CH689808A5 - Verfahren zum berührungsfreien Tragen von Objekten und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. - Google Patents

Description

  
 



  Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungsfreien Tragen von Objekten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. 



  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. 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. 



  Solche Systeme nach dem Stand der Technik sind beispielsweise aus den Dissertationen der ETH, Zürich, Nr. 7573 (1984), von Dr. Hannes Bleuler, Seite 9 oder Nr. 7851 (1985), von Dr. Alfons Traxler, Seite 1, oder Nr. 8665 (1988) von Dr. Dieter Vischer, Seiten 3, 25, 26, bekannt. 



  In der deutschen Patentschrift DE 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 DE 2 825 877 wird ein spezieller Sensor mit Scheiben angegeben, mit dem die radiale Auslenkung und somit die Position des Rotors gemessen wird. 



  Solche Systeme funktionieren an sich sehr gut, haben aber den Nachteil, dass sie relativ aufwendig sind. 



  Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, durch welches sich weniger aufwendige Ausführungen realisieren lassen. 



  Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. 



  Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. 



  Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: 
 
   Fig. 1 die schematische Darstellung einer Einrichtung zur elektromagnetischen Lagerung nach dem Stand der Technik, 
   Fig. 2 die schematische Darstellung einer ersten Einrichtung zur elektromagnetischen Lagerung nach der Erfindung, 
   Fig. 3 die schematische Darstellung einer zweiten Einrichtung zur elektromagnetischen Lagerung nach der Erfindung, 
   Fig. 4 eine schematische Anordnung eines als Regler arbeitenden Mikroprozessors, 
   Fig. 5 die schematische Darstellung einer Einrichtung mit drei Elektromagneten, 
   Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Regelung der Einrichtung nach Fig. 5, 
   Fig. 7 eine schematische Darstellung eines als Regler arbeitenden Mikroprozessors für die Einrichtung nach Fig. 5 und 6, und 
   Fig.

   8 und 9 schematische Darstellungen eines Rotors mit speziell ausgestalteten Elektromagneten an seinen Enden, um ihn zugleich radial und axial zu stabilisieren. 
 



  Fig. 1 zeigt das eine Ende eines Rotors 1 in einem Bereich, wo zwei Elektromagnete 2, 3 in der X-Achse und zwei Elektromagnete 4, 5 in der Y-Achse wirksam sind. Im Luftspalt zwischen dem Rotor 1 und den Elektromagneten 2 bis 5 ist ein Positionssensor 6 angeordnet, der die geometrische Abweichung der wirklichen momentanen Position Ax der Rotorachse 1 in Bezug auf ihre ideale richtig zentrierte Lage erfasst. Der Positionssensor 6 liefert ein Signal u, das einem Regler 7 zugeführt wird, der beispielsweise dieses Signal u mit einem Referenzsignal Vref vergleicht. Die zwei Ausgangssignale v, w dieses Reglers 7 werden je einem Leistungsverstärker 8, 9 zugeführt, die den Strom Iv, Iw für die Wicklungen 10, 11 der Elektromagnete 2 bzw. 3 liefern. Die Referenzspannung Vref kann vorzugsweise auch 0 Volt sein. 



  Die Signale u, v, w sind grundsätzlich typische Schwachstromsignale. Demgegenüber arbeiten die Leistungsverstärker 8, 9 mit höheren Spannungen und mit stärkeren Strömen, wie sie in der Leistungselektronik üblich sind. Insbesondere sind die Leistungsverstärker 8 und 9 an eine starke Gleichstromspannungsquelle angeschlossen. 



  Es gibt verschiedene bekannte Verfahren, um durch eine dynamische Regelung den Rotor 1 der Einrichtung nach Fig. 1 in einer vorbestimmten Position in der X-Achse zu stabilisieren. 



  Bei einer solchen Einrichtung muss man jedoch den Rotor 1 nicht nur in der X-Achse, sondern auch in der Y-Achse stabilisieren, und zwar nicht nur an einem Ende bzw. in einem Endbereich des Rotors, sondern in zwei Bereichen, so dass für diesen Zweck oft vier Magnetpaare verwendet werden. Dabei ist ein weiteres Magnetpaar zur Stabilisierung des Rotors in Längsrichtung bzw. in der Z-Achse nötig. Insgesamt müssen dann fünf Magnetpaare geregelt werden, die den fünf Freiheitsgraden eines rotierenden Körpers entsprechen, weil in diesem Fall der sechste Freiheitsgrad eines festen Körpers der Rotation des Rotors 1 um die Z-Achse entspricht. 



