Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von aufeinander zustellbaren, achsparallel gelagerten Walzen zur Erzeugung eines über die Walzenlänge gleichmäßig verteilten Preßdrucks für die Behandlung von bahnförmigen Materialien.

Derartige Walzenanordnungen sind z.B. in der Textilindustrie als Foulard und in der Papierindustrie als Kalander bekannt und kommen darüber hinaus auch in der Leder- und Kunststoffverarbeitung sowie in der Metallurgie zur Anwendung.

Bei der Auslegung und im Betrieb derartiger Walzenanordnungen bereitet die Herstellung und Aufrechterhaltung eines über die Arbeitsbreite der Walzen konstanten bzw. gleichförmig verteilten Preßdrucks im Arbeitsspalt Schwierigkeiten.

Diese werden im wesentlichen dadurch verursacht, daß die erforderliche Anpreßkraft in voller

Höhe auf die Walzen an ihren Wellenenden eingeleitet wird. Dadurch kommt es infolge der

Zusammendrückung an den Wellenenden zu einer Auswölbung der Walzen in entgegengesetzter Richtung, welche in axialer Mitte am größten ist. Aus diesem Grunde nimmt der Preßdruck zwischen den Walzen zur Mitte hin ab, wenn keine geeigneten

Gegenmaßnahmen getroffen werden.

So ist es bekannt, den Walzenkörper ballig zu schleifen, um die Auswölbung auszugleichen. Abgesehen von dem hohen fertigungstechnischen Aufwand, wird mit einer solchen Maßnahme nur bei einer bestimmten Anpreßkraft eine gleichmäßige Verteilung des Anpreßdrucks längs des Arbeitsspalts erreicht.

Ist die Anpreßkraft kleiner, so nimmt der Anpreßdruck zur Walzenmitte hin zu, ist er größer, so nimmt er in gleicher Richtung ab.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bekannt, die Druckwalze als Hohlzylinder auszubilden und mit einer feststehenden Welle, einem sogenannten Querhaupt, zu versehen, auf den der

Hohlzylinder an seinen Enden drehbar gelagert ist. Die Anpreßkraft wird an den Enden der feststehenden Welle eingeleitet, wobei sich diese zusammen mit dem Hohlzylinder in der zur einwirkenden Kraft entgegengesetzten Richtung auswölbt

Der Auswolbung des Hohlzylinders wird nun dadurch entgegengewirkt, daß der Raum zwischen feststehender Welle und dem Hohlzylinder längs in zwei Kammern aufgeteilt wird Die der Gegenwalze benachbarte Kammer ist mit einem Druckmedium gefüllt, mit Hilfe dess in dieser Kammer ein Überdruck aufgebaut wird Dadurch wölbt sich der Hohlzylinder in diesem Bereich gegen die feststehende Welle aus, womit die durch die Anpreßkraft verursac Auswölbung kompensiert wird Die Abdichtung der Druckkammer gegen die in Umfangrichtung benachbarte, unter Normaldruck stehende Kammer bereitet erhebliche Schwierigkeiten, sowohl bei der Herstellung als auch beim Betrieb der Walze Besonders betroffen hiervon ist die auf Gleitreibung beanspruchte Dichtungsstelle an der inneren Mantelflache des Hohlzylinders Um diese Schwierigkeiten zu beheben, ist es bekannt, die Dichtungs- und die Lagerfunktion trennen, indem im Bereich der Druckkammer statt einer Druckflussigkeit hydraulische oder pneumatische Druckelemente über die Walzenlänge verteilt zwischen feststehender Welle un Hohlzylinder angeordnet werden, die direkt auf den Arbeitsspalt, also die Beruhrungslinie mit der Gegenwalze, zur Einwirkung gebracht werden Aber auch hier hat sich bei einer Vielzahl unterschiedlicher Ausfuhrungen herausgestellt, daß im Betrieb der Walzen Undichtigkeiten der Druckelemente und Verschleißerscheinungen in den Stützlagern der Druckelemente an den inneren Mantelflächen des rotierenden Hohlzylinders auftreten, welche aufwendige Instandhaltungsarbeiten erforderlich machen

Es sind daher bereits verschiedene Walzenanordnungen bekannt geworden, die diese Nachteil dadurch vermeiden, daß die Auflagerkräfte zwischen den Druckelementen und der inneren Mantelflache des Hohlzylinders von einem Magnetkissen, d h einem Magnetfeld zwischen zwei entgegengesetzt gepolten Magneten, aufgenommen werden Eine solche Walzenanordnung ist z B in der Patentschrift DE 391 84 13 beschrieben Zur Verwendung kommen dabei vorzugsweise Dauermagnete

Es sind auch Walzenanordnungen bekannt, in denen die inneren Gegenkräfte für die Kompensation der Durchbiegung elektromagnetisch erzeugt werden. Ein Gegenlager für die Übertragung dieser Kräfte von der feststehenden Welle auf den Hohlzylinder ist dabei nicht

mehr erforderlich. Eine solche Walzenanordnung ist in der Patentschrift DE 321 28 34 beschrieben. Hierbei erfolgt die Kompensation der Durchbiegung gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Hohlzylinders, so daß eine Deformation in Umfangrichtung weitgehend vermieden werden kann. Die feststehende Welle ist dabei als Polträger ausgebildet, auf dem die Erregerwicklungen für die Erzeugung des Magnetfeldes angeordnet sind. Wegen der bei Belastung entstehenden Auswölbung der Welle ist ein relativ großer radialer Abstand zwischen ihrem äußeren Umfang und der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders erforderlich, da eine Berührung mit Sicherheit ausgeschlossen werden muß. Diesem radialen Abstand entspricht in dieser Anordnung aber gerade der Luftspalt des magnetischen Kreises, durch den bei vorgegebener Kompensationskraft die notwendige magnetische Durchflutung und damit die Höhe des dafür erforderlichen Stromes in den Erregerwicklungen bestimmt wird.

