DE102014217686A1

DE102014217686A1 - Device for magnetically supporting a shaft

Info

Publication number: DE102014217686A1
Application number: DE102014217686.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Goraj; Dirk Diehl; Klaus Schleicher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-03-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lagern einer Welle mit einem vertikal oberhalb der Welle angeordneten Magnetjoch mit U-Profil, wobei eine Öffnung des U-Profils zur Welle zeigt und das Magnetjoch mit seiner Längsseite axial zur Welle ausgerichtet ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung wenigstens erstes Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Kreises, wobei der magnetische Kreis vom Magnetjoch zur Welle über einen ersten Spalt ausbildbar ist und ein zweites Mittel zum Fixieren des Magnetjochs vertikal oberhalb der Welle.The invention relates to a device for supporting a shaft with a vertically arranged above the shaft magnetic yoke with U-profile, wherein an opening of the U-profile to the shaft and the magnetic yoke is aligned with its longitudinal side axially of the shaft. Furthermore, the device comprises at least first means for generating a magnetic circuit, wherein the magnetic circuit from the magnetic yoke to the shaft via a first gap can be formed and a second means for fixing the magnetic yoke vertically above the shaft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum magnetischen Lagern einer Welle. The invention relates to a device for magnetically supporting a shaft.

Die Lagerung von rotierenden Wellen kann mit Hilfe von Gleit- oder Wälzlagern geschehen. Insbesondere für hohe Lagerkräfte und Drehzahlen und für sehr große Lagerdurchmesser bzw. Wellendurchmesser eignet sich das hydrodynamische Gleitlager. Die Tragkraft des Lagers ist dabei meist proportional zur rotierenden Masse, welche getragen werden muss. Lediglich beim An- und Auslaufen wird das hydrodynamische Lager nachteilig derart belastet, dass Verschleißerscheinungen auftreten. Nachteil ist auch der z.B. im Vergleich mit Wälzlagern zusätzlich geschaffene Mehraufwand in Herstellung und Wartung, beispielsweise des Ölwechsels. The bearing of rotating shafts can be done with the help of sliding or rolling bearings. Especially for high bearing forces and speeds and for very large bearing diameter or shaft diameter, the hydrodynamic sliding bearing is suitable. The bearing capacity of the bearing is usually proportional to the rotating mass, which must be worn. Only when arriving and leaving the hydrodynamic bearing is adversely affected such that signs of wear occur. Disadvantage is also the e.g. In comparison with rolling bearings additionally created additional effort in production and maintenance, such as oil change.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Lagern einer Welle anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Object of the present invention is therefore to provide a device for supporting a shaft, which overcomes the disadvantages mentioned.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. The object is achieved with a device according to claim 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Lagern einer Welle umfasst ein vertikal oberhalb der Welle angeordnetes Magnetjoch mit U-Profil, wobei eine Öffnung des U-Profils zur Welle zeigt und das Magnetjoch mit seiner Längsseite axial zur Welle ausgerichtet ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung wenigstens ein erstes Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Kreises, wobei der magnetische Kreis vom Magnetjoch zur Welle über einen ersten Spalt ausbildbar ist. Die Vorrichtung umfasst auch ein zweites Mittel zum Fixieren des Magnetjochs vertikal oberhalb der Welle. The device according to the invention for supporting a shaft comprises a vertically arranged above the shaft U-shaped yoke, wherein an opening of the U-profile to the shaft and the magnetic yoke is aligned with its longitudinal side axially to the shaft. Furthermore, the device comprises at least a first means for generating a magnetic circuit, wherein the magnetic circuit from the magnetic yoke to the shaft via a first gap can be formed. The device also includes a second means for fixing the magnetic yoke vertically above the shaft.

