CH678090A5

CH678090A5 -

Info

Publication number: CH678090A5
Application number: CH432388A
Authority: CH
Inventors: Alfons Traxler; Dieter Vischer; Hannes Bleuler
Original assignee: Mecos Traxler Ag
Priority date: 1988-11-22
Filing date: 1988-11-22
Publication date: 1991-07-31
Also published as: DE3937687A1

Description

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

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CH 678 090 A5 CH 678 090 A5

Beschreibung description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungsfreien Tragen von Objekten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein nach diesem Verfahren arbeitendes Magnetlager. The present invention relates to a method for the contact-free carrying of objects according to the preamble of claim 1 and a magnetic bearing working according to this method.

Zur elektromagnetischen Lagerung von Maschinenteilen werden Systeme verwendet, bei denen die Lage des zu lagernden Objektes mittels berührungsfreier Positionssensoren erfasst wird. Solche Systeme werden vorzugsweise für die berührungsfreie oder schwebende Lagerung von Rotoren und für Magnetschwebebahnen eingesetzt. In derartigen Systemen werden allerdings manchmal auch die Geschwindigkeiten gemessen. Die Signale oder Zustandsgrössen werden einem Regler zugeführt, der mit Hilfe von Leistungsverstärkern die Ströme und Spannungen in den Elektromagneten derart steuert, dass das zu lagernde Objekt stabil schwebt. Systems are used for the electromagnetic storage of machine parts, in which the position of the object to be stored is detected by means of non-contact position sensors. Such systems are preferably used for the contact-free or floating bearing of rotors and for magnetic levitation trains. However, speeds are sometimes measured in such systems. The signals or state variables are fed to a controller, which uses power amplifiers to control the currents and voltages in the electromagnets in such a way that the object to be stored hovers in a stable manner.

Ein solches System nach dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der Dissertation Nr. 7573 (1984), Seite 9, der ETH, Zürich, von Dr. Hannes Bleuler, und aus der Dissertation Nr. 7851 (1985), Seite 1, der ETH, Zürich, von Dr. Alfons Traxler, bekannt. Solche Systeme weisen mindestens einen Elektromagnet auf, der durch die Wirkung seines Magnetfelds berührungsfrei einen Rotor tragt. Die geometrische Abweichung der wirklichen momentanen Position x der Rotorachse in bezug auf ihre ideale richtig zentrierte Lage wird von einem Positionssensor erfasst, der ein Signal abgibt, das einem Regler zugeführt wird, der dieses Signal mit einem Referenzsignal vergleicht. Das Ausgangssignal dieses Reglers wird einem Leistungsverstärker zugeführt, der den Strom für den Elektromagnet liefert. Such a system according to the state of the art is, for example, from Doctoral Thesis No. 7573 (1984), page 9, of the ETH, Zurich, by Dr. Hannes Bleuler, and from the dissertation No. 7851 (1985), page 1, of the ETH, Zurich, by Dr. Alfons Traxler, known. Such systems have at least one electromagnet which carries a rotor without contact due to the effect of its magnetic field. The geometric deviation of the actual instantaneous position x of the rotor axis in relation to its ideal, correctly centered position is detected by a position sensor which emits a signal which is fed to a controller which compares this signal with a reference signal. The output signal of this controller is fed to a power amplifier, which supplies the current for the electromagnet.

In der deutschen Patentschrift DT 2 919 236 wird ein klassisches System mit Positionssensoren beschrieben, mit deren Hilfe eine direkte Messung der Position des Rotors durchgeführt wird, und in der deutschen Patentschrift DT 2 825 877 wird ein spezieller Sensor mit Scheiben angegeben, mit dem die radiale Auslenkung und somit die Position des Rotors gemessen wird. The German patent specification DT 2 919 236 describes a classic system with position sensors, with the aid of which a direct measurement of the position of the rotor is carried out, and the German patent specification DT 2 825 877 specifies a special sensor with disks with which the radial Deflection and thus the position of the rotor is measured.

Aus der japanischen Patentpublikation Nr. 61-24 816 ist schliesslich ein System bekannt, das anstelle von einem Positionssensor mit einem Geschwindigkeitssensor (speed sensor) arbeitet. Finally, a system is known from Japanese Patent Publication No. 61-24816, which works with a speed sensor instead of a position sensor.

Solche Systeme funktionieren an sich sehr gut, haben aber den Nachteil, dass die Kosten für den Positionssensor für die Zustandsgrösse einen beträchtlichen Teil der Kosten für die Magnetlagerung ausmachen, insbesondere wenn man bedenkt, dass normalerweise mehrere Sensoren benötigt werden, und zwar meistens zwei für die horizontale und zwei für die vertikale Auslenkung des Rotors. Diese Positionssensoren brauchen zudem viel Platz neben den Elektromagneten. Speziell bei Rotorlagerungen wird dadurch die Baulänge des Rotors vergrössert, was sich wiederum ungünstig auf die dynamischen Eigenschaften auswirkt. Ausserdem erfassen die Positionssensoren die Zustandsgrössen nicht dort wo die Kräfte der Lagermagnete angreifen, was bei der Lagerung elastischer Rotoren zu Schwierigkeiten bei der Regelung fuhren kann. Such systems work very well in themselves, but have the disadvantage that the cost of the position sensor for the state size is a significant part of the cost of the magnetic bearing, especially when you consider that normally several sensors are required, usually two for the horizontal and two for the vertical deflection of the rotor. These position sensors also take up a lot of space next to the electromagnets. Especially in the case of rotor bearings, the overall length of the rotor is increased, which in turn has an unfavorable effect on the dynamic properties. In addition, the position sensors do not record the state variables where the forces of the bearing magnets attack, which can lead to control problems when elastic rotors are supported.

Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, durch welches solche Nachteile vermieden werden. It is therefore a purpose of the present invention to provide a method by which such disadvantages are avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren gelöst, bei dem, um die Verwendung von Sensoren zur Messung von Positionssignalen und/oder von Geschwindigkeitssignalen als Eingangs-grössen des Reglers zu vermeiden, der Regler von mindestens einem Signal y beaufschlagt wird, das der Grösse des durch die Wicklung eines Elektromagneten fliessenden Stromes i bzw. in, ip entspricht, und bei dem der Regier ein Ausgangssignal S erzeugt, das der momentanen, die Schwebeposition stabilisierenden Spannung für diese Wicklung entspricht. This object is achieved according to the invention by a method in which, in order to avoid the use of sensors for measuring position signals and / or speed signals as input variables of the controller, the controller is acted upon by at least one signal y which corresponds to the size of the the winding of an electromagnet flowing current i or in corresponds to, ip, and in which the governor generates an output signal S which corresponds to the instantaneous voltage which stabilizes the floating position for this winding.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Regler derart ausgestaltet werden, dass seine Übertragungsfunktion H(s) mindestens den Grad der folgenden Übertragungsfunktion b2. s2 + b-L . s + b0 H(s) = In a further embodiment of the invention, the controller can be designed such that its transfer function H (s) is at least the degree of the following transfer function b2. s2 + b-L. s + b0 H (s) =

. s + a0 . s + a0

aufweist, die zur Bestimmung des Signals S = Sb = H(s).y dient, worin s die aus der Laplace-Transforma-tion bekannte Frequenzbereich-Variable und bo, bi, b2, ao und ai konstante Koeffizienten sind. which is used to determine the signal S = Sb = H (s) .y, where s is the frequency range variable known from the Laplace transformation and bo, bi, b2, ao and ai are constant coefficients.

in weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Regler von einem zweiten Signal y' beaufschlagt werden, das der Grösse des durch die Wicklung eines zweiten Elektromagneten fliessenden Stromes entspricht. In a further embodiment of the invention, the controller can be acted upon by a second signal y ', which corresponds to the size of the current flowing through the winding of a second electromagnet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zusätzlich zu diesem Signal y und/oder y' die Flussdichte oder Induktion B im Luftspalt gemessen werden, woraus ein Signal Sm und/oder Sm' gewonnen wird, das dem Regler als weitere Eingangsgrösse für die Regelstrecke zugeführt wird, um eine Vereinfachung des Reglers und eine Verbesserung des Regelverhaltens zu erreichen. In a further embodiment of the invention, in addition to this signal y and / or y ', the flux density or induction B in the air gap can be measured, from which a signal Sm and / or Sm' is obtained, which is fed to the controller as a further input variable for the controlled system, in order to simplify the controller and improve the control behavior.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann in einer Signalvorbehandlungsschaltung aus diesen Signalen ein weiteres Signal z gemäss der Gleichung z = ki-Sm-k2-y oder z = kt' • (Sra - Sm') - k2 • (y - y') oder In a further embodiment of the invention, in a signal pre-treatment circuit, a further signal z can be made from these signals according to the equation z = ki-Sm-k2-y or z = kt '• (Sra - Sm') - k2 • (y - y ') or

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

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z « ki' • Sm - k2' • Sa oder z = ki'-(Sm-Sm') —k'-Sa gewonnen werden, das als Positionssignal dient, worin kr, k2, kf und k2' Konstanten sind. z «ki '• Sm - k2' • Sa or z = ki '- (Sm-Sm') —k'-Sa, which serves as a position signal in which kr, k2, kf and k2 'are constants.

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: The invention is explained in more detail below, for example, using a drawing. It shows:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Systems zur elektromagnetischen Lagerung nach dem Stand der Technik, 1 is a schematic representation of a system for electromagnetic storage according to the prior art,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Systems zur elektromagnetischen Lagerung nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem Elektromagnet und ohne Sensoren, 2 shows the schematic representation of a system for electromagnetic storage according to a first embodiment of the present invention with an electromagnet and without sensors,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Systems zur elektromagnetischen Lagerung nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung mit zwei Elektromagneten und ohne Sensoren, 3 shows the schematic representation of a system for electromagnetic storage according to a second embodiment of the present invention with two electromagnets and without sensors,

Fig. 4 die schematische Darstellung eines Systems zur elektromagnetischen Lagerung nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem Elektromagnet und einer Hallsonde statt eines Positionssensors, 4 shows the schematic representation of a system for electromagnetic storage according to a third embodiment of the present invention with an electromagnet and a Hall probe instead of a position sensor,