Nachteilig an dieser Walzenanordnung ist daher, daß ein hinsichtlich Betriebskosten unverhältnismäßig hoher Energiebedarf für die Erzeugung des magnetischen Feldes entsteht. Hinzu kommt, daß die radialen Abmessungen und die Masse der Walze durch die für einen wirksamen magnetischen Rückschluß erforderliche radiale Dicke des Walzenmantels erheblich vergrößert werden.

Wie alle Kompensationswalzen hat auch diese Walzenanordnung den Nachteil, daß die Preßkräfte über die Endlager der feststehenden Welle eingetragen werden müssen, was relativ breite Lager und stabile Walzengerüste und damit einen hohen konstruktiven Materialaufwand im Bereich der Walzenenden bedingt.

Diese Nachteile vermeidet eine elektromagnetische Preßwalze, die in der US- Patentschrift 345 65 82 beschrieben ist.

Hier werden beide, auf den Arbeitsspalt wirkende Walzen in den Magnetkreis einbezogen, wobei der Magnetkern mit den Erregerwicklungen in der einen Walze und der magnetische Rückschluß in der anderen Walze angeordnet ist. Die Masse des Magnetkreises ist somit auf beide Walzen verteilt. Der Arbeitsspalt zwischen den Walzen bildet in dieser Anordnung einen Teil des Luftspaltes des Magnetkreises. Die Größe dieses Luftspaltes ist weitgehend unabhängig von der maximal auftretenden Belastung bzw. einer entsprechenden Auswölbung der Walzenwelle. Schon allein deswegen, weil eine solche Auswölbung nicht mehr auftritt.

Die Preßkrafte werden nun nicht mehr von außen über die Walzenlager in den Arbeitsspalt eingetragen, sondern im Luftspalt des Magnetkreises und damit im Arbeitsspalt selbst auf de ganzen magnetisch beaufschlagten Breite der Walze erzeugt

Die Lager sind damit von den Preßkräften entlastet und müssen nur noch für die Eigenmasse der Walzen und die Antriebsleistung ausgelegt werden Eine Belastung der Walzen führt dab zu einer Verringerung des Luftspalts infolge der Zusammendruckung des Walzenbelags und des bandförmigen Materials und damit insgesamt zu einer Verringerung des Energiebedarfs f die Erzeugung des magnetischen Feldes In der genannten Patentschrift ist vorgesehen, den Magnetkreis in Walzenlangsrichtung in ei Vielzahl axial nebeneinander angeordneter, voneinander unabhängiger Einzelmagnetkreise aufzuteilen Durch deren unterschiedliche Erregung kann eine beliebige Verteilung des Preßdrucks über die Arbeitsbreite der Walze hergestellt werden, soweit sie technologisch erwünscht ist Allerdings wird diese Möglichkeit durch die Tatsache begrenzt, daß der magnetisch wirksame Luftspalt, der den notwendigen Erregerstrom in seiner Gesamtheit und damit den Energiebedarf und die Masse der Erregerwicklung bestimmt, gleich der feldstarkegewichteten Summe der Luftspalte der einzelnen Magnetkreise ist Je feiner sich de Preßdruck längs des Arbeitsspaltes einstellen lassen soll, je großer also die Anzahl der Einzelmagnetkreise ist, desto hoher wird somit zwangsläufig auch der Energiebedarf für die Erzeugung eines bestimmten, effektiven Mittelwerts dieses Preßdruckes Das gleiche gilt auc für die Masse des Spulenmaterials, da jede Spule für die volle Luftspaltdurchflutung ausgeleg sein muß

Der Nachteil der Walzenanordnung gemäß dem US Patent 345 65 82 besteht nun im wesentlichen darin, daß aufgrund der konstruktiven Ausbildung der Einzelmagnetkreise der Gesamtmagnetkreis grundsatzlich aus einer Vielzahl von axial nebeneinander angeordneten u voneinander unabhängigen Einzelmagnetkreisen bestehen muß, so daß zwangsläufig ein unverhältnismäßig hoher Energiebedarf auch für die Erzeugung eines längs des Arbeitsspalts konstanten Preßdrucks entsteht Hinzu kommt, daß das eingesetzte Magnetmaterial nur zu einem Bruchteil genutzt wird, nämlich in der magnetisch aktiven Zone des Walzenumfangs Diese befindet sich dort, wo der Magnetfluß durch den Luftspalt von der einen Walze in die andere Walze übertritt Diese aktive Zone stellt abhangig vom Durchmesserverhältnis der beiden Walzen einen mehr oder weniger schmalen Kreissektor beiderseits des Arbeitsspaltes bzw der Verbindungslinie zwischen den Walzenmittelpunkten dar Bei rotierender Walze

kommt diese jedoch mit ihrem Umfang abschnittsweise nacheinander in diese aktive Zone Deshalb muß das magnetisch leitende Material über dem gesamten Querschnitt der Walze jeweils für die volle magnetische Beanspruchung bemessen sein Daraus ergibt sich ein unverhältnismäßig hoher Materialbedarf und eine entsprechend große, auf die Lange bezogene Masse der Walze

Die Erfindung hat das Ziel, den Materialbedarf für die Herstellung und den Energiebedarf für den Betrieb einer elektromagnetischen Preßwalze in entscheidendem Maße zu senken

Der Erfindung egt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung des Magnetkreises anzugeben, die es gestattet, das Magnetmaterial der Walze auch dort hochgradig auszunutzen, wo es sich im Umfangsbereich der Walze außerhalb der eigentlichen Arbeitszone des Luftspalts befindet Dabei soll eine Steuerung der Luftspaltinduktion längs des Arbeitsspaltes möglich sein, ohne daß dazu voneinander getrennte und für sich allein erregbare Magnetkreise erforderlich sind

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 genannten Mitteln gelost

Durch den an seinem Umfang geschlossenen Magnetmantel über der Walze wird erreicht, daß der magnetische Fluß, welcher den Arbeitsluftspalt im Umfangsbereich der aktiven Zone durchflutet und dort die Anpreßkraft erzeugt, sich auf seinem Weg durch den Magnetkreis von bzw zur Erregerwicklung gleichmaßig über den gesamten Umfang der Walze verteilen kann Auf diese Weise entsteht ein großer tragender, kontinuierlich und gleichmaßig belasteter Querschnitt des Magnetleiters und ein entsprechend niedriger Materialbedarf für den Aufbau des Magnetkreises

