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1. (WO2012084590) RADIAL MAGNETIC BEARING FOR THE MAGNETIC BEARING OF A ROTOR
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Beschreibung

Radialmagnetlager zur magnetischen Lagerung eines Rotors

Die Erfindung betrifft ein Radialmagnetlager zur magnetischen Lagerung eines Rotors. Radialmagnetlager dienen zur magnetischen Lagerung von Rotoren in radialer Richtung.

In der FIG 1 ist ein handelsübliches Radialmagnetlager 1 in Form einer schematisierten Schnittansicht dargestellt. Das

Radialmagnetlager 1 weist einen ruhend angeordneten Stator 2 auf. Der Stator 2 weist ein Gehäuse 3 und ein Statorelement 4 auf, das z.B. aus einem Vollmaterial oder aus mehreren in axialer Richtung X des Stators hintereinander angeordneten Blechen bestehen kann. Das Statorelement 4 ist magnetisch leitend und besteht z.B. aus einem ferromagnetischen Material. Das Stator element 4 ist um einen Rotor 5 umlaufend angeordnet. Der Rotor 5 besteht aus einem magnetisch leitenden Material wie z.B. einem ferromagnetischen Material. Der Rotor 5 ist drehfest mit einer Welle 6 verbunden. Bei der Welle 6 kann es sich z.B. um die Welle eines elektrischen Motors oder elektrischen Generators handeln. Die Welle 6 rotiert dabei beim Betrieb des elektrischen Motors oder des elektrischen Generators um die Rotationsachse Z.

Das Radialmagnetlager 1 weist auf seiner dem Rotor 5 zugewandten Seite 12 des Statorelements 4 in axiale Richtung X des Statorelements 4 verlaufende Ausnehmungen auf, wobei der Übersicht halber in FIG 1 nur eine Ausnehmung 10 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Ausnehmungen sind dabei an ihrer dem Rotor zugewandten Seite offen und somit in Form von Nuten realisiert. Die Ausnehmungen weisen dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels nach FIG 1 einen trapezförmigen Querschnitt auf, was nicht unbedingt notwendigerweise so sein muss. In den Ausnehmungen verlaufen elektrische Leitungen von Spulen, wobei der Übersichtlichkeit halber nur die Leitungen 8a und 9a mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Leitungen sind in den Ausnehmungen angeordnet. Durch die Ausnehmun- gen bilden sich im Statorelement 4 Zähne, wobei der Übersichtlichkeit halber nur ein Zahn 18 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Spulen sind dabei um die Zähne herum angeordnet, wobei der Strom derart durch die Leitungen der Spulen fließt, dass magnetische Nordpole N und magnetische Südpole S entstehen. Die Größe der Zähne kann dabei unterschiedlich sein, was aber nicht notwendigerweise so sein muss, sondern die Zähne können auch alle gleich groß sein. Weiterhin kann auch die Anzahl der Zähne von Radiallager zu Radiallager un-terschiedlich sein.

In FIG 2 ist das Statorelement 4 mit den um die Zähne verlaufenden Spulen in einer vereinfachten perspektivischen Ansicht dargestellt. Zur Vereinfachung wurde dabei die Anzahl der Ausnehmungen und damit Anzahl der Zähne und Spulen reduziert und die Größe aller Zähne identisch dargestellt. Gleiche Elemente sind in FIG 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind nur die beiden Spulen 8 und 9, sowie die elektrischen Leitungen 8a und 9a der Spulen 8 und 9 mit Bezugszeichen versehen. Die Leitungen der Spulen verlaufen in den Ausnehmungen und um die Zähne herum und bilden solchermaßen die Spulen. Die Leitungen liegen dabei üblicherweise in Form von Wickeldrähten vor.