Fig. 5 die schematische Darstellung eines Systems zur elektromagnetischen Lagerung nach einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem Elektromagnet und einer Hallsonde statt eines Positionssensors und mit einer Signaivorbehandlungsschaltung, 5 shows the schematic representation of a system for electromagnetic storage according to a fourth embodiment of the present invention with an electromagnet and a Hall probe instead of a position sensor and with a signal pretreatment circuit,

Fig. 6 die schematische Darstellung eines Systems zur elektromagnetischen Lagerung nach einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung mit zwei Elektromagneten und zwei Hallsonden statt zwei Positionssensoren, 6 shows the schematic representation of a system for electromagnetic storage according to a fifth embodiment of the present invention with two electromagnets and two Hall probes instead of two position sensors,

Fig. 7 die schematische Darstellung eines Systems zur elektromagnetischen Lagerung nach einer sechsten Ausführung der vorliegenden Erfindung mit zwei Elektromagneten und zwei Hallsonden statt zwei Positionssensoren und mit einer Signaivorbehandlungsschaltung. Fig. 7 is a schematic representation of a system for electromagnetic storage according to a sixth embodiment of the present invention with two electromagnets and two Hall probes instead of two position sensors and with a signal pretreatment circuit.

Fig. 8 die schematische Darstellung eines Systems zur elektromagnetischen Lagerung nach einer siebenten Ausführung der vorliegenden Erfindung mit zwei Elektromagneten, die teilweise mit Dauermagneten versehen sind. Fig. 8 is a schematic representation of a system for electromagnetic storage according to a seventh embodiment of the present invention with two electromagnets, some of which are provided with permanent magnets.

Die bekannte Ausführung nach Fig. 1 weist einen Elektromagnet 1 auf, der mit seinem Magnetfeld berührungsfrei einen Rotor 4 trägt. Die geometrische Abweichung der wirklichen momentanen Position x der Rotorachse in bezug auf ihre ideale richtig zentrierte Lage wird von einem Sensor 6 erfasst, der ein Signal Sx abgibt, das einem Regler 5 zugeführt wird, der dieses Signal Sx mit einem Referenzsignal Sr vergleicht. Das Ausgangssignal Sa dieses Reglers 5 wird einem Leistungsverstärker 3 zugeführt, der den Strom i für den Elektromagnet 1 liefert. Dieses System arbeitet in der Weise, dass der Regelkreis, wenn die Auslenkung (Position x) des Rotors 4 nach oben zu gross ist, den Strom i vermindert, um die Anziehungskraft zu verringern, damit der Rotor 4 nach unten fällt. Wenn der Rotor 4 zu weit nach unten gefallen ist, so wird dies vom Sensor 6 erfasst, der bewirkt, dass der Strom i vergrössert wird, um die Anziehungskraft zu erhöhen. Dadurch entsteht ein dynamischer Prozess mit dem Ergebnis, dàss der Rotor 4 frei schwebt, ohne den Elektromagnet 1 zu berühren. Für die Stabilität des Systems wird allerdings noch ein zusätzliches sogenanntes Dämpfungsglied benötigt. The known embodiment according to FIG. 1 has an electromagnet 1 which carries a rotor 4 with its magnetic field without contact. The geometric deviation of the actual instantaneous position x of the rotor axis with respect to its ideal, correctly centered position is detected by a sensor 6 which emits a signal Sx which is fed to a controller 5 which compares this signal Sx with a reference signal Sr. The output signal Sa of this controller 5 is fed to a power amplifier 3, which supplies the current i for the electromagnet 1. This system works in such a way that when the deflection (position x) of the rotor 4 is too large upwards, the control loop reduces the current i in order to reduce the attractive force so that the rotor 4 falls down. If the rotor 4 has dropped too far, this is detected by the sensor 6, which causes the current i to be increased in order to increase the attractive force. This creates a dynamic process with the result that the rotor 4 floats freely without touching the electromagnet 1. However, an additional so-called attenuator is required for the stability of the system.

Die erfindungsgemässe Ausführung nach Fig. 2 weist einen Verstärker 23 auf, dessen Ausgang über eine Messeinrichtung 22 mit dem einen Ende der Wicklung 20 eines Elektromagneten 21 verbunden ist, deren anderes Ende geerdet ist. Die Messeinrichtung 22, die beispielsweise einen Shunt aufweisen kann, ist an sich bekannt und liefert ein Signal y an einen Regler 25, dessen Ausgangssignal S = Sb dem Eingang des Verstärkers 23 zugeführt wird. In dieser Ausführung erfährt der Rotor 24 nach wie vor eine momentane Auslenkung bei der Position x, die aber im Gegensatz zum Stand der Technik (Fig. 1) nicht gemessen wird. Die Messeinrichtung 22 lässt den Strom i praktisch unverändert durchgehen (Fig. 2), das heisst ohne ihn merklich zu vermindern, und liefert das Informationssignal y, das einen Messwert des Stromes i darstellt. Dabei erzeugt der Regler 25 ein Signal Sb, das der gewünschten Spannung entspricht, die jeweils an der Wicklung 21 anliegen muss, um die Schwebeposition des Rotors zu stabilisieren. 2 has an amplifier 23, the output of which is connected via a measuring device 22 to one end of the winding 20 of an electromagnet 21, the other end of which is grounded. The measuring device 22, which may have a shunt, for example, is known per se and supplies a signal y to a controller 25, the output signal S = Sb of which is fed to the input of the amplifier 23. In this embodiment, the rotor 24 still experiences a momentary deflection at the position x, which, in contrast to the prior art (FIG. 1), is not measured. The measuring device 22 allows the current i to pass through practically unchanged (FIG. 2), that is to say without noticeably reducing it, and supplies the information signal y which represents a measured value of the current i. The controller 25 generates a signal Sb which corresponds to the desired voltage, which must be applied to the winding 21 in order to stabilize the floating position of the rotor.

