Die Erfindung betrifft ein aktives magnetisches Lager der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Ein typisches herkömmliches Kugellager, dessen Drehgeschwindigkeit auf Grund der Reibung zwischen den Komponenten beschränkt ist, ist nicht geeignet für mit Hochdrehgeschwindigkeit zu drehende Maschinenteile. Das weiterentwickelte Hydrolager erlaubt zwar eine höhere Drehgeschwindigkeit, erfüllt jedoch die Erfordernisse der Industrie auch nicht. Das später entwickelte 8-polige aktive magnetische Lager ist mit acht in radialer Richtung gleich beabstandeten Polzähnen in seinem Inneren aufgebaut. Ein Steuergerät steuert die durch die Wicklungen fliessenden elektrischen Ströme und kontrolliert die magnetische Kraft der Pole, die den in der Mitte in der Längsrichtung angeordneten Rotor zum Drehen antreibt. Das 8-polige aktive magnetische Lager ermöglicht eine sehr hohe Drehgeschwindigkeit, wird jedoch auf Grund der extrem hohen Kosten in der Industrie kaum verwendet.
Die oben genannten hohen Vorrichtungskosten lassen sich wie folgt begründen: Ein 8-poliges aktives magnetisches Lager benötigt vier Leistungstransistormodule zum Steuern der durch die Wicklungen fliessenden elektrischen Ströme. Zwei benachbarte magnetische Polzähne bilden ein Polzahnpaar. Vier unabhängige magnetische Polzahnpaare sind auf den vier Richtungen eines kartesischen Koordinatensystems angeordnet, um so in vier Richtungen gerichtete magnetische Kräfte zu erzeugen, die unabhängig voneinander wirken. Diese Geometrie erleichtert die Konstruktion des Steuergerätes, das die Leistungstransistormodule steuert. Jedoch benötigt jedes Polzahnpaar jeweils ein Leistungstransistormodul, welches als der wesentliche Kostenfaktor des magnetischen Lagers gilt.
Die Anzahl der Leistungstransistormodule kann verringert sowie die dadurch verursachten Herstellungskosten können gesenkt werden, wenn jeweils die beiden einander gegenüberliegend angeordneten Polzahnpaare gemäss der differenziellen Windungsmethode (in der Fachwelt bekannt als "differential winding") verdrahtet werden, sodass sie von einem gemeinsamen Leistungstransistormodul gesteuert werden können. Bei der Verwendung dieser differenziellen Windungsmethode müssen aber zusätzliche Vorspannungswicklungen auf die Polzahnpaare aufgewickelt werden, die sich unabhängig von den an die Leistungstransistormodule angeschlossenen Wicklungen mit einem Strom beaufschlagen lassen. Diese Konstruktion mit zwei voneinander unabhängigen Wicklungen bewirkt aber eine drastische Erhöhung der durch den elektrischen Widerstand erzeugen Wärme.
Die Erwärmung wiederum bewirkt eine Verminderung der Permeabilität. Um eine Verminderung der Permeabilität zu vermeiden, ist zusätzlich ein Kühlsystem nötig. In der Praxis führt deshalb die Anwendung der differenziellen Windungsmethode beim 8-poligen magnetischen Lager nicht zu einer Kostensenkung.
Aus der DE 10 019 761 ist ein aktives magnetisches Radiallager mit drei magnetischen Polzähnen bekannt. Jeder Polzahn ist mit einer elektrischen Wicklung umwickelt, die von einem zugeordneten Leistungstransistormodul mit Strom beaufschlagt wird.
Das herkömmliche 3-polige aktive magnetische Lager basiert auf der Annahme, dass die Luftspalte zwischen dem Rotor und den drei Polzähnen gleichförmig sind. Infolgedessen werden die drei Wicklungen mittels einer Dreiphasen-Stromregelschaltung betrieben. Die Annahme, dass die Luftspalte gleich gross sind, ist nur gültig, wenn die Lageabweichungen des Rotors klein sind. Infolgedessen ist der steuerbare Bereich der Lageabweichungen des Rotors klein. In der Praxis können die Lageabweichungen des Rotors während des Betriebs aber gross sein. Das konventionelle 3-polige aktive magnetische Lager ist deshalb in der Praxis ohne grossen Nutzen. Das 3-polige aktive magnetische Lager leidet unter dem Problem magnetischer Kopplung, weshalb die Dynamik des Systems stark nicht-linear ist.