Der Begriff „vertikal oberhalb“ bezieht sich hier auf die jeweils am Ort herrschende Gravitation. „Axial“ bedeutet hier parallel zur Welle, „radial“ bedeutet orthogonal zur Welle. Mittels des magnetischen Kreises wird das Lager entlastet, da sich eine Kraft ausbildet, welche entgegen der Schwerkraft am jeweiligen Ort der Lagerung wirkt. Das Lager wird somit vom Gewicht der Welle bereits beim Anfahren des Lagers vorteilhaft weniger belastet, wodurch Verschleißerscheinungen abnehmen. The term "vertically above" refers here to the local gravity. "Axial" here means parallel to the shaft, "radial" means orthogonal to the shaft. By means of the magnetic circuit, the bearing is relieved, since a force is formed, which counteracts the force of gravity at the respective location of storage. The bearing is thus advantageously less burdened by the weight of the shaft when starting the bearing, whereby wear decreases.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung als erstes Mittel eine ringförmige Spule, welche um die Längsseite des Magnetjochs herum axial zur Welle angeordnet ist. Der magnetische Kreis erfolgt dann, wie schon beschrieben, von dem Magnetjoch zur Welle und bildet eine Kraft aus, die entgegen der Schwerkraft wirkt. Vorteilhaft kann diese Kraft schon vor Beginn des Laufens des Lagers wirken, so dass ein Anlaufen des Lagers hydrostatisch unterstützt wird. Die Spule kann eine Kupferspule oder eine supraleitende Spule sein. Die supraleitende Spule kann vorteilhaft ein größeres Gewicht, d.h. insbesondere schwere Wellen, tragen. In an advantageous development of the invention, the device comprises as the first means an annular coil which is arranged around the longitudinal side of the magnetic yoke axially to the shaft. The magnetic circuit is then, as already described, from the magnetic yoke to the shaft and forms a force that acts against gravity. Advantageously, this force can act before the start of running of the bearing, so that a start of the bearing is supported hydrostatically. The coil may be a copper coil or a superconducting coil. The superconducting coil may advantageously have a greater weight, i. especially heavy waves, wear.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erste Mittel wenigstens einen ersten und einen zweiten Permanentmagneten. Diese schließen sich an einen ersten und einen zweiten radial angeordneten Schenkel des U-Profils des Magnetjochs an. Vorteilhaft wird auch hier schon vor Anlaufen des Lagers eine Kraft ausgebildet, welche entgegengesetzt der Schwerkraft wirkt. Dadurch werden Verschleißerscheinungen des Lagers vorteilhaft verringert. In a further advantageous embodiment of the invention, the first means comprises at least a first and a second permanent magnet. These adjoin a first and a second radially disposed leg of the U-profile of the magnetic yoke. Advantageously, a force is also formed here before the start of the bearing, which acts contrary to gravity. As a result, wear of the bearing can be advantageously reduced.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Polung des ersten Permanentmagneten am ersten Schenkel entgegengesetzt zur Polung des zweiten Permanentmagneten am zweiten Schenkel. Dadurch wird der magnetische Kreis vom Magnetjoch zur Welle derart ausgebildet, dass eine Kraft entsteht, welche entgegen der Schwerkraft wirkt. Das Lager wird dadurch vorteilhaft entlastet und Verschleißerscheinungen nehmen ab. In a further embodiment of the invention, the polarity of the first permanent magnet on the first leg is opposite to the polarity of the second permanent magnet on the second leg. As a result, the magnetic circuit is formed by the magnetic yoke to the shaft such that a force is created which acts against gravity. The bearing is advantageously relieved and wear and tear decreases.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein drittes Mittel zum Verschieben des Magnetjochs gegenüber der Welle. Vorteilhaft lässt sich dadurch die Anordnung der Welle unterhalb des Magnetjochs in der Art verändern, dass die Kraft des magnetischen Kreises optimal entgegengesetzt der Schwerkraft wirken kann. Auch thermische Ausdehnungen der Welle können mittels einer Verschiebung ausgeglichen werden. In a further advantageous embodiment of the invention, the device comprises a third means for displacing the magnetic yoke relative to the shaft. Advantageously, this allows the arrangement of the shaft below the magnetic yoke change in the way that the force of the magnetic circuit can act optimally opposite to gravity. Also thermal expansion of the shaft can be compensated by means of a shift.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das dritte Mittel fest mit dem zweiten Mittel zur Fixierung des Magnetjochs verbunden. Dadurch lässt sich die Verschiebung direkt und unmittelbar durchführen. In a further advantageous embodiment of the invention, the third means is firmly connected to the second means for fixing the magnetic yoke. This allows the shift to be made directly and immediately.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste und zweite Abstand zwischen dem Magnetjoch und der Welle mit einem Fluid gefüllt. Besonders vorteilhaft ist das Fluid Luft. Dieses kann bei Umgebungsdruck oder Unterdruck in dem Lager vorliegen. Das Fluid kann alternativ eine Flüssigkeit sein. In a further advantageous embodiment of the invention, the first and second distance between the magnetic yoke and the shaft is filled with a fluid. Particularly advantageous is the fluid air. This may be at ambient pressure or negative pressure in the bearing. The fluid may alternatively be a liquid.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit zur Regulierung des magnetischen Kreises, wobei der erste und zweite Abstand mittels der Steuereinheit einstellbar ist. Vorteilhaft lassen sich dadurch beispielsweise die thermische Ausdehnung der Welle oder auch Schwingungen der Welle regulieren. Auch dies vermindert vorteilhaft Verschleißerscheinungen des Lagers. In a further advantageous embodiment of the invention, the device comprises a control unit for regulating the magnetic circuit, wherein the first and second distance is adjustable by means of the control unit. Advantageously, for example, the thermal expansion of the shaft or even vibrations of the shaft can be regulated. This also advantageously reduces wear phenomena of the bearing.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen noch einmal durch konkrete Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die gezeigten Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar. Funktionsgleiche Elemente weisen in den Figuren dieselben Bezugszeichen auf. Es zeigen: The invention will be explained in more detail by means of concrete embodiments with reference to the accompanying drawings. The examples shown represent preferred embodiments of the invention. Functionally identical elements have the same reference numerals in the figures. Show it:

1 die Seitenansicht eines Magnetjochs mit Welle, Fixier- und Ausrichtungsvorrichtung; 1 the side view of a magnetic yoke with shaft, fixing and alignment device;

2 eine Schnittansicht durch das Magnetjoch mit Spule und Welle; 2 a sectional view through the magnetic yoke with coil and shaft;

3 eine Seitenansicht des Magnetjochs mit Permanentmagneten, Welle, Fixier- und Ausrichtungsvorrichtung; 3 a side view of the magnetic yoke with permanent magnet, shaft, fixing and aligning device;

4 eine Schnittansicht des Magnetjochs mit Permanentmagnet und Welle. 4 a sectional view of the magnetic yoke with permanent magnet and shaft.

1 zeigt eine Seitenansicht des Lagers mit einer Welle 3, einem Magnetjoch 1, einer ringförmigen Spule 2, einer Fixiervorrichtung 7 und der Ausrichtungsvorrichtung 5. 2 zeigt eine Schnittansicht der Welle 3, des Magnetjochs 1, der ringförmigen Spule 2 und dem ersten Spalt 6. 2 verdeutlicht, dass die ringförmige Spule 2 um das Magnetjoch 1 herum angeordnet ist. Die Spule 2 kann eine Kupferspule oder eine supraleitende Spule sein. Im Falle einer Kupferspule beträgt der erste Abstand 6 typischerweise 1 mm, im Falle der supraleitenden Spule beträgt der erste Abstand 6 typischerweise 1 mm bis 5 cm. Der zweite Abstand 7 beträgt insbesondere 80% des ersten Abstands 6. Der Durchmesser der Welle 3 beträgt insbesondere zwischen 5 cm und 3m. Der Außendurchmesser des Magnetjochs 1 ist 20% bis 30% größer als der Durchmesser der Welle 3. 1 shows a side view of the bearing with a shaft 3 , a magnetic yoke 1 , an annular coil 2 , a fixing device 7 and the alignment device 5 , 2 shows a sectional view of the shaft 3 , the magnetic yoke 1 , the annular coil 2 and the first gap 6 , 2 clarifies that the annular coil 2 around the magnetic yoke 1 is arranged around. The sink 2 may be a copper coil or a superconducting coil. In the case of a copper coil, the first distance is 6 typically 1 mm, in the case of the superconducting coil is the first distance 6 typically 1 mm to 5 cm. The second distance 7 is in particular 80% of the first distance 6 , The diameter of the shaft 3 in particular between 5 cm and 3m. The outer diameter of the magnetic yoke 1 is 20% to 30% larger than the diameter of the shaft 3 ,

Der sich bildende magnetische Kreis 4 wird über das Magnetjoch 1, die Welle 3 und den ersten Spalt 6 geschlossen. Es entsteht eine der Schwerkraft entgegen wirkende Kraft. Diese Kraft entlastet das Lager. Insbesondere beim Anlaufen des Lagers wird das Lager entlastet, so dass Verschleißerscheinungen deutlich verringert werden. The forming magnetic circle 4 is over the magnetic yoke 1 , the wave 3 and the first gap 6 closed. It creates a counteracting force of gravity. This force relieves the bearing. In particular, when starting the camp, the bearing is relieved, so that signs of wear are significantly reduced.