Unter Verwendung der in den Unteranspruchen aufgeführten Mittel ist dabei eine Gestaltung und Auslegung des Magnetmantels möglich, mit denen es gelingt, das Magnet ateπal unabhängig von seiner momentanen Lage beim Betrieb der Walzen in hohem Maße auszunutzen und die dabei infolge der Rotation der Walzen auftretenden Wirbelstromverluste zu minimieren

Durch Unterteilung des Magnetkreises in mehrere parallele Zweige mit Hilfe mehrerer flanschfbrmiger Schenkel wird dabei eine gleichmaßige axiale Verteilung des aus der Erregerspule austretenden Flusses auf den Magnetmantel erreicht Dazu sind die

flanschfbrmigen Schenkel an ihrem inneren Umfang mit dem Magnetkern und an ihrem äußeren Umfang mit dem Magnetmantel magnetisch leitend verbunden

Auch eine Variation der magnetischen Feldstarke längs des Arbeitsspaltes der Walze ist möglich, ohne daß hierzu zusatzliche, voneinander getrennte Magnetkreise benotigt werden Dies wird dadurch erreicht, daß zwischen den Schenkeln paralleler Zweige des Magnetkreise relativ leistungsarme Steuerwicklungen angeordnet werden, mit denen je nach dem, ob eine Verstärkung oder eine Schwächung der Feldstarke längs des Arbeitsspaltes zu den Randern Walze hin beabsichtigt ist, eine zur Erregerwicklung gleichgerichtete oder entgegengesetzte Durchflutung in den Magnetkreis eingespeist wird Für die Erzeugung einer gleichmaßig übe die axiale Lange des Arbeitsluftspalts veränderlichen Induktion ist vorgesehen, daß der Magnetmantel im Gebiet zwischen zwei Magnetschenkeln, in dem sich eine Nebenschlußwicklung befindet, einen ringförmigen Luftspalt aufweist, der nicht breiter als de Arbeitsluftspalt ist Damit wird erreicht, daß sich die Durchflutung der Nebenschlußwicklung als zusätzliche Durchflutung im Arbeitsluftspalt verstärkend bzw schwächend auswirken kan Gleichzeitig wird damit eine Aufteilung des magnetischen Flusses auf den Magnetmantel erreicht dergestalt, daß jedem einspeisenden Magnet Schenkel ein bestimmter Teil des Magnetmantels fest zugeordnet ist Durch eine solche Flußaufteilung ist eine optimale Materialausnutzung und eine Minimierung der Erregerleistung möglich

Der Magnetkreis verbindet die beiden durch den Arbeitsspalt mechanisch voneinander getrennten Walzen der Walzenanordnung magnetisch untereinander In seiner Grundform besteht der Magnetkreis aus einem aktiven und einem passiven Teil, zwischen denen der Arbeitsluftspalt angeordnet ist Der aktive Teil befindet sich in der Walze, welche die Erregerwicklung enthalt Er setzt sich zusammen aus dem von der Erregerwicklung umschlossenen Magnetkern, den flanschfbrmigen Magnetschenkeln und dem durch den ringförmigen, radial über der Erregerwicklung angeordneten Nebenluftspalt in zwei Polflache entgegengesetzter Polarität aufgeteilten Magnetmantel Der passive Teil befindet sich in der Walze, welche keine Erregerwicklung enthalt Er besteht aus dem axial durchgehenden Magnetmantel, der hier den magnetischen Ruckschluß zwischen den beiden Polflachen des aktiven Teils herstellt

Der gesamte magnetische Fluß, der aus der Polfläche auf der einen Seite des ringförmigen Nebenluftspaltes aus dem Magnetmantel des aktiven Teils durch den Arbeitsluftspalt in den Magnetmantel des passiven Teils eingetreten ist, gelangt durch den magnetischen Rückschluß auf die andere Seite des ringförmigen Nebenluftspalts. Er durchflutet von dort nochmals den Arbeitsluftspalt und tritt dabei in die andere Polfläche des Magnetmantels des aktiven Teils des Magnetkreises ein. Der Arbeitsluftspalt wird somit auf seiner gesamten Länge, mit der er sich über die ganze Arbeitsbreite der Walzen erstreckt, nur einmal in zwei benachbarten Teilabschnitten gegensinnig durchflutet. Die für die ganze Erregerleistung insgesamt wirksame Luftspaltdicke beträgt somit im Unterschied zu der bereits bekannten Anordnung nur einmal das Doppelte der Dicke des geometrischen Luftspalts. Die Unterteilung des Arbeitsluftspaltes auf seiner Länge in mehrere Abschnitte und deren Zuordnung zu voneinander unabhängigen Magnetkreisen bedingt dagegen ein Mehrfaches der gemäß der Erfindung erforderlichen Erregerleistung.

In besonderen Fällen, insbesondere bei auftretenden Kühlungsproblemen, kann es vorteilhaft sein, auch die zweite Walze als aktive Walze auszubilden. Die Erregerleistung wird dadurch zwar nicht verändert, kann dann aber gleichmäßig auf beide Walzen verteilt werden. Der magnetische Kreis besteht in diesem Fall aus zwei magnetisch in Reihe geschalteten Teilkreisen, die sich mit entgegengesetzter Polarität gegenüberstehen.

Außer durch die Erregerleistung wird der Energiebedarf der Walzenanordnung durch Wirbelstromverluste bestimmt, die durch induzierte Spannungen in allen elektrisch leitenden Teilen der Walzenkonstruktion hervorgerufen werden, in denen sich das magnetische Feld bei der Drehung der Walzen bewegt bzw. die sich selbst relativ zum magnetischen Feld bewegen.

Nach an sich bekannten Bauregeln werden die Wirbelstromverluste dadurch auf ein vertretbares Maß abgesenkt, daß die betroffenen Konstruktionsteile aus dünnen, gegeneinander elektrisch isolierten Blechen oder Platten zusammengesetzt sind. Die Blech- bzw. Plattenebene ist dabei so angeordnet, daß sie mit der Ebene zusammenfallt, welche zwischen den Richtungen der Relativgeschwindigkeit der Bewegungen und des magnetischen Flusses aufgespannt ist. Dabei sind die gegenseitigen Bewegungen des betrachteten Bauteils und des in ihm vorhandenen Feldvektors in die Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors einzubeziehen.