  Die erfindungsgemässen Einrichtungen nach Fig. 2 und 3 können grundsätzlich mit denselben Elektromagneten und Wicklungen wie im Fall von Fig. 1 arbeiten. Um dies anzudeuten, sind die Elektromagnete 2 bis 5 und die Wicklungen 10 und 11 in den Fig. 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. 



  Im Gegensatz zu den bekannten Systemen umfasst die Einrichtung nach Fig. 2 eine Stromquelle 12, deren Ausgang 13 einen konstanten Strom Iq liefert. Ein erster Teil Ia dieses Stromes wird über die Reihenschaltung der Wicklung 10 und eines Schalters 14 und ein zweiter Teil Ib dieses Stromes über die Reihenschaltung der Wicklung 11 und eines Schalters 15 zur Masse bzw. zum Minuspol geleitet. Das Sensorsignal u wird einem Regler 16 zugeführt, der ein Signal e für einen Modulator 17 liefert. Die Ausgangssignale g und h des Modulators 17 schliessen und öffnen den Schalter 14 bzw. 15 derart, dass der Rotor 1 in der gewünschten Schwebeposition in der X-Achse  gehalten wird. Die nicht mit dem Ausgang 13 der Stromquelle 12 verbundenen Enden 18 bzw. 19 der Wicklungen 10 bzw. 11 sind über je eine in Sperrrichtung geschaltete Diode 20 bzw. 21 mit dem Pluspol der Einrichtung verbunden.

   Diese Freilaufdioden 20, 21 leiten bei offenem Schalter 14 bzw. 15 den Strom zurück. Dabei kann der Regler 16 beispielsweise das Sensorsignal u mit dem Referenzsignal Vref vergleichen. Der Modulator 17 kann beispielsweise ein Pulsweitenmodulator sein. 



  Die vollständige Einrichtung kann mit je einer Stromquelle 12, einem Regler 16, einem Pulsmodulator 17, zwei Schaltern 14, 15 und zwei Dioden 20, 21 pro Freiheitsgrad, das heisst mit je fünfmal diesen Elementen bestückt werden. 



  Die Einrichtung nach Fig. 3 umfasst ebenfalls eine Stromquelle 12, deren Anschluss 13 über die Wicklung 10 mit dem Anschluss 8 min  min  eines ersten Verstärkers 8 min  und über die Wicklung 11 mit dem Anschluss 9 min  min  eines zweiten Verstärkers 9 min verbunden ist. Über die Anschlüsse 8 min  min , 9 min  min  bzw. 13 fliessen Ströme Ia, Ib bzw. Iq derart, dass Ia + Ib = Iq ist. Mit dem Steuersignal u wird ein Regler 7 min  beaufschlagt, der die Steuersignale v min , w min  für die Verstärker 8 min und 9 min  liefert. Dadurch werden die Spannungen an den Anschlüssen 8 min  min  und 9 min  min  derart geregelt, dass sich die erforderlichen Ströme Ia und Ib einstellen, um den Rotor 1 in der gewünschten Schwebeposition in der X-Achse zu halten. 



  Die Steuerung der Einrichtung nach Fig. 1 kann in bekannter Weise auch digital erfolgen. Bei einer Einrichtung mit fünf Freiheitsgraden kann der Regler 7 durch einen Mikroprozessor 22  gemäss Fig. 4 ersetzt werden, an den eingangsseitig fünf Analog/Digital-Wandler 23 bis 27 angeschlossen sind, um die Sensorsignale u1, u2, u3, u4, u5 aus den fünf Sensoren, die wie der Sensor 6 in diesem Fall für die fünf Freiheitsgrade verwendet werden, zu digitalisieren. Der Mikroprozessor 22 liefert dann zehn digitale Ausgangssignale, die über zehn in Fig. 4 nicht dargestellte Digital/Analog-Wandler, als Signale v1 bis v5 bzw. w1 bis w5 den entsprechenden Leistungsverstärkern zugeführt werden. 