Die Welle 3 ist typischerweise eine ferromagnetische Stahlwelle. Um im magnetischen Kreis 4 Verluste durch Wirbelströme zu vermindern, wird die äußere Schicht der Welle 3 als Blechpaket ausgeführt. Dieses Blechpaket dient als Isolationsschicht und unterbindet den Stromfluss. Alternativ ist es möglich, die Welle 3 aus einem elektrisch nicht, bzw. kaum leitenden Material auszubilden. Typischerweise werden als Materialien Faserverbundstoffe oder Edelstahl eingesetzt. The wave 3 is typically a ferromagnetic steel shaft. To be in the magnetic circuit 4 Reducing losses due to eddy currents becomes the outer layer of the shaft 3 designed as a laminated core. This laminated core serves as an insulating layer and prevents the flow of current. Alternatively, it is possible the shaft 3 form an electrically non-conductive or hardly conductive material. Typically, fiber composites or stainless steel are used as materials.

Für das Magnetjoch 1 und die Ausrichtungsvorrichtung 5 wird typischerweise Stahl als Material eingesetzt. For the magnetic yoke 1 and the alignment device 5 typically steel is used as material.

3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lagers. Im Unterschied zu 1 und 2 wird das magnetische Feld durch Permanentmagneten 9, 10 erzeugt. In 4 ist zu sehen, dass diese Permanentmagneten 9, 10 derart angeordnet sind, dass sie die Schenkel des U-Profils des Magnetjochs 1 in Richtung Welle 3 verlängern. Weiterhin ist die Polarität des ersten und zweiten Permanentmagneten 9, 10 gegenüber der Welle 3 entgegengesetzt. Dies ist zweckmäßigerweise der Fall, damit sich der magnetische Kreis 4 über das Magnetjoch 1 und die Welle 3 ausbildet. Die sich ausbildende magnetische Kraft wirkt entgegengesetzt der Schwerkraft und entlastet das Lager bzw. die Welle 3. Verschleißerscheinungen werden vorteilhaft vermieden. 3 and 4 show a further embodiment of the camp. In contrast to 1 and 2 the magnetic field becomes permanent magnet 9 . 10 generated. In 4 you can see that these permanent magnets 9 . 10 are arranged so that they are the legs of the U-profile of the magnetic yoke 1 in the direction of the wave 3 extend. Furthermore, the polarity of the first and second permanent magnets 9 . 10 opposite the wave 3 opposed. This is suitably the case, so that the magnetic circuit 4 over the magnetic yoke 1 and the wave 3 formed. The forming magnetic force acts opposite to gravity and relieves the bearing or the shaft 3 , Wear phenomena are advantageously avoided.

Der Durchmesser der Welle 3 beträgt insbesondere zwischen 5 cm und 3 m. Der Außendurchmesser des Magnetjochs 1 ist dann, analog zum Ausführungsbeispiel in 1 und 2, 20% bis 30% größer als der Durchmesser der Welle 3. The diameter of the shaft 3 in particular between 5 cm and 3 m. The outer diameter of the magnetic yoke 1 is then, analogous to the embodiment in 1 and 2 , 20% to 30% larger than the diameter of the shaft 3 ,

Claims

Device for supporting a shaft ( 3 ) with - a vertically above the shaft ( 3 ) arranged magnetic yoke ( 1 ) with U-profile, wherein an opening of the U-profile to the shaft ( 3 ) and the magnetic yoke ( 1 ) with its longitudinal side axially to the shaft ( 3 ), - at least a first means ( 2 . 9 . 20 ) for generating a magnetic circuit ( 4 ), where the magnetic circuit ( 4 ) from the magnetic yoke ( 1 ) to the shaft ( 3 ) over a first gap ( 6 ), and - a second means ( 7 ) for fixing the magnetic yoke ( 1 ) vertically above the shaft ( 3 ).

Apparatus according to claim 1, wherein the first means comprises an annular coil ( 2 ), which around the longitudinal side of the magnetic yoke ( 1 ) axially to the shaft ( 3 ) is arranged.

Device according to claim 1 or 2, wherein the first means comprises at least a first and a second permanent magnet ( 9 . 10 ) which engage a first and second radially disposed leg of the U-profile of the magnetic yoke ( 1 ) connect.

Device according to claim 3, wherein the polarity of the first permanent magnet ( 9 ) on the first leg opposite to the polarity of the second permanent magnet ( 10 ) on the second leg.

Device according to one of the preceding claims, comprising a third means ( 5 ) for moving the magnetic yoke ( 1 ) opposite the shaft ( 3 ).

Apparatus according to claim 5, wherein the third means ( 5 ) fixed with the second means ( 7 ) connected is.

Device according to one of the preceding claims, wherein the first gap ( 6 ) is filled with a fluid.

Apparatus according to claim 7, wherein the first gap ( 6 ) with air ( 8th ) is filled.

Device according to one of the preceding claims with a control unit for regulating the magnetic circuit ( 4 ), wherein the first gap ( 6 ) is adjustable by means of the control unit.