Zurück zu FIG 1. Von den Spulen werden Magnetfelder erzeugt, die den Rotor 5 in einem zwischen Rotor 5 und Stator 2 angeordneten Luftspalt 7 in Schwebe halten. Die Spulen sind somit zur Erzeugung von Magnetfeldern ausgebildet. Zur Steuerung der Magnetfelder weist das Radialmagnetlager 1 eine Steuer-einrichtung 14 auf, die die Spulen zur Erzeugung der Magnetfelder entsprechend ansteuert, d.h. bestromt, was durch einen Pfeil 15 in FIG 1 dargestellt ist. Das Radialmagnetlager 1 weist dabei Sensoren zur Lageerkennung des Rotors auf, die der Übersichtlichkeit halber in FIG 1 nicht dargestellt sind und die die Lage des Rotors im Luftspalt 7 zur Ansteuerung der Spulen der Steuereinrichtung 14 übermitteln, was in FIG 1 durch einen Pfeil 16 dargestellt ist. Die Steuereinrichtung 14 enthält Regelungen zur Regelung der durch die Spulen hin- durchgehenden elektrischen Ströme. Das Radialmagnetlager 1 dient zur magnetischen Lagerung des Rotors 5 und damit der mit dem Rotor 5 verbundenen Welle 6 in radiale Richtung R. Das Radialmagnetlager 1 ist zur radialen magnetischen Lage-rung des Rotors 5 ausgebildet.

Die Leitungen der Spulen sind dabei bei handelsüblichen Radialmagnetlagern derart in den Ausnehmungen angeordnet, dass in den Ausnehmungen zwischen den Leitungen der Spulen und dem Luftspalt 7 jeweilig ein in axialer Richtung X des Stators 2 verlaufender Freiraum verbleibt. In FIG 1 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein Freiraum 11 mit einem Bezugszeichen versehen .

Der Rotor 5 besteht in der Regel aus einem elektrisch leitfähigen ferromagnetischen Material, das eine Kraftwirkung durch die vom Stator erzeugten Magnetfelder erfährt. Wenn die Welle 6 und damit der mit der Welle 6 verbundene Rotor 5 im Luftspalt 7 rotiert, ist der Rotor 5 einem ständigen magnetischen Wechselfeld durch die abwechselnden Magnetpole N und S des

Stators 2 ausgesetzt. Hierdurch werden in den Rotor 5 Wirbelströme induziert, die unerwünscht sind, da sie die Dynamik des Radialmagnetlagers einschränken und eine thermische Belastung des Rotors bewirken. Da Radialmagnetlager häufig für Anwendungen verwendet werden, bei denen sich der Rotor mit einer hohen Drehzahl dreht, kommt der Reduktion der Wirbelströme bei Radialmagnetlagern eine besondere Bedeutung zu.

Im Elektromaschinenbau sind dabei zwei Maßnahmen zur Redukti-on von in einem Rotor fließenden Wirbelströmen bekannt. Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Anzahl der Magnetpole des Stators zu reduzieren. Dies führt allerdings in der Regel zu einem größeren Bauvolumen, so dass hier ein Kompromiss zwischen möglichst geringer Anzahl der Magnetpole und einem geringen Bauvolumen gefunden werden muss. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Rotor aus dünnen Blechen, die gegeneinander isoliert sind, auszubilden.

Aus der US 7,545,066 B2 und der US 2010/0187926 AI sind Magnetlager zur magnetischen Lagerung eines Rotors bekannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Radialmagnetlager im Rotor auftretende Wirbelströme zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Radialmagnetlager zur magnetischen Lagerung eines Rotors, wobei das Radialmagnetlager einen Stator aufweist, wobei der Stator ein magnetisch leitendes um den Rotor umlaufend angeordnetes Statorelement aufweist, wobei das Statorelement auf seiner dem Rotor zugewandten Seite in axiale Richtung des Statorelements verlaufende Ausnehmungen aufweist in denen elektrische Leitungen von Spulen angeordnet sind, wobei von den Spulen Magnetfelder erzeugbar sind, die den Rotor in einem zwischen Rotor und Stator angeordneten Luftspalt in Schwebe halten, wobei die Leitungen derart in den Ausnehmungen angeordnet sind, dass in den Ausnehmungen zwischen den Leitungen und dem Luftspalt ein Freiraum verbleibt, wobei in dem Freiraum ein magnetisch leitendes Füllelement angeordnet ist.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Radialmagnetlager zur magnetischen Lagerung eines Rotors, wobei das Radialmagnetlager einen Stator aufweist, wobei der Stator ein magnetisch leitendes um den Rotor umlaufend angeordnetes Statorelement aufweist, wobei das Statorelement auf seiner dem Rotor zugewandten Seite in axiale Richtung des Statorelements verlaufende Ausnehmungen aufweist in denen elektrische Leitungen von Spulen angeordnet sind, wobei von den Spulen Magnetfelder erzeugbar sind, die den Rotor in einem zwischen Rotor und Stator angeordneten Luftspalt in Schwebe halten, wobei die Leitungen derart in den Ausnehmungen angeordnet sind, dass in den Ausnehmungen die Leitungen bündig mit der dem Rotor zugewandeten Seite des Statorelements abschließen, wobei an der Rotor zugewandten Seite des Statorelements ein magnetisch leitender um den Rotor verlaufender Ring angeordnet ist, wobei der Luftspalt zwischen Ring und Rotor angeordnet ist .