  Die Einrichtung nach Fig. 2 kann mit einer Anordnung nach Fig. 4 als Ersatz für den Regler 16, gegebenenfalls zusammen mit dem Modulator 17, gesteuert werden. Im letzten Fall kann der Mikroprozessor 22 die zehn Ausgangssignale g1, h1, g2, h2, g3, h3, g4, h4, g5, h5 (Fig. 4) liefern, die direkt oder über je einen einfachen Treiber die Schalter 14, 15 sowie weitere acht Schalter für insgesamt fünf Wicklungsspaare steuern, die den fünf Freiheitsgraden entsprechen, so dass dann ausgangsseitig keine Digital/Analog-Wandler erforderlich sind. Dadurch ergibt sich im Vergleich mit der Einrichtung nach dem Stand der Technik eine Einsparung von zehn ausgangsseitigen Digital/Analog-Wandlern, wenn der Mikroprozessor 22 mit Ausgängen für variierbare beispielsweise digitale pulsweitenmodulierte Signale versehen ist. 



  Die Einrichtung nach Fig. 5 weist in einem Endbereich des Rotors 1 drei Elektromagnete mit je einer Wicklung W1, W2, W3 auf, deren Enden mit A1, B1; A2, B2 bzw. A3, B3 bezeichnet sind. Es sind auch zwei Sensoren 41, 42 oder 41 min , 42 zur  Messung der Lage des Rotors in der X-Achse bzw. in der Y-Achse vorhanden. Die Sensoren 41 min  und 42 liefern die Messsignale x1 min  bzw. y1 min . Die drei Elektromagnete nach Fig. 5, deren Achsen drei Winkel von 120 DEG  bilden, können die vier Elektromagnete von Fig. 2 ersetzen, deren Achsen vier Winkel von 90 DEG  bilden, wenn man die Schaltung nach Fig. 6 verwendet. 



  Die Anordnung nach Fig. 6 umfasst einen Mikroprozessor 51 und eine Stromquelle 52, an deren Ausgang 53 die Anschlüsse A1, A2 und A3 der Wicklungen W1, W2 bzw. W3 (Fig. 5) angeschlossen sind. Die Anschlüsse B1, B2 und B3 sind einerseits über je einen Schalter 54, 55 bzw. 56 mit Masse oder mit einem Spannungspol und andererseits über je eine Freilaufdiode 57, 58 bzw. 59 mit dem anderen Spannungspol verbunden. 



  Die Signale x1 min , y1 min  aus den Positionssensoren 41 min  bzw. 42 (Fig. 4) werden über je einen Analog/Digital-Wandler 60, 61 dem Mikroprozessor 51 zugeführt. Bei einer solchen Einrichtung kann der Mikroprozessor 51 eine Koordinatentransformation durchführen, wie es beispielsweise in Fig. 7 erläutert wird. 



  Der Mikroprozessor nach Fig. 7 kann in einer Einrichtung, bei der sich die Sensoren 41 min  und 42 (Fig. 5) ausserhalb des Lufspalts befinden, die Funktionen eines ersten Transformationsrechners 62, eines Digitalreglers 63 und eines zweiten Transformationsrechners 64 durchführen. Der Rechner 62 bewirkt in an sich bekannter Weise eine Koordinatentransformation, um die Messergebnisse x1 min , y1 min , x2 min , y2 min , z min  von jeweils zwei nichtorthogonal angeordneten Sensoren 41 min , 42 (Fig. 5) auf  orthogonale Koordinaten x1, y1, x2, y2, z zu bringen. Der nachgeschaltete Digitalregler 63 bildet daraus fünf Regelgrössen x1 min  min , y1 min  min , x2 min  min , y2 min  min , z min  min , die eine ähnliche Funktion wie das Signal e am Ausgang des Reglers 16 (Fig. 2) erfüllen.

   Der Transformationsrechner 62 ist nicht notwendig, wenn man mit orthogonal positionierten Sensoren 41, 42 (Fig. 5) arbeitet, die die Signale x1 und y1 liefern. 



  Der zweite Rechner 64 wandelt diese fünf Signale um in drei Steuersignale i1, j1, k1 für eine erste Anordnung nach Fig. 5 am einen Endbereich des Rotors, in drei Steuersignale i2, j2, k2 für eine zweite Anordnung am anderen Endbereich des Rotors und in zwei Steuersignale r, s für zwei stirnseitig wirkende Elektromagnete, die den Rotor in der Z-Achse stabilisieren. Mit dieser Anordnung ist es somit möglich, die fünf Freiheitsgrade mit Hilfe von acht statt zehn Signalen zu beherrschen. 