Im Besonderen hängen die magnetischen Kräfte nicht-linear von den Lageabweichungen des Rotors und den Steuerströmen ab. Des Weiteren beeinflusst die Orientierung der drei Polzähne die Steuerströme, die durch die Wicklungen der drei Polzähne fliessen, und beeinflusst auch die Anzahl der benötigten Leistungstransistormodule. Zu beachten ist, dass auch die Wärmeerzeugung von den Steuerströmen abhängt. Wenn die Schwerkraft in vertikaler Richtung wirkt, muss das magnetische Lager auch das Gewicht des Rotors tragen. In diesem Fall resultiert beim konventionellen 3-poligen aktiven magnetischen Lager mit einem in horizontaler Richtung gerichteten Polzahn und mit einer Dreiphasen-Stromsteuerung keine minimale Wärmeerzeugung. Ohne Verwendung der Dreiphasen-Stromsteuerung ist die Anzahl der erforderlichen Leistungstransistormodule jedoch drei.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die oben beschriebenen Nachteile zu beheben und ein aktives magnetisches Lager zu entwickeln, das weitere Kosteneinsparungen ermöglicht.
Ein erfindungsgemässes aktives magnetisches Lager mit einem Stator mit drei in radialer Richtung in gleichmässigem Winkelabstand am Inneren des Stators angeordneten magnetischen Polzähnen, wobei jeder Polzahn mit einer Wicklung umwickelt ist, mit einem Rotor, und mit Leistungstransistormodulen für die Beaufschlagung der Wicklungen mit Strömen zeichnet sich dadurch aus, dass zwei der drei Wicklungen gegensinnig gewickelt und in Reihe geschaltet sind und dass ein erstes Leistungstransistormodul für die Beaufschlagung der beiden in Reihe geschalteten Wicklungen mit einem ersten Strom und ein zweites Leistungstransistormodul für die Beaufschlagung der dritten Wicklung mit einem zweiten Strom vorhanden ist.
Die Struktur, Eigenschaften sowie die Zwecke der Erfindung werden nachfolgend anhand eines durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines aktiven magnetischen Lagers mit drei Polzähnen, und
Fig. 2 das aktive magnetische Lager in geschnittener Darstellung und in Aufsicht.
Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines aktiven magnetischen Lagers mit einem Stator 10 aus magnetischem Material und mit drei magnetischen Polzähnen 11. Die drei magnetischen Polzähne 11 sind auf der Innenfläche des Stators 10 aufgebaut und verteilen sich in radialer Richtung in gleichem Abstand über den Vollkreis. Die drei magnetischen Polzähne 11 sind somit nicht auf einem Halbkreis auf der Innenfläche des Stators 10 angeordnet. Auf jeden magnetischen Polzahn 11 ist jeweils eine Wicklung 12 aufgewickelt. Die Wicklungen 12 sind wie in der Fig. 2 gezeigt mit zwei Leistungstransistormodulen 20, 20¾ verbunden. Für die Steuerung der Leistungstransistormodule 20, 20¾ ist eine Steuereinheit mit einer nichtlinearen Kennlinie vorgesehen.
Die Fig. 2 zeigt schematisch und in Aufsicht das aktive magnetische Lager und die Verdrahtung der drei Wicklungen 12, 12¾. Die drei magnetischen Polzähne 11, 11¾ sind in radialer Richtung und jeweils in gleichmässigem Winkelabstand von 120 DEG auf der Innenseite des kreisförmigen Stators 10 aufgebaut. Die Wicklungen 12¾ von zwei magnetischen Polzähnen 11¾ sind gegensinnig gewickelt, in Reihe geschaltet und mit einem einzigen Leistungstransistormodul 20¾ verbunden. Die dritte Wicklung 12 ist mit einem zweiten Leistungstransistormodul 20 verbunden. Daher werden insgesamt nur zwei Leistungstransistormodule 20 und 20¾ benötigt, um die magnetische Kraft zum Kontrollieren der Position des Rotors zu steuern. Für die Steuerung der Leistungstransistormodule 20 und 20¾ müssen demnach nur zwei Steuersignale gebildet werden.
Muss auch das Gewicht des Rotors 14 beim Betrieb des aktiven mag-netischen Lagers abgestützt werden, muss das aktive magnetische Lager nur in diejenige Richtung gedreht werden, in der der separat mit dem Leistungstransistormodul 20 gesteuerte Polzahn 11 unterhalb der beiden anderen, elektrisch verbundenen Polzähne 11¾ angeordnet und senkrecht zur Horizontalen aufgestellt ist, d.h. der einzeln erregte Polzahn 11 und die beiden anderen, durch die elektrisch in Reihe geschalteten Wicklungen 12¾ erregten Polzähne 11¾ werden in einer Y-Form aufgestellt. So lässt sich die durch den elektrischen Widerstand erzeugte Wärme nochmals drastisch reduzieren.
Eine Zusatzwicklung für die Einspeisung eines Vorspannungsstroms ist nicht nötig, weshalb keinerlei durch elektrischen Widerstand verursachte Wärmeableitungsprobleme entstehen. Da der vergleichsweise niedrige Pegel der Ströme zu geringen Kupferverlusten führt, können die Herstellungskosten des aktiven magnetischen Radiallagers gesenkt werden.
