CZ2009568A3 - Zpusob stabilizace levitujícího rotujícího elementu a zarízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu - Google Patents
Zpusob stabilizace levitujícího rotujícího elementu a zarízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2009568A3 CZ2009568A3 CZ20090568A CZ2009568A CZ2009568A3 CZ 2009568 A3 CZ2009568 A3 CZ 2009568A3 CZ 20090568 A CZ20090568 A CZ 20090568A CZ 2009568 A CZ2009568 A CZ 2009568A CZ 2009568 A3 CZ2009568 A3 CZ 2009568A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- rotating element
- frequency
- signal
- levitating
- levitating rotating
- Prior art date
Links
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 title claims abstract description 6
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 38
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims description 9
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
- F16C32/0446—Determination of the actual position of the moving member, e.g. details of sensors
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
- F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
Vynález se týká zpusobu stabilizace levitujícího rotujícího elementu obsahujícího polohová cidla (2, 3) spojená s vyhodnocovacími obvody. Polohová cidla (2, 3) jsou situována v prostredí s nepríznivými mericími podmínkami v blízkosti pohonu levitujícího rotujícího elementu. Zjištuje se poloha levitujícího rotujícího elementu, z níž se tvorí vstupní signál regulacního zarízení, jehož výstupním signálem je levitující rotující element automaticky streden do stredu statoru. Stabilizace levitujícího rotujícího elementu behem jeho otácení se provádí na základe zmeny úrovne stejnosmerné složky výkonového pohonného signálu PWM, která je dána strídou .alfa., pricemž zmena strídy .alfa. se rídí zmenou stejnosmerného regulacního napetí z vysokofrekvencní cásti zpetnovazební regulacní smycky, která na svém zacátku v míste zjištování polohy levitujícího rotujícího elementu obsahuje alespon jednu dvojici vysokofrekvencních indukcních polohových cidel (2, 3), pricemž signál PWM se generuje na konci regulacní smycky v digitálním signálovém procesoru (10) a velikostí stejnosmerné složky signálu PWM se ovlivnuje poloha levitujícího rotujícího elementu v jeho radiálním smeru a velikostí spínacího kmitoctu signálu PWM se rídí rychlost otácení levitujícího rotujícího elementu. Vynález se také týká zarízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu obsahujícího polohová cidla (2, 3) spojená s vyhodnocovacími obvody, pricemž polohová cidla (2, 3) jsou situovány v prostredí s nepríznivými mericími podmínkami v blízkosti pohonu levitujícího rotujícího elementu.
Description
Způsob stabilizace levitujícího rotujícího elementu a zařízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu
Oblast techniky
Vynález se týká způsobu stabilizace levitujícího rotujícího elementu obsahujícího polohová čidla spojená s vyhodnocovacími obvody, přičemž polohová čidla jsou situována v prostředí s nepříznivými měřicími podmínkami v blízkosti pohonu levitujícího rotujícího elementu, při kterém se zjišťuje poloha levitujícího rotujícího elementu, z níž se tvoří vstupní signál regulačního zařízení, jehož výstupním signálem je levitující rotující element automaticky středěn do středu statoru.
Vynález se také týká zařízeni pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu obsahujícího polohová čidla spojená s vyhodnocovacími obvody, přičemž polohová čidla jsou situována v prostředí s nepříznivými měřicími podmínkami v blízkosti pohonu levitujícího rotujícího elementu.
Dosavadní stav techniky
Rotory plochých bezložiskových vysokootáčkových elektromotorů (PBVE) jsou stabilizovány polohovými čidly s připojenými vyhodnocovacími obvody, které řídí polohu levitujícího rotujícího elementu (LRE). PBVE je jedním ze specifických představitelů aktivních magnetických ložisek (AML), přičemž axiální rozměr LRE je z konstrukčních důvodů významně menši, než celkový průměr PBVE.
Vysokých otáček LRE lze dosáhnout příslušně vysokou hodnotou spínacího kmitočtu výkonového signálu pro napájeni motoru s impulsní šířkovou modulaci PWM. Takovým signálem se však v prostoru statoru PBVE a v jeho okolí generuje velká intenzita signálu rušivého širokopásmového elektromagnetického pole, která spolu s negativním vlivem vysokých otáček LRE prakticky znemožňuje měření polohy známými a pro jiné provozní podmínky vhodnými typy čidel. Dalšími důvody, pro které nelze známá čidla •PS3640CZ použít, jsou mnohdy poměrně vysoké teploty a přítomnost mechanických nečistot v místě, ve kterém jsou instalována.