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Radialmagnetlager zur magnetischen Lagerung eines Rotors, wobei das Radialmagnetlager einen Stator aufweist, wobei der Stator ein magnetisch leitendes um den Rotor umlaufend angeordnetes Statorelement aufweist, wobei das Statorelement in axiale Richtung des Statorelements verlaufende Ausnehmungen aufweist in denen elektrische Leitungen von Spulen angeordnet sind, wobei die Ausnehmungen entlang der axialen Richtung des Statorelements vom Statorelement umschlossen sind, wobei von den Spulen Magnetfelder erzeugbar sind, die den Rotor in einem zwischen Rotor und Stator angeordneten Luftspalt in Schwebe halten.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Füllelement in axiale Richtung des Stators in den Freiraum einschiebbar ist, da das Füllelement dann auf besonders einfache Art und Weise in den Freiraum eingebracht werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen :

FIG 1 die schematisierte Schnittansicht eines handelsüblich bekannten Radialmagnetlagers,

FIG 2 ein mit Spulen versehenes Statorelement eines handelsüblich bekannten Radialmagnetlagers in Form einer vereinfachten perspektivischer Darstellung,

FIG 3 eine erste Aus führungs form des erfindungsgemäßen

Radialmagnetlagers ,

FIG 4 ein Füllelement,

FIG 5 eine zweite Aus führungs form des erfindungsgemäßen

Radialmagnetlagers, und

FIG 6 eine dritte Aus führungs form des erfindungsgemäßen

Radialmagnetlagers .

Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei handelsüblich bekannten Radialmagnetlagern sind, wie schon gesagt, die Leitungen der Spulen derart in den Ausnehmungen des Statorelements angeordnet, dass in den Ausnehmungen zwischen den Leitungen und dem Luftspalt ein Freiraum verbleibt. In FIG 1 ist ein solcher in axialer Richtung X des Stators 2 verlaufender Freiraum mit dem Bezugszeichen 11 versehen. Die Spulen schließen also nicht bündig mit der dem Rotor zugewandten Seite 12 des Statorelements 4, d.h. nicht bündig mit den Polköpfen der magnetischen Nord- und Südpole N und S, ab. Es verbleibt bei jeder Ausnehmung ein Freiraum 11.

In FIG 3 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine erste Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Radialmagnetlagers 1' dargestellt. Der Aufbau und die Funktion des erfin-dungsgemäßen Radialmagnetlagers 1' stimmt dabei mit dem aus dem handelsüblich bekannten Radialmagnetlager 1 gemäß FIG 1 und FIG 2 überein. Gleiche Elemente sind in FIG 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1 und FIG 2. In FIG 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt von FIG 1 dargestellt. Erfindungsgemäß ist in dem jeweiligen Freiraum ein in axiale Richtung X des Stators 2 verlaufendes magnetisch leitendes Füllelement 17 angeordnet, wobei der Übersichtlichkeit halber in FIG 3 nur ein Füllelement 17 mit einem Bezugszeichen versehen ist.

In FIG 4 ist das Füllelement 17 in perspektivischer Sicht dargestellt. Das Füllelement besteht aus einem magnetisch leitenden Material, wie z.B. einem ferromagnetischen Material (z.B. Eisen) und kann z.B. aus dem gleichen Material beste-hen, aus dem das Statorelement 4 besteht. Das Füllelement schließt vorzugsweise bündig mit den in den Ausnehmungen angeordneten Leitungen der Spulen ab. Weiterhin schließt das Füllelement vorzugsweise bündig mit der dem Rotor zugewandten Seite 12 des Statorelements 4 ab, so dass die Breite des Luftspalt 7 über den gesamten inneren Umfang des Statorelements 4 konstant bleibt.