Der Flußvektor hat in den unterschiedlichen Gebieten des Magnetkreises axiale, radiale bzw tangentiale Richtung Für den Aufbau der einzelnen Bauteile aus gegeneinander isolierten Schichten von Magnetmaterial stehen mehrere konstruktive Ebenen zur Verfügung, die sich i axialer, radialer oder in tangentialer Richtung erstrecken Bei der diesbezüglichen Gestaltung des Magnetkreises hat es sich als vorteilhaft herausgestell den Magnetmantel aus zwei koaxialen, radial benachbarten Zylindern aufzubauen

Dabei dient der innere Zylinder bei Verwendung üblichen Magnetmaterials der Verteilung des magnetischen Flusses in axialer Richtung, wahrend der äußere Zylinder die Zuführung des magnetischen Flusses zum Arbeitsluftspalt übernimmt, wobei der magnetische Fluß hier vorwiegend in tangentialer und in radialer Richtung fließt

Der innere Zylinder des Magnetmantels ist aus bahn- bzw bandförmigem, elektrisch isolierte Material aufgewickelt, wobei die elektrische Isolierung aus nichtmagnetischem Material besteht Damit wird erreicht, daß sich der magnetische Fluß hier vorwiegend in axialer Richtung ausbildet Nur in den radial äußeren Randzonen des inneren Zylinders wird der Fluß in radiale Richtung auf den äußeren Zylinder des Magnetmantels zu umgelenkt Zusatzlich zur axialen Fuhrung des Flusses wird durch die lagenweise gewickelte Anordnung des bahnformigen, isolierten Magnetmaterials erreicht, daß Wirbelstrome und durch sie verursach Erregerverluste weitgehend unterdruckt werden Die zylinderformig gekrümmten Bahnen liegen genau in der durch die Richtungen von Geschwindigkeit und magnetischem Fluß aufgespannten Ebene Hierbei wird davon ausgegangen, daß das magnetische Feld als ortlich stationär betrachtet werden kann und der innere Zylinder des Magnetmantels eine Drehbewegung ausführt

Längs der äußeren Mantelflache des inneren Zylinders tπtt der magnetische Fluß radial in den äußeren Zylinder des Magnetmantels ein Der äußere Zylinder ist aus dünnen kreisringfor igen, elektrisch gegeneinander isolierten Scheiben aufgebaut, die in axialen Ebenen aneinander geschichtet sind Die elektrische Isolierung besteht aus nichtmagnetischem Material Durch diesen schichtweisen Aufbau des äußeren Zylinders wird erreicht, daß der magnetische Fluß in radialer und in Umfangsrichtung unter gleichmaßiger Nutzung des

Magnetmantels dem Arbeitsluftspalt zugeführt wird. Ein magnetischer Querfluß wird dabei weitgehend unterdrückt.

Am Übergang zwischen innerem und äußerem Zylinder und im Bereich der aktiven Zone hat der Fluß radiale Richtung, dazwischen fließt er in Umfangsrichtung. Somit liegen die isolierten, kreisringformigen Scheiben in der durch die Richtungen von magnetischem Fluß und Geschwindigkeit aufgespannten Ebene, so daß mit der Flußführung nicht nur eine gleichmäßige Flußverteilung sondern auch die angestrebte Minimierung der Wirbelstromverluste erreicht wird. Hierbei wird ebenfalls davon ausgegangen, daß das magnetische Feld als örtlich stationär betrachtet werden kann und der äußere Zylinder des Magnetmantels eine Drehbewegung ausführt.

An der äußeren Mantelfläche des radial inneren Zylinders zeigt die magnetische Feldstärke in radiale Richtung. Daher wird hier eine elektrische Spannung induziert, deren Feldstärke in axialer Richtung liegt.

Diese Spannung wird hier jedoch nicht durch elektrische Auftrennung der wirksamen Induktionslänge in elektrisch isolierte Teilstrecken minimiert. Sie liegt vielmehr in voller Höhe zwischen den Enden der zylinderformig aufgewickelten Blechbänder an. Solange diese Spannungen aber am Umfang überall gleich sind, können sie keinen Strom antreiben und sind somit unschädlich.

Dies trifft für jede Windung des Mantels zwar annähernd zu. Von Blechwindung zu Blechwindung ergeben sich jedoch Spannungsunterschiede, da die radiale Komponente der magnetischen Feldstärke von der äußeren Mantelfläche nach radial innen abnimmt. Durch diese Spannungsunterschiede werden Ausgleichströme zwischen den Blechwindungen angetrieben, die zusätzliche Energieverluste hervorrufen und gleichzeitig die gleichmäßige Flußverteilung stören.

Um diese Ausgleichsströme zu unterdrücken, kann es vorteilhaft sein, den radial innen liegenden Zylinder des Magnetmantels aus gegeneinander elektrisch isolierten Zylinderschalen aufzubauen, die in Umfangsrichtung nebeneinander und in radialer Richtung in mehreren Schichten übereinander angeordnet sind.

Der zylinderförmige Spalt über dem radial inneren Zylinder kann in diesem Fall als eine Bandage ausgebildet sein, welche die Zylinderschalen formschlüssig aufeinanderpreßt.

