapelten Einzelbleche des Blechpakets 7 sind in FIG 3 ebenfalls zu erken- nen.

In FIG 4 ist das Blechpaket 7 von FIG 3 mit einem Spulenträger 16, der auch als Spulenkörper bezeichnet wird, versehen. Der Spulenträger 16 besteht vorzugsweise aus einem Kunst- Stoff. Er kann zweigeteilt sein, so dass er sich leicht auf das Blechpaket 7 aufbringen lässt. Beispielsweise besteht der Spulenträger 16 aus zwei Hälften: einer radial außenliegenden Hälfte und einer radial innenliegenden Hälfte. Diese lassen sich dann über den Abschnitt 10 des Blechpakets stecken. Al- ternativ kann der Spulenträger 16 auch auf das Blechpaket 7 aufgespritzt sein.

FIG 5 zeigt eine komplette Spulenanordnung 6 in perspektivischer Ansicht. Auf den Spulenträger 16 ist eine Spule 17 auf- gewickelt. Die Achse der Spule 17 verläuft parallel zu der Achse 1 des Radiallagers. Der magnetische Pfad kann erfindungsgemäß also wirbelstromarm aufgebaut werden. Die vier magnetischen Pfade im Stator sind nämlich geblecht. Wie in FIG 5 dargestellt ist, ist die Form der Spulenanordnung vorzugsweise nierenförmig . Damit lässt sich ein besonders kompaktes Lager realisieren, was die nachfolgenden Figuren 6 bis 8 zeigen. FIG 6 zeigt einen ersten ringförmigen Gehäuseteil 17, in dem die Spulenanordnung 6 von FIG 5 eingesetzt ist. Eine Schulter 18 in dem ersten Gehäuseteil 17 hält die Spulenanordnung 6 gegen eine radiale Bewegung nach außen. Darüber hinaus sind neben der Spulenanordnung 6 in dem ersten Gehäuseteil 17 Nu- ten 19 zu erkennen, die zum Fixieren eines in FIG 7 wiedergegebenen Stützrings 20 dienen. Die Nuten 19 verlaufen in radialer Richtung und enden vor dem Innenradius des ersten Gehäuseteils 17. In FIG 7 ist das erste Gehäuseteil 17 mit vier Spulenanordnungen 6 am Umfang verteilt dargestellt. Außerdem ist der Stützring 20 eingezeichnet, der innen an allen Spulenanordnungen 6 anliegt und diese somit radial nach innen abstützt. Der Stützring 20 besitzt außerdem radial abstehende Flügel 21, die den Stützring 20 durch Formschluss gegenüber dem Gehäuse in Position halten. Außerdem werden die einzelnen Spulenanordnungen durch die Flügel 21 gegeneinander isoliert, denn es befindet sich jeweils ein Flügel 21 zwischen zwei Spulenanordnungen 6.

In FIG 8 ist das magnetische Radiallager ohne Rotor komplett dargestellt. Ein zweites Gehäuseteil 22, das identisch mit dem ersten Gehäuseteil 17 ausgeführt sein kann, ist auf das erste Gehäuseteil 17 aufgebracht, wodurch die Spulenanordnun- gen 6 nun komplett verdeckt werden. Im Inneren des ringförmigen Gehäuses, das aus den beiden Gehäusehälften 17 und 22 zusammengefügt ist, ist der Stützring 20 mit seinen Flügeln 21 zu erkennen. An beiden Seiten des Stützrings sind bündig die beiden Schenkel 8 und 9 der jeweiligen Blechpakete angeordnet .

Der erfindungsgemäße Aufbau des Magnetlagers mit den nieren- förmigen Spulen auf Spulenkörpern ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise. Durch die Blechung der weichmagnetischen Segmente ist eine hohe Regelungsgüte erreichbar. Alle Bauteile sind vorzugsweise so geformt, dass sie durch einfaches axiales Fügen fixiert werden können. Damit ist eine kosten- günstige Montage gewährleistet.