Vytvořeni dostatečného odstupu signálu od šumu (S/N) je u PBVE zhoršováno navíc tím, že zpravidla nelze umístit polohová čidla v prostoru AML mimo dosah rušivého vysokofrekvenčního pole, naopak čidla jsou z konstrukčních důvodů téměř vždy umístěna právě v oblasti vysoké úrovně tohoto rušivého signálu. Změna amplitudy vysokofrekvenčního signálu indukovaného do polohových čidel z jejich vnějších vinutí by měla být pouze důsledkem změny polohy LRE mezi čidly a neměla by být negativně ovlivněna přítomnými rušivými elektromagnetickými poli. Přitom právě u PBVE mohou úrovně rušivých signálů dominovat nad úrovní žádoucího měrného signálu.
Při návrhu PBVE zejména menších rozměrů se používá buzení jeho statorových vinutí vicefázovým výkonovým PWM signálem se spínacím kmitočtem až několika stovek kHz. Vysoká hodnota spínacího kmitočtu je nutná mimo jiné z důvodu nutnosti zajistit krátkou reakční dobu odezvy mezi polohovým čidlem a rychle se otáčejícím LRE a poměrné malou indukčností použitých statorových cívek. V prostoru statoru je potom signál zdrojem velmi intenzivního elektromagnetického rušení, jehož spektrum zasahuje do oblasti stovek kHz až jednotek MHz. Instalace jakýchkoliv polohových čidel jak v radiálním, tak v axiálním směru je však možná jenom ve značně omezeném prostoru, prakticky v bezprostřední blízkosti statoru a LRE. Poměr S/N užitečného signálu a rušivého signálu může být tak nízký, že nelze zajistit známými prostředky spolehlivé a účinné centrování LRE.
U rychle se otáčejícího LRE způsobuje rychlý vzájemný pohyb LRE a statoru jev zvaný „disappearing target“ (zmizení cíle), čímž se sníží energetická úroveň odezvy tak, že se odezva stává pro regulaci polohy LRE neúčinnou. Odezva signálu do sekundárního vinutí čidla z místa vzniku vysokofrekvenčních vířivých proudů indukovaných v LRE musí být proto energeticky dostatečně velká a s krátkou časovou odezvou.
Je známo zařízení pro potlačení elektromagnetického rušení pro oblast otáček v řádu jednotek tisíc otáček za minutu. Toto zařízení používá v zapojení regulační smyčky číslicový decimační filtr, v němž však nastává podstatné
...........PS304OCZ zpoždění regulačního signálu pro připojený digitální signálový procesor (DSP). Zařízení proto neumožňuje potlačit výše popsaný efekt zmizení cíle a nelze je tudíž použít pro otáčky LRE v oblasti nad sto tisíc otáček za minutu.
Cílem vynálezu je odstranění, nebo alespoň podstatné zmírnění nedostatků dosavadního stavu techniky, které by vedlo k bezpečné stabilizaci LRE v oblasti otáček nad 100.000 otáček za minutu, které jsou požadovány například u intaktních rotačních čerpadel, setrvačníků, turbokompresorů, textilních strojů a podobně.
Podstata vynálezu
Cíle vynálezu je dosaženo způsobem stabilizace levitujícího rotujícího elementu, jehož podstata spočívá v tom, že stabilizace levitujícího rotujícího elementu během jeho otáčení se provádí na základě změny úrovně stejnosměrné složky výkonového pohonného signálu PWM, která je dána střídou a, přičemž změna střídy a se řídí změnou stejnosměrného regulačního napětí z vysokofrekvenční části zpětnovazební regulační smyčky, která na svém začátku v místě zjišťování polohy levitujícího rotujícího elementu obsahuje alespoň jednu dvojici vysokofrekvenčních indukčních polohových čidel, přičemž signál PWM se generuje na konci regulační smyčky v digitálním signálovém procesoru a velikostí stejnosměrné složky signálu PWM se ovlivňuje poloha levitujícího rotujícího elementu v jeho radiálním směru a velikostí spínacího kmitočtu signálu PWM se řídí rychlost otáčení levitujícího rotujícího elementu.
Podstatou zařízení dle vynálezu obsahuje alespoň dvě konstrukčně shodné dvojice polohových čidel obsahujících budicí primární vinutí indukčně spřažené se sekundárním vinutím, přičemž budicí primární vinutí obou čidel jedné dvojice jsou připojena k větvi výkonového výstupu vysokofrekvenčního generátoru měrného signálu, sekundární vinutí jednoho čidla této dvojice je spojeno se vstupem první úzkopásmové propusti a sekundární vinutí druhého čidla této dvojice je spojeno se vstupem druhé úzkopásmové propusti, výstup první úzkopásmové propusti je připojen na invertující vstup rozdílového .:.. ·..’ ·..* ·..· *.p§3640CZ zesilovače a výstup druhé úzkopásmové propusti je připojen na neinvertující vstup rozdílového zesilovače, přičemž výstup rozdílového zesilovače je spojen s neinvertujícím vstupem sčítacího zesilovače, jehož invertujicí vstup je připojen na odporový trimr, jehož neuzemněný konec je připojen k výstupu fázového posouvače, přičemž fázový posouvač je svým vstupem spojen s nevýkonovým výstupem vysokofrekvenčního generátoru měrného signálu a výstup sčítacího zesilovače je spojen se vstupem vysokofrekvenčního usměrňovače, k jehož výstupu je připojen vstup vyhlazovacího filtru, který je svým výstupem připojen ke vstupu digitálního signálového procesoru.