Durch den ringförmigen Nebenluftspalt zwischen den beiden Teilen des Magnetmantels der aktiven Walze geht ein Teil des Flusses für die Erzeugung der Anpreßkraft verloren Um diesen Anteil möglichst gering zu halten, kann der Nebenluftspalt entsprechend groß bemess werden Dadurch geht aber wirksame Arbeitsluftspaltlange verloren Es kann daher vorteilha sein, den Abstand zwischen den kreisscheibenförmigen Blechen des radial äußeren Zylinders des Magnetmantels zum Nebenluftspalt hin zu vergrößern Damit wird erreicht, daß die magnetische Querleitfahigkeit des äußeren Zylinders des Magnetmantels zum Nebenluftspalt hin verringert und damit ein zu großer magnetischer Querabfluß wirksam unterdruckt wird

Die Voraussetzung eines ortlichen stationären magnetischen Feldes gilt nur für eine Walzenanordnung, in welcher die Erregerwicklung selbst keine Drehbewegung ausführt Die ist zum Beispiel der Fall bei einer Walze mit einem feststehenden Querhaupt, auf welchem de Magnetmantel drehbar gelagert ist und auf dem die Erregerwicklung mit dem Magnetkern un den flanschfbrmigen Magnetschenkeln verdrehfest angeordnet sind

Fuhrt die Erregerwicklung eine Drehbewegung aus, so dreht sich mit ihr auch das von ihr erzeugte magnetische Feld

Jedes geschlossene Flußelement ist für sich mit einem bestimmten Umfangselement der Erregerwicklung verkettet und folgt mit seinem Weg durch den Magnetkreis der Bewegung dieses Elements Dabei kann davon ausgegangen werden, daß eine Relativbewegung zwische magnetischem Flußvektor und Bauteilen der Walze und damit die Induktion von Wirbelstromen überall da ausgeschlossen ist, wo der Fluß radialsymmetrisch verteilt ist Dies gilt in jeder Ausführung der erfindungsgemaßen Walzenanordnung für den Magnetkern und d flanschfbrmigen Magnetschenkel

In einer, besonders vorteilhaften Ausführung der Walzenanordnung wird dies auch für den inneren Zylinder des Magnetmantels erreicht Dazu ist zwischen dem radial inneren und dem radial äußeren Zylinder des Magnetmantels ein zylinderformiger Spalt aus nichtmagnetischem Material mit einer im Vergleich zum Arbeitsluftspalt geringen Breite vorgesehen

Damit wird am Übergang zwischen den beiden Zylindern des Magnetmantels eine radialsymmetrische Flußverteilung erzwungen, die eine am ganzen Umfang konstante

Flußdichte hervorruft, deren Vektor ausschließlich in radiale Richtung zeigt. In dieser Anordnung kann daher nicht nur der Magnetkern zusammen mit den flanschfbrmigen Magnetschenkeln sondern auch der innere Zylinder des Magnetmantels aus massivem ferromagnetischen Material bestehen. Im radial äußeren Zylinder des Magnetmantels ändert das Flußelement wegen der gleichmäßigen axialen Flußverteilung im zylinderförmigem Spalt seine axiale Lage bei Drehung der Walze nicht. Es verändert sich lediglich die Lage seines Wegs in Umfangrichtung von radial außen nach radial innen, wenn das mit ihm verkettete Umfangselement der Erregerwicklung sich auf die aktive Zone der Walzenanordnung, also auf den Arbeitsluftspalt, zubewegt. Dabei wandert das Flußelement gleichzeitig am Umfang vom Rand in das Zentrum der aktiven Zone. Durch diese Relativbewegungen des Feldstärkevektors werden im äußeren Zylinder des Magnetmantels Spannungen induziert, deren elektrischer Feldstärkenvektor in axiale Richtung zeigt. Die Ausbildung von Wirbelströmen wird aber durch die axiale Schichtung des Magnetmaterials wirksam unterbunden. Durch die in der Regel nichtmagnetische elektrische Isolierung zwischen den Magnetblechen des radial innen liegenden Zylinders des Magnetmantels ergibt sich mit zunehmender Entfernung vom einspeisenden Magnetschenkel eine Zunahme des wirksamen magnetischen Luftspaltes auf dem Weg des Flusses in den zylinderförmigen Spalt. Einer dadurch bedingten Abnahme der radialen Flußdichte in axialer Richtung kann dadurch begegnet werden, daß die Wandstärke des zylinderförmigen Spaltes in dieser Richtung entsprechend reduziert wird. Vorteilhaft kann es aber bei vorhandenem zylinderförmigen Spalt auch sein, die elektrische Isolierung des Bleches aus magnetisch leitendem Material, z.B. geeigneten Metalloxyden, herzustellen.

Soll auf den zylinderförmigen Spalt zwischen den Zylindern des Magnetmantels verzichtet werden, so kann eine gleichmäßige Flußverteilung in Umfangs- und Axialrichtung auch dadurch erzwungen werden, daß der radial innere Zylinder aus streifenförmigen, gegeneinander elektrisch und magnetisch isolierten Blechen aufgebaut ist, welche in Umfangsrichtung aneinander geschichtet sind. In diesem Fall können sich die induzierten Spannungen zwar voll wirksam ausbilden. Sie treiben jedoch in der Blechebene Kreisströme an, die in entgegengesetztem Drehsinn das Blech durchfluten. Durch eine geeignete Dimensionierung der Blechstreifen, insbesondere durch eine elektrisch wirksame, magnetisch aber unbedeutende Unterteilung der Blechstreifen in mehrere axiale Abschnitte unterschiedlicher Länge, kann

dafür gesorgt werden, daß sich die induzierten Spannungen in ihren Wirkungen weitgehend aufheben

Außer der Wanderung in radialer und in Umfangsrichtung findet keine weitere Bewegung de magnetischen Feldstarkevektors statt Das magnetische Feld tritt daher nach außen (relativ z einem festen Raumpunkt) als Rotationsfeld in Erscheinung Dabei ist die Rotationsgeschwindigkeit des Feldstarkevektors im Bereich der aktiven Zone bedeutend kleiner als die Rotationsgeschwindigkeit der Walze, so daß das Feld als annähernd stationär betrachtet werden kann Dieser Sachverhalt kann vorteilhaft genutzt werden, wenn die passi Walze mit einem zweiteiligen Magnetmantel versehen ist, dessen innerer Zylinder feststeht Zwischen beiden Zylindern ist ein zylinderf rmiger Spalt angeordnet Der äußere Zylinder ist drehbar auf dem inneren Zylinder gelagert Dieser wird von einem feststehenden Querhaupt getragen

Nur der innere Zylinder des Magnetmantels dient hier als magnetischer Rückschluß Da das magnetische Feld als quasi stationär zu betrachten ist, kann er aus massivem ferromagnetisch Material bestehen