Der Regler 25 in Fig. 2 ist etwas anders aufgebaut als der Regler 5 in Fig. 1, der ein normaler Regler mit einer Übertragungsfunktion der Form: The controller 25 in FIG. 2 is constructed somewhat differently from the controller 5 in FIG. 1, which is a normal controller with a transfer function of the form:

bi'- s + bo' bi'- s + bo '

ist, worin s die aus der Laplace-Transformation bekannte Frequenzbereich-Variable und bf und bo' Konstanten sind. Die Übertragungsfunktion H(s) des Reglers 25 nach der vorliegenden Erfindung hat hingegen im einfachsten Fall die Form where s is the frequency domain variable known from the Laplace transform and bf and bo 'constants. The transfer function H (s) of the controller 25 according to the present invention, however, has the form in the simplest case

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

CH 678 090 A5 CH 678 090 A5

H(S) = H (S) =

+ br + br

Die Übertragungsfunktion dient zur Bestimmung des Signalwertes S = Sb = H(s)-y. The transfer function is used to determine the signal value S = Sb = H (s) -y.

In der Dissertation Nr. 8665 der ETH von Dr. Dieter Vischer, Seite 38, sind die konstanten Koeffizienten bo, bt, ba, ao und ai für ein numerisches Beispiel derart ausgerechnet, dass ein solcher Regler 25 die gegebene Regelstrecke stabilisiert. Dies stellt somit die einfachste Form des sensorlosen Ma-gnetiagers mit Regler dar. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann dieses Verfahren auch für Zu-standsregler mit vollständigem oder reduziertem Beobachter verwendet oder auf Mehrgrössen-Syste-me erweitert werden. Die erwähnte Dissertation Nr. 8665 von Vischer wird nach dem Anmeldetag der vorliegenden Erfindung publiziert werden, und ihr Inhalt soll als hier inbegriffen gelten. In ETH's dissertation No. 8665 by Dr. Dieter Vischer, page 38, the constant coefficients bo, bt, ba, ao and ai are calculated for a numerical example in such a way that such a controller 25 stabilizes the given controlled system. This is therefore the simplest form of the sensorless magnetic diaphragm with a controller. In a further embodiment of the invention, this method can also be used for state controllers with a complete or reduced observer or can be expanded to multi-size systems. Vischer's dissertation no. 8665 will be published after the filing date of the present invention, and its contents are intended to be included here.

Durch die angegebene Übertragungsfunktion H(s) ist es möglich, dass der Regler 25 die im Signal y enthaltene Information derart auswertet, dass der Verstärker 23 richtig gesteuert wird, um das Signal Sb zu liefern, mit dem eine stabile Schwebe-Lage des Objektes 24 erreicht werden kann, das heisst, ohne die sonst üblichen Positionssensoren verwenden zu müssen. The specified transfer function H (s) makes it possible for the controller 25 to evaluate the information contained in the signal y in such a way that the amplifier 23 is correctly controlled in order to deliver the signal Sb with which the object 24 is in a stable floating position can be achieved, that is, without having to use the otherwise usual position sensors.

Die Ausführung nach Fig. 3 weist zwei entgegengesetzt wirkende Elektromagnete 31 und 31' auf. Dies erlaubt auf das Objekt 34 Kräfte in positiver und negativer x-Richtung auszuüben. Die Komponenten 31, 32 und 33 für die positive Kraft-Richtung werden sinngemäss durch die Komponenten 31', 32' und 33' für die negative Kraftrichtung ergänzt. Die Messeinrichtungen 32 und 32' erzeugen Signale y und y' mit Informationen über die Ströme ip und in. Sonst haben sie die gleiche Funktion wie die entsprechenden Komponenten in Fig. 2. Dabei genügt auch nur eine der zwei Messeinrichtungen 32 und 32'. 3 has two oppositely acting electromagnets 31 and 31 '. This allows the object 34 to exert forces in the positive and negative x-direction. Components 31, 32 and 33 for the positive direction of force are correspondingly supplemented by components 31 ', 32' and 33 'for the negative direction of force. The measuring devices 32 and 32 'generate signals y and y' with information about the currents ip and in. Otherwise they have the same function as the corresponding components in FIG. 2. Only one of the two measuring devices 32 and 32 'is sufficient.