  In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können gemäss Fig. 8 die Enden 81, 82 des Rotors 1 konisch ausgestaltet sein, wobei an einem Ende drei Elektromagnete 83, 84, 85 derart mit einem konischen Luftspalt angeordnet sind, dass elektromagnetische Kräfte in allen drei Achsen X, Y, Z entstehen. Am anderen Ende sind ebenfalls drei Elektromagnete in gleicher Weise angeordnet. Bei einem Rotor der in Fig. 8 dargestellten Art hat sich in vorzüglicher Weise gezeigt, dass eine einzige Stromquelle für alle fünf Freiheitsgrade genügt, was eine hohe Einsparung von Material und daher auch von Kosten bedeutet, und zwar derart, dass in diesem Fall ein Rechner 64 (Fig. 7) eingesetzt werden kann, der nur die sechs Signale i1, j1, k1, und i2, j2,  k2 für die sechs Elektromagnete liefern muss; die Signale r und s entfallen, weil sich dann die axiale Stabilisierung von selbst ergibt. 



  In der Anordnung nach Fig. 9 sind die Elektromagnete 91, 92, 93 derart am Ende des Rotors angeordnet, dass sie teilweise über je einen stirnseitigen Luftspalt 94 und teilweise über je einen radialen Luftspalt 95 wirken, so dass auch in diesem Fall die Signale r und s entfallen. 



  Die Positionierung kann auch indirekt, beispielsweise mittels Magnetfeldsensoren erfolgen. Ein Magnerlager mit Hall-Effekt-Sensoren wurde beispielsweise von D. Zlatnik und A. Traxler im ''2nd International Symposium on Magnetic Bearing, July 12-14, 1990, Tokyo, Japan, Seiten 229 bis 235 vorgestellt. 



  Es gibt Anwendungen, in welchen nicht alle fünf Freiheitsgrade geregelt werden müssen, weil der Rotor teilweise durch passive Magnetlager oder andere Mittel stabilisiert bzw. gehalten wird. In solchen Fällen ist die erfindungsgemässe Anordnung zur Stabilisierung der gewünschten Freiheitsgrade auch anwendbar. Dabei wurde durch die vorliegende Erfindung festgestellt, dass die Differenz zwischen der Anzahl Elektromagnete und der Anzahl der zu regelnden Freiheitsgrade der Anzahl der benötigten Stromquellen entspricht. Bei einem Magnetlager (Fig. 2) mit 10 Elektromagneten und 5 Freiheitsgraden sind (10-5 = 5) fünf Stromquellen notwendig. Im Beispiel nach Fig. 8 mit 6 Elektromagneten und 5 Freiheitsgraden ist (6-5 = 1) nur eine Stromquelle notwendig. 



  Stromquellen mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten mit einem geregelten Schalter. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich ergeben, dass es vorteilhaft ist, den oder die Schalter der Stromquelle(n) mit den Schaltern 14, 15, oder mit den Schaltern 54, 55, 56 zu synchronisieren, und zwar mit derselben Taktfrequenz oder mit Taktfrequenzen im Verhältnis n:m, worin m und n ganze Zahlen sind. Bei kleinen Leistungen kann das erfindungsgemässe Magnetlager in vorzüglicher Weise auch mit passiven Stromquellen arbeiten. 



  Bei den Magentlagern nach dem Stand der Technik (Fig. 1) braucht man pro geregelte Achse zwei stromgesteuerte Leistungsverstärker mit je einer Einrichtung zur Strommessung, Stromregelung und Pulsweitenmodulation samt dem eigentlichen Leistungsteil. Die Verlagerung dieser Funktionen in einen Mikroprozessor, wie es bei einer erfindungsgemässen Einrichtung leicht möglich ist, ist bei einer Einrichtung nach dem Stand der Technik nur mit relativ viel Aufwand zu realisieren. Wenn man in einer Einrichtung nach dem Stand der Technik beispielsweise die Pulsweitenmodulation in den Mikroprozessor integrieren wollte (wie in Fig. 2 oder Fig. 6), müsste die Stromregelung, die den Spulenstrom mit dem Verstäkereingangssignal (wie bei v, w in Fig. 1) vergleicht und die Pulsweitenmodulatoren entsprechend einstellt, auch in den Mikroprozessor integriert werden.

   Dies bedeutet, dass man alle Spulenströme messen und mittels Analog/Digital-Wandlern dem Rechner zur Verfügung stellen müsste, was ein wenig vorteilhafter Aufwand wäre. 



  Aber auch wenn man auf diese Stromregler verzichtet (vgl. D. Vischer, Diss., Seite 52) und auf Spannungssteuerung übergeht, braucht man trotzdem noch die Stromsteuerung, um die Vormagnetisierung und den Überstromschutz zu gewährleisten. 