Der äußere Zylinder übertragt den magnetischen Fluß auf den Arbeitsluftspalt und dient der Erzeugung der Anpreßkraft zwischen den rotierenden Walzen Bei seiner Bewegung im annähernd stationären Luftspaltfeld wird eine Spannung erzeugt, deren elektrischer Feldstarkevektor in axiale Richtung zeigt

Eine wirksame Unterdrückung von Wirbelstromen kann sowohl durch eine axiale Schichtung als auch durch eine Schichtung in Umfangsrichtung erreicht werden Sowohl Aufbau der Schichtung als auch Materialdicke des äußeren Zylinders können dabei ausschließlich nach mechanischen Gesichtspunkten bestimmt werden

Der Aufbau des äußeren Zylinders aus streifenformigen elektrisch gegeneinander isolierten Blechen, die in Umfangsrichtung aneinander geschichtet sind, kann vorteilhaft sein, wenn es auf eine hohe Biegesteifigkeit und Formbeständigkeit des Walzenmantels ankommt Bei diesem Aufbau des Zylinders ist ein ringförmiger Spalt aus nicht magnetischem Material etwa in axialer Mitte des Magnetmantels vorgesehen, der schmaler, höchstens gleich breit wie der ringförmige Nebenluftspalt im Magnetmantel der zum aktiven Magnetkreis gehörenden Walze ist Damit wird erreicht, daß der magnetische Fluß den äußeren Zylinder nur in radialer

Richtung durchflutet und eine ortliche Überlastung des Magnetmaterials durch zusatzliche axiale Flußanteile nicht eintreten kann

Kann das magnetische Feld aufgrund einer nicht mehr vernachlassigbaren Umfangsgeschwindigkeit des Feldstarkevektors nicht mehr als stationär betrachtet werden, so muß auch der innere Zylinder des Magnetmantels der passiven Walze einen geschichteten Aufbau erhalten, um Wirbelstromverluste zu vermeiden Die Schichtung muß in radialer Richtung erfolgen, da der Feldstarkevektor in axiale Richtung weist und sich in Umfangsrichtung bewegt Der innere Zylinder ist daher zweckmäßig aus dünnem, elektrisch isoliertem Blech aufgewickelt

Dabei ist es weiterhin zweckmäßig, den inneren und den äußeren Zylinder auf ihren einander zugewandten Seiten so auszubilden, daß sie als koaxiale Zylinder auf der ganzen magnetisch wirksamen Polbreite des Magnetkreises kegelförmig aneinandergrenzen Und zwar jeweils gegenläufig auf jeder der beiden Polseiten dergestalt, daß der Außendurchmesser des inneren Zylinders mit zunehmendem Fluß zunimmt bzw mit abnehmendem Fluß abnimmt Damit wird eine gleichmaßige Flußverteilung, insbesondere an den Stellen erreicht, an welchen der magnetische Fluß aus der radialen in die axiale Richtung bzw von der axialen in die radiale Richtung umgelenkt wird Gleichzeitig wird damit erreicht, daß der Fluß stets parallel zu den Blechschichten verlauft, so daß keine zusatzlichen Wirbelstromverluste auftreten Außerdem wird damit erreicht, daß der Fluß nicht durch die unmagnetische elektrische Isolierung der Bleche hindurchtreten muß, womit eine unerwünschte Erhöhung der Erregerleistung vermieden wird

Ein besonders einfacher Aufbau des Magnetmantels laßt sich mit einem bahn- bzw bandförmigen Magnetmantel erreichen, welches eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt, wenn dabei gleichzeitig ein Isoliermaterial Verwendung findet, welches magnetisch leitend ist Die elektrische Leitfähigkeit des Magnetmaterials ist dabei so gering, daß die in der Schichtebene erzeugten elektrischen Spannungen keine nennenswerten Wirbelstrome antreiben können Andererseits muß die magnetische Leitfähigkeit der elektrischen Isolierung so groß sein, daß sie dem magnetischen Fluß quer zur Schichtungsebene einen nur geringen Widerstand entgegensetzt, der die Erregerleistung nicht merklich erhöht Die gewünschten elektrischen Eigenschaften hat amorphes Magnetmaterial, sogenanntes Glasmetall, das in dünnen Bandern durch Abschrecken aus der Schmelze hergestellt wird Als magnetisch leitendes Isoliermaterial

kommen verschiedene ferritische Werkstoffe in Betracht, mit welchen das bandförmige Magnetmaterial durch Aufdampfen beschichtet werden kann

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel naher erläutert Die zugehörigen Zeichnungen zeigen Fig 1 den Magnetkreis und das Flußschema im Längsschnitt der Walzenanordnung Fig 2 den Magnetkreis und das Flußschema in zwei ausgewählten Querschnitten der Walzenanordnung

Im Flußschema geben Pfeile die Richtung des magnetischen Flusses in der Zeichenebene, Kreuze und Punkte die Richtung des Flusses senkrecht zur Zeichenebene an Dabei bedeutet das Kreuz einen von oben in die Zeichenebene eintretenden, der Punkt einen senkrecht von unten aus der Zeichenebene austretenden Flußvektor Analoges gilt für den Vektor der elektrischen Stromdichte in der Erregerwicklung

Die elektromagnetische Walzenanordnung besteht aus der magnetisch passiven Walze 1 und der magnetisch aktiven Walze 2 mit der Erregerwicklung 3 und den Steuerwicklungen 14 Die Walzen 1 und 2 sind durch den Magnetkreis der Walzenanordnung aufeinander abrollbar untereinander verbunden und an den Wellenzapfen 16 und 17 aufeinander zustellbar gelagert In der erfindungsgemaßen Anordnung besteht der Magnetkreis aus dem durchgehenden in einer Richtung durchfluteten, zylindrischen Magnetkern 4, den flanschförmig vom Magnetker abgehenden Magnet schenkein 5 und dem zylindrischen Magnetmantel 7 auf der Seite der aktiven Walze 2, dem durchgangig in einer Richtung durchfluteten Magnetmantel 6 auf der Seite der passiven Walze 1 und der aktiven Zone mit dem Luftspalt 8 zwischen den Magnetmanteln 6 und 7