Přehled obrázků na výkrese
Příkladná provedení vynálezu jsou schematicky znázorněna na výkrese, kde značí obr. 1 uspořádání plochého bezložiskového vysokootáčkového elektromotoru se třemi dvojicemi polohových čidel, obr. 2 elektrické zapojeni zařízení podle vynálezu a obr. 3 graf závislosti regulačního napětí na poloze rotoru.
Příklady provedeni vynálezu
Na obr. 1 je znázorněn plochý bezložiskový vysokootáčkový elektromotor 1 (PBVE), jehož rotor 100, tvořící levitující rotující element - LRE, je obklopen třemi dvojicemi D, ( D2, D, D ) vysokofrekvenčních indukčních polohových čidel 2, 3 (22, 2, 2 32, 322, 3'). Polohová čidla 2, 3 jsou umístěna v bezprostřední blízkosti vnějšího obvodu rotoru 100· Rotor 100 je vyroben z feromagnetického materiálu. Každé čidlo 2, 3 je tvořeno malým plochým transformátorem s tištěnými plošnými vinutími, přičemž primární vinutí 21, 31 a sekundární vinutí 22, 32 každého čidla 2, 3 jsou umístěna na protilehlých plochách oboustranného tištěného spoje. Obě vinuti 21, 31, 22, 32 každého čidla 2, 3 mají stejný počet závitů, obecně se však mohou lišit podle požadavků na impedanční přizpůsobení dalších elektrických prvků, které jsou k těmto primárním a sekundárním vinutím 21, 31. 22, 32 dále připojeny.
·..··..· *»P*S3040CZ
Všechny dvojice D čidel 2, 3, v příkladném provedení tři dvojice D', D, D, jsou realizovány na jedné společné kruhové desce tištěného spoje. Tím je zaručena dobrá reprodukovatelnost parametrů a jejich stálost i v extrémně nepříznivých pracovních podmínkách čidel 2, 3. U velkých průměrů rotorů je z konstrukčních, montážních a jiných dalších důvodů výhodné realizovat čidla 2, 3 na samostatných dílčích plošných spojích.
Na obr. 2 je znázorněno zapojení jedné regulační smyčky spojené s dvojicí D' polohových čidel 2^, 3' pro zjišťování polohy rotoru 100 ve směru spojnice polohových čidel 2^, 3\ Zapojení regulačních smyček dvojic D, D' jsou totožná se zapojením regulační smyčky dvojice D'.
Zařízení obsahuje vysokofrekvenční generátor 4 měrného signálu, který je opatřen výstupem 41 vysokofrekvenčního signálu rozvětveným do odbočených větví 411, 412, 413 a dále je opatřen nevýkonovými výstupy 42', 42, 42
Další popis se vztahuje k jedné regulační smyčce, pro přehlednost jsou vztahové značky v popisu uváděny bez označení čárkou.
Měrný signál vysokofrekvenčního generátoru 1. je z výstupu 41 odbočenou větví 411 připojen na primární vinutí 21, 31 polohových čidel 2, 3 jedné dvojice D čidel 2, 3. Odbočené větve 412, 413 stejného měrného signálu jsou analogicky vedeny k primárním vinutím polohových čidel dalších dvojic D čidel 2, 3.
Sekundární vinutí 22, 32 jsou připojena ke vstupu úzkopásmových propustí 23, 33. Před nimi jsou čárkovaně znázorněny separační zesilovače 24, 34, které jsou takto zapojeny v alternativním provedení.
Výstup úzkopásmové propusti 23 je připojen k invertujícímu vstupu 251 rozdílového zesilovače 25, výstup úzkopásmové propusti 33 je připojen k neinvertujícímu vstupu 252 rozdílového zesilovače 25. Výstup rozdílového zesilovače 25 je připojen k neinvertujícímu vstupu 51 sčítacího zesilovače 5.
Příslušný nevýkonový výstup 42 vysokofrekvenčního generátoru 1. je veden přes fázový posouvač 6 a odporový trimr 7 k invertujícímu vstupu 52 sčítacího zesilovače 5. Výstup sčítacího zesilovače 5 je veden do dvoucestného
·..··..· ’•pSg^fOCZ vysokofrekvenčního usměrňovače 8 a dále přes vyhlazovací filtr 9 do digitálního signálového procesoru 10, jehož vstup je opatřen analogově digitálním převodníkem.
