CZ2013205A3

CZ2013205A3 - Zařízení pro snímání polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku

Info

Publication number: CZ2013205A3
Application number: CZ2013-205A
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Štusák
Original assignee: Rieter Cz S.R.O.
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-10-22
Also published as: EP2781888B1; CN104061846B; US9453715B2; CN104061846A; EP2781888A3; EP2781888A2; US20140285186A1

Abstract

Vynález se týká zařízení pro snímání polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku, které obsahuje snímače (A, B) polohy otáčejícího se pracovního prostředku, detektory (D) výstupního signálu řečených snímačů a vyhodnocovací obvody napojené na řídicí systém aktivního magnetického ložiska. Snímače (A, B) polohy jsou tvořeny vysokofrekvenčními transformátory, z nichž každý je přímo napojen na detektor (D) svého výstupního signálu, a detektory (D) jsou tvořeny elektrickým čtyřpólem s nelineární převodní charakteristikou.

Description

Zařízení pro snímání polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro snímání polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku, které obsahuje snímače polohy otáčejícího se pracovního prostředku, detektory výstupního signálu řečených snímačů polohy a vyhodnocovací obvody napojené na řídicí systém aktivního magnetického ložiska.

Dosavadní stav techniky

Pro potřeby uložení velmi rychle se otáčejících pracovních prostředků, například spřádacích rotorů rotorových dopřádacích strojů, existují speciální zařízení, která pomocí řízených magnetických sil zajišťují polohu otáčejícího se pracovního prostředku. Taková zařízení se souhrnně označují jako aktivní magnetická ložiska.

K zajištění levitace, tj. funkce ložiska, otáčejícího se pracovního prostředku pomocí aktivního magnetického ložiska je přitom zcela nezbytná znalost okamžité polohy otáčejícího se pracovního prostředku v magnetickém poli aktivního magnetického ložiska a znalost případných změn této polohy v čase v trojrozměrném pravoúhlém souřadném systému s osami x, y, z, což je primární předpoklad pro aktivní stabilizaci polohy osy otáčení otáčejícího se pracovního prostředku v prostoru. Otáčející se pracovní prostředek musí být regulačním (řídicím) zařízením na základě kontinuálně sledovaných a vyhodnocovaných údajů udržován v požadované poloze také proto, aby nedošlo vlivem vychýlení otáčejícího se pracovního prostředku k havárii otáčejícího se pracovního prostředku se všemi negativními důsledky plynoucími z vysoké rychlosti otáčení otáčejícího se pracovního prostředku, např. havárie kontaktem otáčejícího se pracovního prostředku s ostatními částmi aktivního magnetického ložiska.

Obvykle se k určení polohy otáčejícího se pracovního prostředku v magnetickém poli používají snímače založené na využití principu vířivých proudů pomocí měřící elektrické cívky nebo dvojice cívek se vzájemnou induktivní vazbou. Změna polohy rotoru v magnetickém poli aktivního magnetického ložiska vyvolá změnu střídavého napětí na měřící elektrické cívce, která je buzena střídavým napětím buďto prostřednictvím přímé vazby nebo prostřednictvím induktivní vazby z druhé cívky. Výstupní signál cívky v podobě střídavého napětí na měřící cívce je následně zpracováván detektorem. Velikost (amplituda) tohoto indukovaného střídavého napětí pak závisí na poloze spřádacího rotoru v magnetickém ložisku, přičemž hodnota velikosti indukovaného napětí se získá pomocí výše uvedeného detektoru, který provádí ve své podstatě usměrnění indukovaného střídavého napětí, takže velikost usměrněného indukovaného napětí odpovídá poloze spřádacího rotoru vůči snímači polohy. Známé systémy snímačů polohy obvykle pracují s kmitočty v řádu desítek až stovek kilohertz, případně jednotek megahertz, což vyžaduje použití snímacích cívek s větším množstvím závitů, případně použití plošných cívek poměrně velkých rozměrů, obvykle umístěných v rovině kolmé na osu otáčení pracovního prostředku. Výroba takovýchto cívek bývá technologicky náročná s přihlédnutím k požadavkům sériové výroby, jako jsou malé tolerance, stálost parametrů a nízká cena. Při použití větších cívek navíc nastává problém při detekci polohy takového otáčejícího se pracovního prostředku, jehož průměr je malý ve srovnání s těmito cívkami, například průměr pohonového hřídele.