Die Ausführungen nach Fig. 2 und 3 kommen also ohne Positionssensoren aus. Diese werden auch nicht etwa, wie in der Offenlegungsschrift DE-OS 2 537 597 beschrieben, durch eine aufmodulierte hochfrequente Komponente in den Lagerwicklungen oder Zusatzwicklungen ersetzt, wo also Sensor-und Aktuator-Funktion streng getrennt werden müssten. Vielmehr wird das Magnetlager als ein elektro-mechanischer Wandler betrachtet, der in beiden Richtungen (elektrisch-mechanisch und umgekehrt) gleichwertig arbeitet. 2 and 3 therefore do without position sensors. These are not replaced, for example, as described in the published patent application DE-OS 2 537 597, by a modulated high-frequency component in the bearing windings or additional windings, where sensor and actuator functions would have to be strictly separated. Rather, the magnetic bearing is viewed as an electro-mechanical converter that works equally well in both directions (electro-mechanical and vice versa).

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann als zusätzliche Information die magnetische Flussdichte im Magnetlager gemessen werden, was einfach und billig zu realisieren ist. Im Prinzip ist diese zusätzliche Messung keine notwendige Voraussetzung für das Funktionieren dieses Verfahrens, sie bringt aber in gewissen Fällen eine Verbesserung des Regelverhaltens mit sich. In a further embodiment of the invention, the magnetic flux density in the magnetic bearing can be measured as additional information, which is simple and inexpensive to implement. In principle, this additional measurement is not a necessary prerequisite for the functioning of this method, but it does bring about an improvement in the control behavior in certain cases.

Ein solches System mit einer Messsonde, beispielsweise einer Hallsonde, für die Messung der Induktion oder Flussdichte B ist in Fig. 4 dargestellt. Diese Ausführung weist einen Verstärker 43 auf, dessen Ausgang über eine Messeinrichtung 42 mit dem einen Ende der Wicklung 40 eines Elektromagneten 41 verbunden ist, deren anderes Ende geerdet ist. In dieser Ausführung wird die Induktion B mit Hilfe einer Hallsonde 46 zwischen dem Elektromagnet 41 und dem Rotor 44 gemessen. Das Messsignal Sm der Messsonde 46 wird ebenfalls einem Regler 45 zugeführt, mit dessen Ausgangssignal Sc der Verstärker 43 beaufschlagt wird. Der Regier 45 (Fig. 4) kann beispielsweise auch aus einer Signaivorbehandlungsschaltung 57 und einem Regler 55 nach Fig. 5 bestehen, in der ein System mit einem Verstärker 53, einer Messeinrichtung 52, einem Elektromagnet 51 und einer Hallsonde 56 dargestellt ist In diesem Fall kann der Regler 55 ähnlich wie der Regler 5 (Fig. 1 ) nach dem Stand der Technik sein. In der Schaltung 57 wird ein Signal z nach der folgenden Formel gewonnen: Such a system with a measuring probe, for example a Hall probe, for measuring the induction or flux density B is shown in FIG. 4. This embodiment has an amplifier 43, the output of which is connected via a measuring device 42 to one end of the winding 40 of an electromagnet 41, the other end of which is grounded. In this embodiment, induction B is measured with the aid of a Hall probe 46 between the electromagnet 41 and the rotor 44. The measurement signal Sm of the measurement probe 46 is also fed to a controller 45, the output signal Sc of which is applied to the amplifier 43. The regulator 45 (FIG. 4) can also consist, for example, of a signal pre-treatment circuit 57 and a regulator 55 according to FIG. 5, in which a system with an amplifier 53, a measuring device 52, an electromagnet 51 and a Hall probe 56 is shown. In this case The controller 55 can be similar to the controller 5 (FIG. 1) according to the prior art. A signal z is obtained in circuit 57 according to the following formula:

z = ki-Sm-k2-y worin Sm das Ausgangssignal der Hallsonde, y das Messsignal der Messeinrichtung 52, ki eine Konstante, die eine Angabe über die Empfindlichkeit der Flussdichtemessung enthält, und kz eine Konstante ist, bei der die Geometrie der Magnete eine Rolle spielt. Das Ausgangssignal S = Sa des Reglers 55 (Fig. 5) ist daher theoretisch gleich dem Ausgangssignal Sa des Reglers 5 (Fig. 1). Der Ausgang des Reglers 55 kann auch mit der Schaltung 57 rückgekoppelt sein, so dass für das Signal z der Ausdruck z = ki'-Sm - kï'Sa gilt, worin ki' und kz' weitere Konstanten sind. z = ki-Sm-k2-y where Sm is the output signal of the Hall probe, y the measurement signal of the measuring device 52, ki is a constant which contains an indication of the sensitivity of the flux density measurement, and kz is a constant at which the geometry of the magnets is one Role play. The output signal S = Sa of the controller 55 (FIG. 5) is therefore theoretically the same as the output signal Sa of the controller 5 (FIG. 1). The output of the controller 55 can also be fed back to the circuit 57, so that the expression z = ki'-Sm - kï'Sa applies to the signal z, in which ki 'and kz' are further constants.