Signály digitálního signálového procesoru 10 jsou z jeho dvou výstupů vedeny k výkonovým spínačům 11. 12 obsahujícím výkonové tranzistory. Výstupy výkonových spínačů 11. 12 jsou připojeny k výkonovým vinutím 13, 14 statoru plochého bezložiskového vysokootáčkového elektromotoru 1Funkce zařízení podle vynálezu spočívá obecně ve zjišťování polohy levitujícího rotujícího elementu tvořeného rotorem 100. z níž se tvoří vstupní signál regulačního zařízeni, jehož výstupem je automatické středění otáčejícího se rotoru 100 do středu statoru prostřednictvím změny střídy a signálu s impulsní šířkovou modulací (PWM), přičemž střída g je dána vztahem α =τ /T, kde je τ ... střída, tj. poměr časů, ve kterých je u periodických signálů, které během jedné periody přecházejí z jedné úrovně do druhé a naopak, signál v jednotlivých úrovních, τ ...je doba trvání impulzu PWM
T ...je délka spínací periody PWM signálu.
Důležitou podmínkou funkce celého zařízení je výstupní výkon vysokofrekvenčního generátoru 1, který je dostatečně velký, aby vstupní obvod regulační smyčky, tj. rozdílový zesilovač 25, byl po odfiltrování rušivých signálů vybuzen přiměřenou úrovní měrného signálu. Impedance koncového stupně vysokofrekvenčního generátoru 1 je nízká tak, aby bylo zajištěno patřičné impedanční přizpůsobení ke všem primárním vinutím 21, 31 čidel 2, 3 připojeným paralelně ke koncovému stupni vysokofrekvenčního generátoru 1..
V úzkopásmových propustích 23, 33 jsou účinně potlačeny nežádoucí rušivé signály indukované do sekundárních vinutí 22, 32, čímž je umožněno jejich další efektivní zpracováni v následných obvodech, nutných pro centrování rotoru 100. Z tohoto důvodu je výhodné použití úzkopásmových propustí 23, 33 s co nejmenší možnou šířkou pásma.
•pfes&focz
Výstupní signál sčítacího zesilovače 5 je výsledkem zpracování vstupního signálu s polaritou -180° nebo +180° přiváděného vstupem 51 z rozdílového zesilovače 25 a „posouvacího“ signálu soufázového s měrným signálem, který je přiváděn vstupem 52 od odporového trimru 7 a který má stálou amplitudu, která je stejně velká, jako je maximální hodnota amplitudy měrného signálu přiváděného vstupem 51. Této maximální velikosti amplitudy měrného signálu se dosahuje při krajních polohách rotoru 100 ve směru od středu statoru k čidlům 2,3 a její hodnota nabývá jen takové úrovně, že sčítaci zesilovač 5 není přebuzen, tzn., že při jakékoliv úrovni signálů zobou svých vstupů 51, 52 nepracuje v saturačním režimu.
Soufázovost „posouvacího“ signálu s měrným signálem na vstupech sčítacího zesilovače 5 lze nastavit jednoduchým RC fázovacím obvodem, který slouží jako fázový posouvač 6. Toto nastavení je obvykle pevně nastaveno již z výroby. V některých aplikacích regulačních smyček však nastavování není důležité, příslušné prostředky nemusí být proto instalovány. Potřebná velikost amplitudy „posouvacího“ signálu se v této větvi nastavuje odporovým trimrem 7.
Vysokofrekvenční střídavý signál z výstupu sčítacího zesilovače 5 je usměrněn v dvoucestném vysokofrekvenčním usměrňovači 8 a střídavá složka zvlnění je po usměrnění odfiltrována vyhlazovacím filtrem 9.
Aby zpoždění změny regulačního signálu vyvolaného změnou polohy rotoru 100 bylo malé, jsou časové odezvy zpracovávaného signálu v obvodech vysokofrekvenčního usměrňovače 8 a vyhlazovacího filtru 9 co nejkratší. Proto jsou s výhodou ve vysokofrekvenčním usměrňovači 8 použity jako usměrňovače vysokofrekvenční nízkovýkonové Schottkyho diody s malými difuzními kapacitami. Rovněž časové konstanty RC nebo LC členů ve vyhlazovacím filtru 9, jejichž vlivem dochází k podstatnému zpoždění změny regulačního signálu se změnou polohy rotoru, jsou voleny jen do takové velikosti, aby hodnota zvlnění regulačního napětí nepřekročila velikost kvantizačniho kroku analogově digitálního převodníku v digitálním signálním procesoru 10.
Činnost příkladného zařízení podle vynálezu je graficky znázorněna na obr. 3, kde je uveden požadovaný a zařízením realizovatelný průběh závislosti 'PS3640CZ regulačního napětí Ur budícího analogově digitální převodník digitálního signálového procesoru 10, jímž se řídí velikost střídy a vícefázových hnacích a centrujících signálů s impulsní šířkovou modulací. Protifázové (invertované) výstupy těchto signálů ze dvou výstupů digitálního signálového procesoru 10 budí prostřednictvím výkonových spínačů 11, 12 výkonová statorová vinutí 13, 14 plochého bezložiskového vysokootáčkového elektromotoru.