Der Luftspalt 8 ist der eigentliche Arbeitsluftspalt im Magnetkreis der Walzenanordnung In diesem Luftspalt wird beim Durchtritt des magnetischen Flusses eine Anziehungskraft zwischen den beiden Walzen 1 und 2 erzeugt, die bestrebt ist, die Lange des Flußweges durch den Luftspalt zu verkurzen

Diese Kraft wirkt als Preßkraft auf den Arbeitsspalt 13 der Walzenanordnung Sie ist proportional dem Quadrat der Flußdichte und der Querschnittsflache des Luftspaltes 8 in der Symmetrieebene der aktiven Zone α

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Maßgebend für die eletromagnetisch wirksame Größe des Luftspalts 8 sind die Arbeitsbeläge 8.1 und 8.2 der Walzen 1 und 2, die in diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar auf die Magnetmäntel 6 und 7 aufgebracht sind. Je dicker diese Arbeitsbeläge sind, desto höher wird die für die Erzeugung einer gewünschten Preßkraft die erforderliche Erregerleistung.

Außer dem Arbeitsluftspalt 8 sind in dem Magnetkreis weitere Luftspalte vorgesehen. Sie dienen der Verteilung und Lenkung des magnetischen Flusses. Als Luftspalt wird dabei im folgenden ein zwischen zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter magnetischer Körper befindlicher Spalt aus nichtmagnetischem Material bezeichnet. Der Magnetmantel 7 der aktiven Walze 2 besteht in seinem radialen Aufbau aus den radial benachbarten koaxialen Zylindern 7.1 und 7.2 und dem zwischen diesen Zylindern angeordneten zylindrischen Luftspalt 7.3 konstanter Breite. Im axialen Aufbau des Magnetmantels 7 bilden zwei durch den ringförmigen Nebenluftspalt 1 1 voneinander getrennte, gleich große Magnetmantelteile 9 und 10 die aktiven Pole des Magnetkreises. Der Magnetkern 4, die Magnetschenkel 5 und der radial innere Zylinder 7.1 des

Magnetmantels 7 bestehen aus massivem feromagnetischen Material. Der äußere Zylinder 7.2 des Magnetmantels ist aus kreisringförmigen, elektrisch voneinander isolierten magnetischen Blechen bzw. Platten aufgebaut, die axial aneinander geschichtet und zu einem für sich tragfahigen Paket zusammengepreßt bzw. verklebt sind. Der Magnetmantel 6 der magnetisch passiven Walze ist aus zwei radial kegelförmig aneinandergrenzenden Zylindern 6.1 und 6.2 aufgebaut. Dabei nimmt der Außendurchmesser des radial inneren Zylinders 6.1 bzw. der Innendurchmesser des radial äußeren Zylinders 6.2 von den Rändern zur Mitte der Walze hin ab. Zwischen beiden Zylindern ist zweckmäßig ein sehr schmaler, kegelförmiger Luftspalt 6.3 angeordnet.

Der radial innere Zylinder 6.1 ist aus bandförmigem, elektrisch isoliertem Magnetmaterial auf einem Tragrohr 12 aus nichtmagnetischem Material aufgewickelt.

Der radial äußere Zylinder 6.2 ist aus kreisringförmigen Blechen bzw Platten aufgebaut, die analog zum Zylinder 7.2 axial aneinander geschichtet und zusammengepreßt bzw. verklebt sind.

Der Magnetmantel 6 der passiven Walze bildet den axial durchgängigen Rückschluß des Magnetkreises, der den Arbeitsluftspalt 8 auf seiner ganzen Länge und Tiefe vollständig

abdeckt Damit kann sich in Walzenlangsrichtung zwischen den Walzen ein Luftspaltfeld aus¬ bilden, das über den aktiven Polen des Magnetkreises entgegengesetzt gleich groß und längs der Magnetmantelteile (Polflächen) 9 und 10 konstant ist Die durch dieses Luftspaltfeld im Arbeitsspalt 13 zwischen den Walzen 1 und 2 pro Längeneinheit erzeugte Anpreßkraft ist somit in Walzenlangsrichtung ebenfalls konstant Nur im axialen Bereich des Nebenluft Spaltes 1 1 wird die Anpreßkraft nicht "vor Ort" erzeugt Sie muß daher über die Magnetmantel 6 und 7 sowie eine tragende, den Nebenluftspalt 1 1 ausfüllende Brücke von den Polflachen 9 und 10 auf dieses axiale Gebiet des Arbeitsspaltes 1 mechanisch übertragen werden In eben diesem Gebiet, d h in axialer Mitte der Walzen 1 und 2, ist die Erregerwicklung 3 symmetrisch zum ringförmigen Nebenluftspalt 11 angeordnet, wo sie den Kern 4 zwischen zwei flanschfbrmigen Magnetschenkeln 5 zylinderformig umschließt

Mit dieser Anordnung der Erregerwicklung wird ein symmetrischer Aufbau des Magnetfeldes im Magnetkreis der Walzenanordnung und eine gleichmaßige Verteilung des magnetischen Flusses auf die einzelnen Bauteile ermöglicht

Die magnetische Durchflutung des Magnetkreises wird durch den elektrischen Strom in der Erregerwicklung hervorgerufen Damit wird die magnetische Urspannung erzeugt, die den Fluß auf seinem Weg durch den Magnetkreis antreibt und dabei als Umlaufspannung verbraucht wird Wegen der hohen Permeabilität des Magnetmaterials fallt dabei die Umlaufspannung nur über den Wegstrecken ab, die durch Luftspalte verlaufen Dadurch bilde sich an den sich gegenüberliegenden Grenzflachen der Luftspalte konstante magnetische Potentiale unterschiedlicher Hohe aus Deshalb ist die magnetische Feldstarke längs eines Luftspaltes immer konstant Aus diesem Grunde muß sich der magnetische Fluß zwangsläufig gleichmaßig längs eines Luftspaltes verteilen