Aus der Offenlegungsschrift DE-OS 3 323 244 ist eine elektromagnetische Lagerungseinrichtung bekannt, bei der die für die Lagerregelung notwendigen Bewegungsgrössen aus den Messgrössen des Spulenstroms des Tragmagneten und der Flussdichte sowie aus den weiteren magnetischen und elektrischen Messgrössen ermittelt werden. Die wichtigsten Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens gegenüber der in der DE-OS 3 323 244 angebenen Lösung sind: From the published patent application DE-OS 3 323 244 an electromagnetic bearing device is known, in which the movement quantities necessary for the bearing regulation are determined from the measured quantities of the coil current of the supporting magnet and the flux density as well as from the further magnetic and electrical measured quantities. The most important advantages of the method described here compared to the solution specified in DE-OS 3 323 244 are:

4 4th

5 5

10 10th

15 15

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25 25th

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35 35

40 40

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CH678 090 A5 CH678 090 A5

1.) Das neue Verfahren kommt auch ganz ohne B-Feldmessungen aus. 1.) The new method does not require any B-field measurements.

2.) Auch wenn eine zusätzliche B-Feldmessung verwendet wird, müssen die in der DE-OS 3 323 244 erwähnten 4 Zustandsgrössen (Luftspalt und seine drei Ableitungen sowie Absolut-Beschleunigung des bewegten Teiles) hier nicht bestimmt werden. Sie können, falls gewünscht, mit oder ohne B-Feid-Mes-sung rekonstruiert werden. 2.) Even if an additional B-field measurement is used, the 4 state variables mentioned in DE-OS 3 323 244 (air gap and its three derivatives and absolute acceleration of the moving part) need not be determined here. If desired, they can be reconstructed with or without a B-Feid measurement.

3.) Für die Berechnung der Position aus den Werten des Stromes und des B-Feldes wird nach der vorliegenden Erfindung eine sehr einfache algebraische Formel angegeben. Eine auf diesem Prinzip aufgebaute Regelung zeichnet sich durch ein sehr gutes Regelverhalten aus. 3.) According to the present invention, a very simple algebraic formula is given for calculating the position from the values of the current and the B field. A control system based on this principle is characterized by very good control behavior.

Das erfindungsgemässe Verfahren beruht also auf einer Reglerauslegung, die die Beobachtbarkeit der Regelstrecke «Magnetlager und bewegtes Objekt» mit Spannung als Eingang und Strom als Ausgang benutzt. «Beobachtbarkeit» ist im bekannten regelungstechnischen Sinne zu verstehen. Das bedeutet im konkreten Fall, dass alle Zustandsgrössen des Systems, also auch die Position und die Geschwindigkeit des bewegten Teiles im Regler ermittelt werden können. The method according to the invention is therefore based on a controller design that uses the observability of the controlled system “magnetic bearing and moving object” with voltage as input and current as output. “Observability” is to be understood in the well-known control engineering sense. In the specific case, this means that all state variables of the system, including the position and speed of the moving part, can be determined in the controller.

Das Verfahren hat den zusätzlichen Vorteil, Information über den Luftspalt am Ort des Lagermagneten zu verwenden, und zwar im Gegensatz zu Positionssensoren, die vom Lager getrennt sind und daher an einem anderen Ort als im Lager selbst messen. Die Grundgleichungen für ein Magnetlager sind sonst an sich bekannt und in der erwähnten Dissertation von Vischer zusammengefasst. Unter Vernachlässigung von Verlusten, wie Streuung, elektrischem Widerstand und Magnetisierungsenergie des Eisens, lauten sie: The method has the additional advantage of using information about the air gap at the location of the bearing magnet, in contrast to position sensors which are separate from the bearing and therefore measure at a different location than in the bearing itself. The basic equations for a magnetic bearing are otherwise known per se and summarized in the Vischer dissertation mentioned. Neglecting losses such as scattering, electrical resistance and magnetizing energy of iron, they are:

worin i = Strom, x = Position, F = Kraft, B = magnetische Flussdichte, u = Spannung und ki, ks, ke, ku = Konstanten im Arbeitspunkt sind. where i = current, x = position, F = force, B = magnetic flux density, u = voltage and ki, ks, ke, ku = constants at the operating point.

Die Regelstrecke «Magnetlager - bewegter Teil», mit einer Spannung u als Eingang und einem Lagermagnet-Wicklungsstrom i als Ausgang führt gemäss obigen Grundgleichungen und nach Normierung der Konstanten auf folgende Übertragungsfunktion (mit der Frequenzbereich-Variable s): The controlled system «magnetic bearing - moving part», with a voltage u as input and a bearing magnet winding current i as output, leads to the following transfer function (with the frequency range variable s) according to the above basic equations and after standardization of the constants:

i = (S2-1)-u/s3 i = (S2-1) -u / s3

Die Übertragungsfunktion der Regelstrecke «Magnetlager - bewegter Teil» ist allerdings scharf von der Übertragungsfunktion H(s) des Reglers, z.B. des Reglers 25, zu unterscheiden. However, the transfer function of the controlled system «magnetic bearing - moving part» is sharp from the transfer function H (s) of the controller, e.g. the controller 25 to distinguish.

Durch die Erfindung wurde die Erkenntnis gewonnen, dass der einfachste Regler für diese Magnetlager-Regelstrecke durch Methoden der Regeltheorie angegeben werden, die von der oben erwähnten Übertragungsfunktion H(s) Gebrauch machen. The invention has gained the knowledge that the simplest controller for this magnetic bearing controlled system can be specified by methods of control theory which make use of the transfer function H (s) mentioned above.