Jak vyplývá z výše uvedeného popisu, využívá se ke středění rotoru během jeho otáčení možné změny úrovně stejnosměrné složky výkonového pohonného signálu PWM. Stejnosměrná složka signálu PWM je dána jeho střídou α = τ/Τ. Změna střídy a je řízena změnou stejnosměrného regulačního napětí z vysokofrekvenční části zpětnovazební regulační smyčky, na obr.2, na jejímž začátku v místě zjišťování polohy levitujícího rotujícího elementu, je situována dvojice vysokofrekvenčních indukčních čidel 2, 3 polohy. Signál PWM je generován na konci regulační smyčky v digitálním signálovém procesoru 10. Úrovní stejnosměrné složky signálu PWM se ovlivňuje poloha rotoru v jeho radiálním směru a je uskutečňována radiálně působící silou od magnetické složky elektromagnetického pole signálu PWM, vyvolaného výkonovými vinutími 13. 14. Tato vinutí 13, 14 jsou buzena ze spínačů 11. 12. spínaných signály PWM z výstupů digitálního signálového procesoru 10. Výkonový signál PWM je však určen také k vytvoření hnací síly, tečné ke kruhovému magnetickému toku PWM od statorových vinutí 13, 14 , která vyvolává rotační pohyb levitujícího rotujícího elementu. Počet otáček (ot/min) levitujícího rotujícího elementu je určen velikostí spínacího kmitočtu signálu PWM a jeho velikost může být volena v digitálním signálovém procesoru 10.
Velikost střídy a lze měnit změnou velikostí stejnosměrného regulačního napětí Ur přivedeného na vstup analogově-čislicového převodníku, který je např. součástí digitálního signálového procesoru 10. Hodnota stejnosměrného regulačního napětí je přímo úměrná výchylce x levitujícího rotujícího elementu od středu statoru z jeho jedné krajní polohy (podle obr. 3 např.: x = 0 mm) do jeho druhé krajní polohy (podle obr. 3 např.: x = 2 mm). Stejnosměrné regulační napětí se získává vhodným zpracováním vysokofrekvenčních střídavých hodnot regulačních napětí Urí a Urj generovaných v sekundárních vinutích polohových
PS3&IOCZ čidel 2 a 3. Tato čidla 2 a 3 jsou na vstupu zpětnovazební regulační smyčky zapojena tak, aby jejich vysokofrekvenční výstupy byly soufázové.
Primární vinutí obou čidel 2 a 3 jsou buzena vysokofrekvenčním měrným signálem z výkonového výstupu vysokofrekvenčního generátoru 4 měrného signálu. Ze sekundárních, tj. snímacích, vinutí 22, 32 čidel 2 a 3, induktivně navázaných k sobě příslušným primárním vinutím 21. 31, se odebírají soufázová vysokofrekvenční regulační napětí na vstupy vysokofrekvenčního rozdílového zesilovače 25 přes úzkopásmové propusti 23 a 33, jejichž úkolem je potlačení nežádoucích rušivých složek elektromagnetického pole, zejména u signálu PWM, které by mohly znemožnit účinnou stabilizaci levitujícího rotujícího elementu.
Priblíží-li se levitující rotující element k jednomu z dvojice čidel 2, 3, dojde v místě přiblížení v kovovém levitujícím rotujícím elementu ke zvýšenému indukování vířivých proudů vysokofrekvenčního měrného signálu, tj. ke ztrátám výkonu tohoto vysokofrekvenčního signálu ohřevem materiálu levitujícího rotujícího elementu a tedy i k úbytku přenosu vysokofrekvenční energie z primárního vinuti 21, 31 čidla 2, 3 do jeho sekundárního vinutí 22, 32. U protilehlého čidla 3, 2 z dvojice naopak dojde k opačnému jevu, tzn. ke zvýšenému přenosu vysokofrekvenční energie do jeho sekundárního vinutí 32, 22. Stejná míra přenosu vysokofrekvenční energie do obou čidel 2, 3 nastává jen tehdy, je-li levitující rotující element přesně uprostřed mezi čidly 2, 3, tj. když střída a signálu PWM je konstantní. Na výstupu vysokofrekvenčního rozdílového zesilovače 25 se tato situace projeví nulovou hodnotou výsledného vysokofrekvenčního regulačního napětí. Na obr. 3 této pozici levitujícího rotujícího elementu odpovídá střed regulační charakteristiky Ur = f(x).