Im Vergleich mit dem 8-poligen oder dem konventionellen 3-poligen aktiven magnetischen Lager des Standes der Technik ergibt diese Konstruktion die folgenden Vorteile:
1. Die Remagnetisierungsfrequenz ist niedriger: Die durch die Variation des magnetischen Feldes induzierte Frequenz, die jede Umdrehung des Rotors in dieser 3-poligen Konstruktion des aktiven magnetischen Lagers erfährt, beträgt nur die Hälfte der eines 8-poligen magnetischen Lagers. Deshalb ist der damit verbundene Verlust im Eisen niedriger als bei der 8-poligen Konstruktion. Ferner wird wegen des geringeren Verlusts im Eisen auch weniger Wärme erzeugt, und der Einfluss auf die Permeabilität wird reduziert.
2. Der Verlust im Kupfer der Wicklungen ist niedriger: Ein nicht-lineares Steuergerät ermöglicht kleine Vorspannungsströme, während das im Stand der Technik bekannte 3-polige Lager vergleichsweise hohe Vorspannungsströme benötigt.
3. Durch die Verringerung der Anzahl der Polzähne wird weniger Platz im Inneren des Stators des aktiven magnetischen Lagers benötigt. Der frei werdende Platz kann in verschiedener Hinsicht genutzt werden:
(1) Weitere Sensoren können installiert werden, um so genannte Nicht-Kollokationsphänome (non-collocation) zu vermeiden.
(2) Der eingesparte Platz erleichtert die Wärmeableitung, sodass die Temperatur des aktiven magnetischen Lagers deutlich reduziert wird.
(3) Die Anzahl der Windungen der Wicklungen auf den Polzähnen kann erhöht und/oder die Querschnittsfläche des für die Wicklungen verwendeten Drahts oder die Querschnittfläche des magnetischen Polzahns kann vergrössert werden, um die erzeugte Wärme zu vermindern oder die erzeugte Wärme besser abzuleiten.
(4)
Zeit und Kosten für die Herstellung des aktiven magnetischen Lagers werden auf Grund der geringeren Anzahl der Polzähne und der geringeren Anzahl der Wicklungen reduziert.
The invention relates to an active magnetic bearing of the type mentioned in the preamble of claim 1.
A typical conventional ball bearing, the rotational speed of which is limited due to the friction between the components, is not suitable for machine parts to be rotated at high rotational speed. The further developed hydraulic bearing allows a higher rotation speed, but does not meet the requirements of the industry. The later developed 8-pole active magnetic bearing is built with eight pole teeth equally spaced in the radial direction inside. A control device controls the electrical currents flowing through the windings and controls the magnetic force of the poles, which drives the rotor, which is arranged in the middle in the longitudinal direction, to rotate. The 8-pole active magnetic bearing enables a very high rotation speed, but is hardly used in industry due to the extremely high costs.
The high device costs mentioned above can be explained as follows: An 8-pole active magnetic bearing requires four power transistor modules to control the electrical currents flowing through the windings. Two adjacent magnetic pole teeth form a pair of pole teeth. Four independent magnetic pole tooth pairs are arranged in the four directions of a Cartesian coordinate system so as to generate magnetic forces directed in four directions, which act independently of one another. This geometry facilitates the design of the control unit that controls the power transistor modules. However, each pair of pole teeth requires a power transistor module, which is considered the main cost factor of the magnetic bearing.
The number of power transistor modules can be reduced and the manufacturing costs caused thereby can be reduced if the two oppositely arranged pole tooth pairs are wired according to the differential winding method (known in the art as "differential winding"), so that they can be controlled by a common power transistor module , When using this differential winding method, however, additional bias windings must be wound on the pole tooth pairs, which can be supplied with a current independently of the windings connected to the power transistor modules. This construction with two independent windings causes a drastic increase in the heat generated by the electrical resistance.
The warming in turn causes a reduction in the permeability. In order to avoid a decrease in permeability, a cooling system is also required. In practice, therefore, the application of the differential winding method in the 8-pole magnetic bearing does not lead to a cost reduction.
An active magnetic radial bearing with three magnetic pole teeth is known from DE 10 019 761. Each pole tooth is wrapped with an electrical winding, which is supplied with current by an associated power transistor module.
The conventional 3-pole active magnetic bearing is based on the assumption that the air gaps between the rotor and the three pole teeth are uniform. As a result, the three windings are operated by means of a three-phase current control circuit. The assumption that the air gaps are the same size is only valid if the position deviations of the rotor are small. As a result, the controllable range of the positional deviations of the rotor is small. In practice, however, the positional deviations of the rotor can be large during operation. The conventional 3-pole active magnetic bearing is therefore of no great use in practice. The 3-pole active magnetic bearing suffers from the problem of magnetic coupling, which is why the dynamics of the system are strongly non-linear.