  Im Gegensatz dazu entfallen beim erfindungsgemässen Magnetlager der Vormagnetisierungsstromregler samt entsprechender Analog/Digital-Umwandlung und die Überstrom-Überwachungsschaltungen, die überflüssig sind, weil durch die Konstantstromquelle der Arbeitsstrom von vornherein begrenzt ist. Die relativ aufwendigen Strommessungen entfallen ebenfalls. 



  Ein weiterer Vorteil liegt bei den Treiberstufen für die Leistungsschalter: Bei konventionellen Verstärkern werden pro Kanal 2 Schalter (Vollbrücke) gebraucht. Ein Schalter liegt zwischen 0 Volt und dem Ausgang, der andere zwischen dem Ausgang und der positiven Speisung. Die Ansteuerung des zweiten Schalters erfordert einen grossen Aufwand, da man eine Potentialanpassung für das Steuersignal braucht. 



  Beim erfindungsgemässen Magnetlager können hingegen alle Leistungsschalter auf 0 Volt-Potential liegen. Ausser dem Schalter für die Stromquelle sind keine Schalter notwendig, die am Potential der positiven Speisung liegen müssen. Alle Steuersignale vom Regler können direkt ohne Potentialanpassung zu den Leistungsschaltern geführt werden. 



  Zudem ist eine galvanische Trennung am Verstärkereingang leichter zu realisieren als bei einer Einrichtung nach dem Stand der Technik, da die Schalter mit digitalen Pulsen angesteuert werden, so dass man beispielsweise Optokoppler problemlos einsetzen kann. Im Gegensatz dazu weisen die konventionellen Leistungsverstärker meistens analoge Eingänge auf. 

Claims (10)

1. Verfahren zum berührungsfreien Tragen von Objekten, beispielsweise eines Rotors, mit mindestens zwei Elektromagneten, einem Regler und einer Leistungselektronik für die Speisung dieser Elektromagnete, wobei diese Speisung derart geregelt wird, dass eine stabile, berührungsfreie schwebende Lage des zu lagernden Objektes für wenigstens einen Freiheitsgrad erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (10, 11; W1, W2, W3) dieser mindestens zwei Elektromagnete parallel durch eine geregelte Stromquelle (12; 52) gespeist werden, um die Summe der Ströme über diese Wicklungen konstant zu halten.

2.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Gruppe von mindestens zwei Elektromagneten durch eine Stromquelle gespeist wird, um das Objekt bezüglich mindestens eines Freiheitsgrades zu stabilisieren, oder dass alle Elektromagnete für alle zu regelnden Freiheitsgrade gemeinsamdurch ein und dieselbe Stromquelle gespeist werden.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stromquelle (12; 52) vorhanden ist, die einen Anschluss (13; 53) aufweist, mit dem die Enden je einer Wicklung (10, 11; W1, W2, W3) eines dieser Elektromagnete verbunden sind, und dass die Einrichtung durch den Regler (7 min ; 16, 17; 51) gesteuerte Leistungsschaltungen umfasst, an die die anderen Enden dieser Wicklungen angeschlossen sind.

4.

Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese Leistungsschaltungen durch den Regler betätigte Stromschalter (14, 15; 54, 55, 56) sind, um die durch diese Wicklungen (10, 11; W1, W2, W3) geführten Ströme (Ia, Ib; Ia min , Ib min , Ic min ) über je einen dieser Stromschalter ein- und auszuschalten.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht mit der Stromquelle (12; 52) verbundene Ende (18, 19; B1, B2, B3) der Wicklung (10, 11; W1, W2, W3) eines Elektromagneten über eine Freilaufdiode (20, 21; 57, 58, 59) mit der Speisespannung der Einrichtung verbunden ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (16, 17; 51) einen Pulsweitenmodulator umfasst.

7.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stromquelle einen Stromquellenschalter umfasst, der mit den Stromschaltern (14, 15; 54, 55, 56) synchronisiert ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltungen analog arbeitende Leistungsverstärker (8 min , 9 min ) sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Ende (81, 82) des Rotors (1) drei Elektromagnete (83, 84, 85) derart einen Luftspalt mit dem Rotor (1) bilden, dass elektromagnetische Kräfte in allen drei Achsen (X, Y, Z) entstehen.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (62, 63, 64) Mittel umfasst, um mindestens eine Koordinatentransformation durchzuführen.