Vychýlením levitujícího rotujícího elementu ze středu statoru na jednu, nebo druhou stranu dojde v rozdílovém zesilovači 25 k zesílení a odečítání amplitudově nestejně velkých soufázových vysokofrekvenčních regulačních napětí. Amplituda vysokofrekvenčního signálu na výstupu vyjadřuje v tomto případě míru vychýlení x levitujícího rotujícího elementu a jeho fáze (polarita signálu) vyjadřuje směr tohoto vychýleni. Při vychýlení levitujícího rotujícího elementu na jednu stranu bude tento výsledný signál vykazovat vzhledem k
...........Psa&wcz referenčnímu signálu např. polaritu -180°, při vychýlení na druhou stranu se změní polarita na + 180° (resp. obráceně při záměně signálů). Referenčním signálem je zde budící vysokofrekvenční měrný signál z vysokofrekvenčního generátoru 4.
K přeměně výsledného vysokofrekvenčního regulačního napětí z výstupu vysokofrekvenčního rozdílového zesilovače 25 na stejnosměrné regulační napětí je využito zapojení vysokofrekvenčního sčitacího zesilovače 5, na jehož výstupu je zapojen dvoucestný vysokofrekvenční usměrňovač 8, následovaný vyhlazovacím filtrem 9. Na invertující vstup sčitacího zesilovače 5 je přiveden vysokofrekvenční signál z výstupu 25, měnící se se změnou polohy levitujícího rotujícího elementu, zatímco neinvertující vstup je buzen z vysokofrekvenčního generátoru 4 přes fázovací člen 6 a odporový trimr 7 referenčním vysokofrekvenčním měrným signálem s vhodně nastavenou konstantní fází a konstantní amplitudou. Amplituda referenčního signálu se nastaví odporovým trimrem 7 na stejnou úroveň vysokofrekvenčního signálu, jako je signál na výstupu rozdílového zesilovače 25, kterého se dosahuje při jedné nebo druhé krajní poloze levitujícího rotujícího elementu mezi čidly 2, 3. V případě, kdy tento vysokofrekvenční signál vykazuje při jedné krajní poloze levitujícího rotujícího elementu např. obrácenou fázi vůči fázi referenčního signálu, tyto signály se ve sčítacím zesilovači 5 odečítají a na jeho výstupu je nulová hodnota vysokofrekvenčního regulačního napětí. Usměrněná hodnota stejnosměrného regulačního napětí je rovněž nulová, což odpovídá počátečnímu bodu 0 na grafické závislosti na obr. 3. Při druhé krajní poloze levitujícího rotujícího elementu budou vysokofrekvenční signály na vstupech rozdílového zesilovače 25 soufázové a kromě toho, že se zesilují se také sčítají tak, že na výstupu zesilovače 25 bude při jeho činnosti v lineárním režimu dosaženo maximální hodnoty vysokofrekvenčního regulačního napětí. Dvoucestným usměrněním a filtraci ve vyhlazovacím filtru 9 obdržíme maximální hodnotu stejnosměrného regulačního napětí vyznačenou v grafu na obr. 3.
Velikosti zesíleni vysokofrekvenčních zesilovačů, případně velikosti vysokofrekvenčních regulačních napětí, musí být nastaveny tak, aby při * *PS3Ě40CZ jakékoliv poloze levitujícího rotujícího elementu mezi čidly 2, 3 nedošlo k limitaci zesíleného signálu na výstupu vlivem jejich saturace.
Aby vysokofrekvenční regulační a referenční signál na vstupech 51, 52 sčitacího zesilovače 5 byly synchronní, je v některých případech nutno 5 kompenzovat dopravní zpoždění vysokofrekvenčního regulačního signálu v čidlech 2, 3, v separačních zesilovačích 24, 34, v úzkopásmových propustech 23, 33 a v rozdílovém zesilovači 25 pomoci fázovacího členu 6. V méně kritických případech tato kompenzace není nutná.
Prezentovaná metoda a jí odpovídající relativně jednoduchá konfigurace 10 regulační smyčky zaručuje minimální vliv jak rušivého pozadí, tak celkového dopravního zpoždění regulačního signálu ve smyčce na účinnou stabilizaci levitujícího rotujícího elementu.