Das Füllelement ist vorzugsweise in axialer Richtung X des Stators in den Freiraum einschiebbar, so dass es auch nach dem Einbau der Spulen in das Statorelement 4 auf einfache Art und Weise einbracht werden kann. Das Füllelement ist solcher-maßen vorzugsweise in Form eines Schiebers ausgebildet. Mit dem Füllelement wird ein magnetischer Nutverschluss der als Nuten ausgebildeten Ausnehmungen realisiert. Durch den mittels des Füllelements realisierten magnetischen Nutverschluss entsteht ein veränderter Magnetfeldverlauf im Luftspalt 7. Durch den magnetischen Nutverschluss wird an den Übergängen von einem Magnetpol zum nächsten Magnetpol ein weicherer Verlauf der in radialer Richtung verlaufenden Komponente der Magnetflussdichte erreicht, was eine Reduzierung der im Rotor induzierten Wirbelströme zur Folge hat.

In FIG 5 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine weitere Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Radialmagnetlagers 1'' dargestellt. Der wesentliche Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen Radialmagnetlagers 1'' stimmt da-bei mit dem aus dem handelsüblich bekannten Radialmagnetlager 1 gemäß FIG 1 und FIG 2 überein. Gleiche Elemente sind in FIG 5 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1 und FIG 2. In FIG 5 ist im Wesentlichen ein vergrößerter Ausschnitt von FIG 1 dargestellt. Bei der Aus führungs form des erfindungsgemäßen Radialmagnetlagers 1'' gemäß FIG 5 schließen im Gegensatz zu dem handelsüblich bekannten Radialmagnetlager 1 gemäß FIG 1 die Ausnehmungen bündig mit der dem Rotor 5 zugewandten Seite 12 des Statorelements 4, d.h. bündig mit den Polköpfen der magnetischen Nord- und Südpole N und S, ab. Der magnetische Nutverschluss wird bei dieser Aus führungs form der Erfindung durch einen magnetisch leitenden Ring 13 erreicht. Der magnetisch leitende Ring 13 ist an der dem Rotor 5 zugewandten Seite 12 des Statorelements 4 angeordnet, wobei der Luftspalt 7 zwischen Ring 13 und Rotor 5 angeordnet ist. Der Ring 13 ist Bestandteil des Stators 2. Der Ring 13 kann dabei z.B. aus einem ferromagnetischen Material wie z.B. Eisen bestehen und z.B. aus dem gleichen Material wie das Statorelement 4 bestehen. Durch den Ring wird an den Übergängen von einem Magnetpol zum nächsten Magnetpol ein weicherer Verlauf der in radialer Richtung verlaufenden Komponente der Magnetflussdichte erreicht, was eine Reduzierung der im Rotor induzierten Wirbelströme zur Folge hat.

In FIG 6 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine weitere Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Radialmagnetlagers l''' dargestellt. Der wesentliche Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen Radialmagnetlagers l''' stimmt da-bei mit dem aus dem handelsüblich bekannten Radialmagnetlager 1 gemäß FIG 1 und FIG 2 überein. Gleiche Elemente sind in FIG 6 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1 und FIG 2. In FIG 6 ist im Wesentlichen ein vergrößerter Ausschnitt von FIG 1 dargestellt. Bei der Aus führungs form des erfindungsgemäßen Radialmagnetlagers 1''' gemäß FIG 6 sind im Gegensatz zu dem handelsüblich bekannten Radialmagnetlager 1 gemäß FIG 1 die Ausnehmungen nicht mehr in Richtung des Rotors offen und somit in Form von Nuten realisiert, sondern die Ausnehmungen sind entlang der axialen Richtung X des Sta-torelements 4 vom Material des Statorelements 4 umschlossen. Der Übersichtlichkeit halber ist in FIG 6 nur eine solche Ausnehmung 10' mit einem Bezugszeichen versehen. Hierdurch wird an den Übergängen von einem Magnetpol zum nächsten Magnetpol ein weicherer Verlauf der in radialer Richtung verlau-fenden Komponente der Magnetflussdichte erreicht, was eine Reduzierung der im Rotor induzierten Wirbelströme zur Folge hat .

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Rotor 5 auch in-tegraler Bestandteil der Welle 6 sein kann und somit die Welle 6 zusammen mit dem Rotor 5 als ein einstückiges Element ausgeführt sein kann. Der Rotor liegt dann in Form der Welle vor. Der Außendurchmesser der Welle 6 ist dabei an der Stelle an der das erfindungsgemäße Radialmagnetlager angeordnet ist nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Stators des Radialmagnetlagers, so dass zwischen Stator und Welle nur ein Luftspalt vorhanden ist.