Die Flußverteilung im erfindungsgemaßen magnetischen Kreis ist in Fig 1 im Längsschnitt un in Fig 2 im Querschnitt der Walzenanordnung schematisch dargestellt Der im Magnetkern 4 gebündelte magnetische Fluß tritt auf der einen Polseite aus der Erregerwicklung 3 aus und verteilt sich in Umfangsrichtung gleichmaßig auf die flanschfbrmigen Magnetschenkel 5

Diese gleichmaßige Flußverteilung wird durch den zylinderfbrmigen Luftspalt 7 3 des Magnetmantels 7 erzwungen

Dorthin gelangt der magnetische Fluß durch den inneren Zylinder des Magnetmantels, wo er sich nach Maßgabe konstanter Feldstärke längs des Luftspaltes axial gleichmäßig verteilt Dabei wird er aus der axialen in die radiale Strömungsrichtung umgelenkt

Der über die ganze Mantelfläche des Luftspaltes gleichmaßig verteilte Fluß tritt nun in den äußeren Zylinder des Magnetmantels ein und wird dort in Umfangsrichtung auf den Arbeitsluftspalt 8 des Magnetkreises hin umgelenkt Dabei nimmt die Flußdichte im äußeren Zylinder 7 2 des Magnetmantels 7 in Umfangsrichtung bis in das Grenzgebiet der aktiven Zone α des Magnetkreises zu

Innerhalb der aktiven Zone α tritt der Fluß an dem durch den Magnetmantelteil 9 gebildeten aktiven Pol des Magnetkreises in radialer Richtung durch den Arbeitsluftspalt 8 in den Magnetmantel 6 der passiven Walze 1 über Im äußeren Zylinder 6 2 des Magnetmantels 6 wird der Fluß in Umfangsrichtung umgelenkt Dabei verteilt sich der Fluß gleichmaßig am inneren Umfang des äußeren Zylinders 6 2 des Magnetmantels 6 Gleichzeitig wird er in radialer Richtung zum inneren Zylinder 6 1 des Magnetmantels 6 hin umgelenkt Durch den kegelförmigen Luftspalt 6 3 tritt der Fluß in den inneren Zylinder 6 1 des Magnetmantels 6 ein Dabei wird er aus der radialen in die axiale Stromungsrichtung umgelenkt Infolge der radialen Zuflüsse aus dem äußeren Zylinder 6 2 wachst der Fluß zur axialen Mitte des Magnetmantels 6 hin an In gleicher Richtung nimmt aber auch der Außendurchmesser des inneren Zylinders zu, so daß Flußdichte und Materialbelastung konstant bleiben Auf der anderen Hälfte des Magnetmantels 6 nimmt der Fluß im inneren Zylinder 6 1 infolge der am Umfang gleichmäßig verteilten radialen Abflüsse in den äußeren Zylinder 6 2 wieder ab Entsprechend wird hier der Außendurchmesser des inneren Zylinders zum Walzenende hin wieder kleiner

Im äußeren Zylinder 6 2 wird der durch den kegelförmigen Luftspalt 6 3 radial aus dem inneren Zylinder 6 1 austretende Fluß in Umfangsrichtung zur aktiven Zone α hin umgelenkt Von dort tritt er an dem durch den Magnetmantelteil 10 gebildeten aktiven Pol des Magnetkreises durch den Arbeitsluftspalt 8 hindurch wieder in den Magnetmantel 7 der magnetisch aktiven Walze 2 ein Vom äußeren Zylinder 7 2 gelangt der Fluß - bei weiter gleichmaßiger Verteilung auf alle

betroffenen Bauteile - durch den zylinderformigen Luftspalt 7 3, über den inneren Zylinder 7 und die flanschfbrmigen Magnetschenkel 5 wieder zurück in den Magnetkern 4, wo sich unt der Erregerwicklung 3 die Umlaufwege aller Flußlinien schließen

Da der magnetische Fluß im Magnetkern mit der Entfernung von der Erregerwicklung hinter jedem der flanschfbrmigen Magnetschenkel 5 um den Betrag des radialen Ab- bzw Zuflusses abnimmt, kann analog zum inneren Zylinder 6 1 des Magnetmantels 6 der flußleitende Querschnitt des Kerns 4 zu den Enden der Walze 2 hin stufenweise verjungt werden Wie in Fig 1 auf einer Hälfte der aktiven Walze 2 gezeigt ist, kann damit eine wesentlich bessere Ausnutzung des Kernmaterials und eine bedeutend geringere Masse des Magnetkerns erreich werden

Soll sich die magnetische Feldstarke im Arbeitsluftspalt 8 in Walzenlangsrichtung andern, z B um eine zu den Walzenenden hin abnehmende Preßkraft im Arbeitsspalt 13 der Walzen zu erhalten, so sind hierfür die Steuerwicklungen 14 vorgesehen, die in diesem Fall in dem zur Erregerwicklung entgegengesetzten Sinne zu erregen sind Damit wird in der Steuerwicklung eine zur Erregerwicklung entgegengerichtete Durchflutung hervorgerufen Um aus dieser Gegendurchflutung eine auf den gesamten Magnetkreis wirkende magnetische Gegenurspannung zu erzeugen, ist im inneren Zylinder 7 1 über jeder Steuerwicklung 14 jeweils ein ringförmiger Steuerluftspalt 15 vorgesehen Dieser Steuerluftspalt ist zweckmäßig mindestens doppelt so breit wie der zylinderformige Luftspalt 7 3, aber nicht breiter als der Arbeitsluftspalt 8

Damit wird auf jedem beliebigen Umlaufweg durch das Magnetfeld, der die Steuerwicklung einschließt, die treibende magnetische Urspannung um den Betrag der Gegendurchflutung vermindert Die magnetische Feldstarke im Arbeitsluftspalt wird dadurch im axialen Bereich der Steuerwicklung, genauer im axialen Bereich zwischen zwei Steuerluftspalten, entsprechen abgesenkt Auch der Fluß im Magnetkern wird dadurch entsprechend verringert Er wechselt dabei aber an keiner Stelle seine Richtung, solange die Gegendurchflutung der Steuerwicklungen nicht großer als die Durchflutung der Erregerwicklung ist