In particular, the magnetic forces depend non-linearly on the positional deviations of the rotor and the control currents. Furthermore, the orientation of the three pole teeth influences the control currents flowing through the windings of the three pole teeth and also influences the number of power transistor modules required. It should be noted that heat generation also depends on the control currents. If gravity acts in the vertical direction, the magnetic bearing must also bear the weight of the rotor. In this case, the conventional 3-pole active magnetic bearing with a pole tooth directed in the horizontal direction and with a three-phase current control does not result in minimal heat generation. However, without using the three-phase current control, the number of power transistor modules required is three.
The object of the invention is to remedy the disadvantages described above and to develop an active magnetic bearing which enables further cost savings.
An active magnetic bearing according to the invention with a stator with three magnetic pole teeth arranged in the radial direction at a uniform angular distance on the inside of the stator, each pole tooth being wrapped with a winding, with a rotor, and with power transistor modules for the application of currents to the windings from the fact that two of the three windings are wound in opposite directions and are connected in series and that a first power transistor module is provided for supplying the two windings connected in series with a first current and a second power transistor module for supplying the third winding with a second current.
The structure, properties and the purposes of the invention are explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment illustrated by figures.
Show it:
Fig. 1 is a perspective view of an active magnetic bearing with three pole teeth, and
Fig. 2 shows the active magnetic bearing in a sectional view and in supervision.
Fig. 1 shows a perspective view of an active magnetic bearing with a stator 10 made of magnetic material and with three magnetic pole teeth 11. The three magnetic pole teeth 11 are built on the inner surface of the stator 10 and are distributed in the radial direction at the same distance over the full circle. The three magnetic pole teeth 11 are thus not arranged on a semicircle on the inner surface of the stator 10. A winding 12 is wound on each magnetic pole tooth 11. As shown in FIG. 2, the windings 12 are connected to two power transistor modules 20, 20¾. A control unit with a non-linear characteristic curve is provided for controlling the power transistor modules 20, 20¾.
Fig. 2 shows schematically and in supervision the active magnetic bearing and the wiring of the three windings 12, 12¾. The three magnetic pole teeth 11, 11¾ are constructed in the radial direction and in each case at a uniform angular distance of 120 ° on the inside of the circular stator 10. The windings 12¾ of two magnetic pole teeth 11¾ are wound in opposite directions, connected in series and connected to a single power transistor module 20¾. The third winding 12 is connected to a second power transistor module 20. Therefore, a total of only two power transistor modules 20 and 20¾ are required to control the magnetic force to control the position of the rotor. For the control of the power transistor modules 20 and 20¾ therefore only two control signals have to be formed.
If the weight of the rotor 14 also has to be supported during operation of the active magnetic bearing, the active magnetic bearing only has to be rotated in the direction in which the pole tooth 11, which is controlled separately with the power transistor module 20, below the two other, electrically connected pole teeth 11¾ arranged and set up perpendicular to the horizontal, ie the individually excited pole tooth 11 and the two other pole teeth 11¾ excited by the electrically connected windings 12¾ are set up in a Y-shape. In this way, the heat generated by the electrical resistance can be drastically reduced again.
An additional winding for feeding a bias current is not necessary, which is why there are no heat dissipation problems caused by electrical resistance. Since the comparatively low level of the currents leads to low copper losses, the production costs of the active magnetic radial bearing can be reduced.
In comparison with the 8-pole or the conventional 3-pole active magnetic bearing of the prior art, this construction gives the following advantages:
1. The remagnetization frequency is lower: The frequency induced by the variation of the magnetic field, which experiences each revolution of the rotor in this 3-pole construction of the active magnetic bearing, is only half that of an 8-pole magnetic bearing. Therefore, the associated loss in iron is lower than with the 8-pin construction. Furthermore, less heat is generated due to the lower loss in iron and the influence on permeability is reduced.
2. The loss in the copper of the windings is lower: a non-linear control device enables small bias currents, while the 3-pole bearing known in the prior art requires comparatively high bias currents.
3. By reducing the number of pole teeth, less space is required inside the stator of the active magnetic bearing. The space that becomes available can be used in various ways:
(1) Additional sensors can be installed to avoid so-called non-collocation phenomena.
(2) The space saved facilitates heat dissipation, so that the temperature of the active magnetic bearing is significantly reduced.
(3) The number of turns of the windings on the pole teeth can be increased and / or the cross-sectional area of the wire used for the windings or the cross-sectional area of the magnetic pole tooth can be increased in order to reduce the heat generated or to better dissipate the heat generated.
(4)
Time and costs for the production of the active magnetic bearing are reduced due to the smaller number of pole teeth and the smaller number of windings.