Die Ausführung nach Fig. 6 weist zwei entgegengesetzt wirkende Elektromagnete 61, 61' auf, durch deren Wicklungen 60 bzw. 60' die Ströme ip bzw. in fliessen, die von den Verstärkern 63 bzw. 63' geliefert werden. Diese Verstärker 63, 63' werden durch den Regler 65 gesteuert, der eingangsseitig mit den Signalen y und y' aus den Messeinrichtungen 62 bzw. 62' und mit den Signalen Sm und Sm' aus den Hallsonden 66 bzw. 66' beaufschlagt werden. Dabei ist zu bemerken, dass in der Ausführung nach Fig. 6 auch nur eine Messeinrichtung 62 oder 62' und nur eine Hallsonde 66 oder 66' schon genügt. 6 has two oppositely acting electromagnets 61, 61 ', through the windings 60 and 60' of which the currents ip and in, which are supplied by the amplifiers 63 and 63 ', flow. These amplifiers 63, 63 'are controlled by the controller 65 which is acted upon on the input side by the signals y and y' from the measuring devices 62 and 62 'and by the signals Sm and Sm' from the Hall probes 66 and 66 '. It should be noted that in the embodiment according to FIG. 6, only one measuring device 62 or 62 'and only one Hall probe 66 or 66' is sufficient.

Die Ausführung nach Fig. 7 weist zwei entgegengesetzt wirkende Elektromagnete 71, 71' auf, durch deren Wicklungen 70 bzw. 70' die Ströme ip bzw. in fliessen, die von den Verstärkern 73 bzw. 73' geliefert werden. Diese Verstärker 73, 73' werden über Summatoren 78 bzw. 78' durch den Regler 75 gesteuert, der eingangsseitig mit einem Signal z beaufschlagt wird, das in der Schaltung 77 aus den Signalen y und y' aus den Messeinrichtungen 72 bzw. 72' und aus den Signalen Sm und Sm' aus den Hallsonden 76 bzw. 76' gewonnen werden. In den Summatoren 78 und 78' wird das Steuersignal Sc am Ausgang des Reglers 75 zu einem konstanten sogenannten Vormagnetisîerungsstromsignal So addiert bzw. subtrahiert. So wird eine in beiden Magneten entgegengesetzt gerichtete Vormagnetisierungskraft erzeugt. Für zwei einander gegenüberliegende Magnetpaare, die mit Strömen ip und in von der Form ip = io + ic und in = io — ic angesteuert werden, worin io der Ruhestrom oder Vormagnetisierungsstrom durch die beiden Magnete ist und ic als Steuerstrom dient, und wobei in den einander gegenüberliegenden Magnetpaaren jeweils die Flussdichte Bp bzw. Bn gemessen wird, erfolgt die Berechnung des Positionssignals z gemäss der Erfindung durch die Bildung der folgenden Differenz: 7 has two oppositely acting electromagnets 71, 71 ', through the windings 70 and 70' of which the currents ip and in, which are supplied by the amplifiers 73 and 73 ', flow. These amplifiers 73, 73 'are controlled via summers 78 and 78' by the controller 75, which is acted upon on the input side by a signal z which is generated in the circuit 77 from the signals y and y 'from the measuring devices 72 and 72' and can be obtained from the signals Sm and Sm 'from the Hall probes 76 and 76', respectively. In the summators 78 and 78 ', the control signal Sc at the output of the controller 75 is added or subtracted to a constant so-called bias current signal So. This creates an opposing bias in both magnets. For two opposing magnet pairs, which are driven with currents ip and in of the form ip = io + ic and in = io - ic, where io is the quiescent current or bias current through the two magnets and ic serves as the control current, and in which The flux density Bp or Bn is measured in each case opposite magnet pairs, the position signal z is calculated according to the invention by forming the following difference:

z = ki'-(Sm-Sm')-k2'-Sc k^.i = F - ks.x m.x = F z = ki '- (Sm-Sm') - k2'-Sc k ^ .i = F - ks.x m.x = F

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

CH 678 090 A5 CH 678 090 A5

worin Sm das Messsignal für die Flussdichte Bp der Messsonde 76 und Sm' das Messsignal für die Flussdichte Bn der Messsonde 76' und Sc das Ausgangssignal des Reglers 75 ist (Fig. 7), und wobei ki' eine Konstante ist, die der Empfindlichkeit der Flussdichtemessung entspricht, und kk' eine Konstante ist, durch die die Geometrie der Magnete und die Grösse des Vormagnetisierungsstromes i0 der Magnete berücksichtigt wird. Die Grösse Sc kann dabei durch eine in den Fig. 5 und 7 nicht dargestellte Rückkopplung zwischen dem Ausgang des Reglers 55 bzw. 75 und einem weiteren Eingang der Schaltung 57 bzw. 77 berücksichtigt werden. Sonst kann die Schaltung 57 bzw. 77 aus den gemessenen Grössen y und y die Differenz z == kl • (Sm- Sm') - kg • (y - y') where Sm is the measurement signal for the flux density Bp of the measurement probe 76 and Sm 'the measurement signal for the flux density Bn of the measurement probe 76' and Sc is the output signal of the controller 75 (FIG. 7), and where ki 'is a constant which corresponds to the sensitivity of the Flux density measurement corresponds, and kk 'is a constant by which the geometry of the magnets and the magnitude of the bias current i0 of the magnets is taken into account. The size Sc can be taken into account here by a feedback (not shown in FIGS. 5 and 7) between the output of the controller 55 or 75 and a further input of the circuit 57 or 77. Otherwise the circuit 57 or 77 can measure the difference z == kl • (Sm- Sm ') - kg • (y - y') from the measured quantities y and y

direkt berechnen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Berechnung des Positionssignals beispielsweise mit Hilfe eines einfachen Operationsverstärkers analog erfolgt oder ob dazu ein Digitalrechner eingesetzt wird. calculate directly. It does not matter whether the position signal is calculated in an analog manner, for example using a simple operational amplifier, or whether a digital computer is used for this.