•PS364OCZ
| 12 |
Seznam vztahových značek
| 1 | plochý bezložiskový vysokootáčkový elektromotor |
| 2, 2,2”, 2' 21,2Γ, 21, 21 ' 22, 22', 22”, 22 23 | polohové čidlo primární vinutí sekundární vinutí úzkopásmová propust |
| 24 | separační zesilovač |
| 25 | rozdílový zesilovač |
| 3, 3', 3”, 3' 31,3Γ, 31, 3Γ 32, 32', 32 ,32 33 | polohové čidlo primární vinutí sekundární vinutí úzkopásmová propust |
| 34 | separační zesilovač |
| 4 | vysokofrekvenční generátor |
| 41 | výstup měrného signálu |
| 411,412,413 42', 42”, 42' 5 | odbočený výstup nevýkonový výstup sčítací zesilovač |
| 51 | vstup (sčítacího zesilovače) |
| 52 | vstup (sčítacího zesilovače) |
| 6 | fázový posouvač |
| 7 | odporový trimr |
| 8 | vysokofrekvenční usměrňovač |
| 9 | vyhlazovací filtr |
| 10 | digitální signálový procesor |
| 11 | výkonový spínač |
| 12 | výkonový spínač |
| 13 | výkonové vinutí PBVE |
| 14 | výkonové vinutí PBVE |
| 100 | rotor PBVE |
.......... *PS36ítOCZ
Claims (7)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Způsob stabilizace levitujícího rotujícího elementu obsahujícího polohová čidla spojená s vyhodnocovacími obvody, přičemž polohová čidla jsou situována v prostředí s nepříznivými měřicími podmínkami v blízkosti pohonu levitujícího rotujícího elementu, při kterém se zjišťuje poloha levitujícího rotujícího elementu, z níž se tvoří vstupní signál regulačního zařízení, jehož výstupním signálem je levitující rotující element automaticky středěn do středu statoru, vyznačující se tím, že stabilizace levitujícího rotujícího elementu během jeho otáčeni se provádí na základě změny úrovně stejnosměrné složky výkonového pohonného signálu PWM, která je dána střídou a, přičemž změna střídy a se řídí změnou stejnosměrného regulačního napětí z vysokofrekvenční části zpětnovazební regulační smyčky, která na svém začátku v místě zjišťování polohy levitujícího rotujícího elementu obsahuje alespoň jednu dvojici vysokofrekvenčních indukčních polohových čidel (2, 3), přičemž signál PWM se generuje na konci regulační smyčky v digitálním signálovém procesoru (10) a velikostí stejnosměrné složky signálu PWM se ovlivňuje poloha levitujícího rotujícího elementu v jeho radiálním směru a velikostí spínacího kmitočtu signálu PWM se řídí rychlost otáčení levitujícího rotujícího elementu.
- 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že z polohových čidel (2 a 3) se odebírají soufázová vysokofrekvenční regulační napětí na vstupy vysokofrekvenčního rozdílového zesilovače (25) přes úzkopásmové propusti (23, 33).
- 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že rozdíl soufázových vysokofrekvenčních regulačních napětí se sečte s budicím signálem vysokofrekvenčního generátoru (4) a výsledný signál se usměrňuje a vyhlazuje.
- 4. Zařízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu obsahující polohová čidla spojená s vyhodnocovacími obvody, přičemž polohová čidla jsou situována v prostředí s nepříznivými měřicími podmínkami v blízkosti pohonuFS3640CZ levitujícího rotujícího elementu, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň dvě konstrukčně shodné dvojice (D',D) polohových čidel (2,3) obsahujících budicí primární vinutí (21,31) indukčně spražené se sekundárním vinutím (22,32), přičemž budicí primární vinutí (21,31) obou čidel (2,3) jedné dvojice (D ) jsou připojena k větvi (411) výkonového výstupu (41) vysokofrekvenčního generátoru (1) měrného signálu, sekundární vinutí (22) jednoho čidla (2) této dvojice (D') je spojeno se vstupem první úzkopásmové propusti (23) a sekundární vinutí (32) druhého čidla (3) této dvojice (D') je spojeno se vstupem druhé úzkopásmové propusti (33), výstup první úzkopásmové propusti (23) je připojen na invertující vstup (251) rozdílového zesilovače (25) a výstup druhé úzkopásmové propusti (33) je připojen na neinvertující vstup (252) rozdílového zesilovače (25), přičemž výstup rozdílového zesilovače (25) je spojen s neinvertujícím vstupem (51) sčítacího zesilovače (5), jehož invertující vstup (52) je připojen na odporový trimr (7), jehož neuzemněný konec je připojen k výstupu fázového posouvače (6), přičemž fázový posouvač (6) je svým vstupem spojen s nevýkonovým výstupem (42 ) vysokofrekvenčního generátoru (1) měrného signálu a výstup sčítacího zesilovače (5) je spojen se vstupem vysokofrekvenčního usměrňovače (8), k jehož výstupu je připojen vstup vyhlazovacího filtru (9), který je svým výstupem připojen ke vstupu digitálního signálového procesoru (10).
- 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že mezi výstupy čidel (2, 3) a vstupy úzkopásmových propustí (23,33) jsou zařazeny separační zesilovače (24,34).
- 6. Zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že primární a sekundární vinutí (21,31,22, 32) čidel (2, 3) má tvar plochých spirálových cívek situovaných na protilehlých plochách tištěného spoje.