Die Ausführung nach Fig. 8 weist zwei Elektromagnete 81 und 81' auf, die teilweise mit Dauermagneten 89 bzw. 89' versehen sind, um eine Vormagnetisierung zu bewirken. Diese Lösung ist auch für die Ausführungen nach den Fig. 2 bis 7 möglich. The embodiment according to FIG. 8 has two electromagnets 81 and 81 ', some of which are provided with permanent magnets 89 and 89', respectively, in order to bring about premagnetization. This solution is also possible for the designs according to FIGS. 2 to 7.

Claims

1. Method for the contact-free carrying of objects, for example a rotor, with one or more electromagnets (21; 31, 31 ') or with electromagnets (81, 81') in combination with permanent magnets (89, 89 '), with a controller ( 25; 35) and with one or more power amplifiers (23; 33, 33 ') for the currents (i) of the electromagnets (21; 31, 31'), so that a stable, non-contact floating position of the object (24; 34) is achieved, characterized in that in order to avoid the use of sensors for measuring position signals and / or speed signals as input variables of the controller (25; 35), the controller (25; 35) is acted upon by at least one signal y , which corresponds to the size of the current (i; in, ip) flowing through the winding of an electromagnet (20; 30), and that the controller (25; 35) has an output signal S (S = Sb or S = Sc or S = Sa ) generated that of the current, stabilizing the floating position of the object voltage corresponds.

2. The method according to claim 1, characterized in that the transfer function H (s) of the controller (25; 35) at least the degree of the following transfer function b2. s2 + b-L. s + bQ H (s) =

. S + Sq, which serves to determine the output signal S of the controller according to the equation S = H (s) • y, where s is the frequency range variable known from the Laplace transform and bo, bi, b2, ao and ai constant Are coefficients.

3. The method according to claim 1, characterized in that the controller (35) is acted upon by a second signal y ', which corresponds to the size of the current (in) flowing through the winding (30') of a second electromagnet (31 ').

4. The method according to claim 1, characterized in that in addition to at least this signal y, the induction B is measured in the air gap, from which a signal Sm and / or a signal Sm 'are obtained, which the controller (45; 57; 65; 77 ; 87) can be supplied as a further input variable for the controlled system in order to simplify the controller and improve the control behavior.

5. The method according to claim 4, characterized in that in a signal pretreatment circuit (57; 77) from these signals a further signal z according to the equation z = ki-Sm-k2-y or z = ki - (Sm - SmO - k2- (y - y ') or

z == kf «Sm - ka'- Sa or z = kt'- (Sm - Sm ') - k2'- Sc is obtained, which serves as a position signal in which kt, k2, ki' and k2 'are constants.

6

5

10th

15

20th

25th

30th

35

40

45

50

55

60

65

CH 678 090 A5

6. Magnetic bearing for performing the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the output of an amplifier (23; 33, 33 ') and the active end of the winding (20; 30, 30') of an electromagnet (21 ; 31, 31 ') a measuring device (22; 32, 32') is inserted, which emits a signal y as a measured variable of the winding current, and that this signal y is fed to the input of the controller (25; 35), whereby the use of a Position sensor for the position of the rotor is avoided.

7. Magnetic bearing for performing the method according to claim 4 or 5, characterized in that at least one measuring probe (46; 56; 66, 66 '; 76, 76') is present for induction B in the air gap between an electromagnet and the object (44; 54; 64; 74) to measure and to obtain at least one measurement signal Sm and / or Sm 'therefrom.

8. Magnetic bearing according to claim 7, characterized in that a signal pretreatment circuit (57) is present which, from a signal y supplied by a current measuring device (52) and a signal Sm supplied by a flux density measuring probe, a further signal z according to the equation z = ki - Sm - k2-y or z = ki'- Sm - k2'- Sa, which serves as a position signal, in which kt, kz, kt 'and kz' are constants, and that this signal z is input to a normal controller (55 ) is supplied.

9. Magnetlag er according to claim 7, characterized in that a signal pretreatment circuit (77) is present, which consists of two signals y, y 'each provided by a current measuring device (72, 72') and two of a flux density measuring probe (76, 76 ') delivered signals Sm and Sm' another signal z according to the equation z = kt • (Sm - Sm ') - k2 • (y - y') or z = kt'- (Sm - Sm ') ~ kz'- Sc generates, which serves as a position signal, where ki, k2, ki 'and kz' are constants, and that this signal z is fed to the input of a conventional controller (75).

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