- 7. Zařízeni podle kteréhokoliv z nároků 4 až 6, vyznačující se tím, že měrný signál vysokofrekvenčního generátoru (1) má frekvenci v dostatečném odstupu od frekvence signálů pro řízení soustavy motor — magnetické ložisko.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20090568A CZ302646B6 (cs) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Zpusob stabilizace levitujícího rotujícího elementu a zarízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20090568A CZ302646B6 (cs) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Zpusob stabilizace levitujícího rotujícího elementu a zarízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2009568A3 true CZ2009568A3 (cs) | 2011-03-09 |
| CZ302646B6 CZ302646B6 (cs) | 2011-08-10 |
Family
ID=43661277
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ20090568A CZ302646B6 (cs) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Zpusob stabilizace levitujícího rotujícího elementu a zarízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ302646B6 (cs) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ2013205A3 (cs) | 2013-03-22 | 2014-10-22 | Rieter Cz S.R.O. | Zařízení pro snímání polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku |
| CN112240346B (zh) * | 2020-12-18 | 2021-03-23 | 天津飞旋科技有限公司 | 磁悬浮轴承控制系统及磁悬浮轴承 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4216481A1 (de) * | 1992-05-19 | 1993-12-02 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Magnetlagerregler |
| US5708312A (en) * | 1996-11-19 | 1998-01-13 | Rosen Motors, L.P. | Magnetic bearing system including a control system for a flywheel and method for operating same |
| JP4036567B2 (ja) * | 1999-01-27 | 2008-01-23 | 株式会社荏原製作所 | 制御形磁気軸受装置 |
| JP3901897B2 (ja) * | 1999-08-25 | 2007-04-04 | 株式会社荏原製作所 | 磁気軸受装置 |
| JP4241223B2 (ja) * | 2002-08-30 | 2009-03-18 | 株式会社島津製作所 | 磁気軸受装置 |
| JP4476694B2 (ja) * | 2003-06-25 | 2010-06-09 | 株式会社荏原製作所 | 磁気軸受装置および磁気軸受装置を備えた流体機械 |
| US7830056B2 (en) * | 2005-07-05 | 2010-11-09 | Ebara Corporation | Magnetic bearing device and method |
| JP5045894B2 (ja) * | 2006-05-09 | 2012-10-10 | 株式会社島津製作所 | 磁気軸受装置 |
| EP1939473B1 (en) * | 2006-12-29 | 2018-05-23 | Rieter CZ s.r.o. | The method of leviation, centering, stabilization and driving of electromagnetic functional part of radial electromagnetic bearing and electrical ratation drive, electromagnetic bearing and driving system and spinning mechnism of rotor spinning machine |
| JP5025505B2 (ja) * | 2008-01-24 | 2012-09-12 | 株式会社荏原製作所 | 磁気軸受装置 |
-
2009
- 2009-08-26 CZ CZ20090568A patent/CZ302646B6/cs not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ302646B6 (cs) | 2011-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8482174B2 (en) | Electromagnetic actuator | |
| JP5025505B2 (ja) | 磁気軸受装置 | |
| US9347489B2 (en) | Magnetic bearing device and vacuum pump | |
| Chiba et al. | A PWM harmonics elimination method in simultaneous estimation of magnetic field and displacements in bearingless induction motors | |
| CN105823452B (zh) | 一种磁轴承用位移传感器位移信号调理方法 | |
| US10619669B2 (en) | Magnetic bearing control device and vacuum pump | |
| CA2836520C (en) | Magnetic radial bearing with three-phase actuation | |
| US11015609B2 (en) | Magnetic levitation control device and vacuum pump | |
| JPH09105414A (ja) | ロータを軸支する磁気軸受 | |
| US11271467B2 (en) | Coaxial double-rotor variable-speed electromagnetic drive | |
| Peng et al. | Design and control of a novel bearingless SRM with double stator | |
| US9755477B2 (en) | Magnetic mounting with force compensation | |
| CZ2009568A3 (cs) | Zpusob stabilizace levitujícího rotujícího elementu a zarízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu | |
| KR101291577B1 (ko) | 등속운동용 자기 베어링 시스템 | |
| Kumar et al. | Design and analysis of a radial active magnetic bearing for vibration control | |
| WO2011074996A2 (en) | Active magnetic bearing and control system for active magnetic bearing | |
| Asama et al. | Suspension force investigation for consequent-pole and surface-mounted permanent magnet bearingless motors with concentrated winding | |
| CN110832213B (zh) | 磁轴承装置中的杂散磁通补偿 | |
| KR100323327B1 (ko) | 회전체의진동억제장치 | |
| JP4889350B2 (ja) | 磁気軸受装置 | |
| CZ20723U1 (cs) | Zařízení pro stabilizaci levitujícího rotujícího elementu | |
| Peng et al. | Design and characteristic analysis of a novel bearingless SRM with double stator | |
| Kumar et al. | Vibration control using BCW induction motor | |
| Miyamoto et al. | Suspension characteristics measurement of a bearingless motor | |
| RU124457U1 (ru) | Синхронная электрическая машина с осевым магнитным потоком |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20160826 |