Nejjednoduššími známými detektory použitelnými v této oblasti jsou prosté nebo různě kompenzované diodové usměrňovače, jejichž nevýhodou je však skutečnost, že nejsou schopny dostatečně přesně a stabilně detekovat velmi malá indukovaná napětí v řádu milivoltů. Další jejich nevýhoda je jejich teplotní závislost. Pro dosažení větší přesnosti nebo teplotní stálosti pak tyto detektory často vyžadují také individuální nastavení. V některých případech je mezi snímací cívku a detektor zařazován i zesilovač, často i selektivní. Viz například CZ 302 646.

Obecně je za velmi precizní metodu detekce malých signálů považováno využití různých typů synchronních nebo obecně řízených usměrňovačů s polovodičovými spínači. Jejich nevýhodou je však určité omezení pracovní frekvence v řádu jednotek MHz a většinou i větší složitost a tím i cena detektorů, které jsou založeny na tomto principu. U aktivních magnetických ložisek, kde se dosahuje vysokých otáček i nad 100.000 min'¹, však i u těchto detektorů nastává problém s detekcí a vyhodnocováním velmi malých střídavých napětí pocházejících právě ze snímačů polohy spřádacího rotoru pracujících na výše již zmíněném principu vířivých proudů, což je způsobeno zejména vlivem elektromagnetického rušení vznikajícího při vlastní činnosti aktivního magnetického ložiska, zejména jeho budících (akčních) cívek. Pracovní frekvence budicích cívek aktivního magnetického ložiska bývá totiž také nízká, často je blízká frekvenci, na niž pracují detektory, čímž bývá obtížné toto rušení účinně eliminovat.

Obecně je také známo použití detektorů střídavých signálů, které jsou založeny na principu nelinearity převodní charakteristiky čtyřpólu, s výhodou pak tzv. polem řízeného tranzistoru. Výstupní signály z takových detektorů však nejsou přímo úměrné změnám střídavého napětí na měřicích elektrických cívkách snímačů polohy a je proto obvykle nutné je korigovat stejnosměrným korekčním signálem.

Z CZ patentu č. 302 646 je znám způsob stabilizace levitujícího rotujícího elementu (LRE) pomocí vysokofrekvenčních indukčních snímačů polohy spojených s vyhodnocovacími obvody (detektory) výstupních signálů snímačů. Celá soustava tvoří ve své podstatě plochý vysokootáčkový elektromotor s magnetickým ložiskem, u něhož rotor je tvořen právě levitujícím rotujícím elementem, tj. spřádacím rotorem dopřádacího stroje. Indukční snímače polohy LRE jsou uspořádány v bezprostřední blízkosti vnějšího obvodu LRE a jsou rozmístěny po obvodu LRE ve třech dvojicích, přičemž všechny tři dvojice snímačů polohy leží v jedné společné rovině kolmé na osu otáčení LRE. Vysokofrekvenční indukční snímače polohy pracují na frekvencích ve stovkách kHz. LRE je vyroben z feromagnetického materiálu, přičemž každý z vysokofrekvenčních indukčních snímačů polohy je ve své podstatě tvořen plochým transformátorem s plošnými vinutími vytvořenými na protilehlých stranách desky plošného (tištěného) spoje a ležícím v ploše kolmé na osu otáčení spřádacího rotoru. Primární vinutí (budicí vinutí) obou snímačů každé dvojice snímačů jsou připojena k větvi výkonového výstupu vysokofrekvenčního (budicího) generátoru měrného signálu, sekundární vinutí jednoho snímače každé dvojice snímačů je spojeno se vstupem první úzkopásmové propusti a sekundární vinutí druhého snímače každé dvojice snímačů je spojeno se vstupem druhé úzkopásmové propusti. Výstupní signál každé dvojice snímačů je nejprve zpracováván (zesilován) na střídavé úrovni a teprve následně je veden do vysokofrekvenčního usměrňovače, k jehož výstupu je připojen vstup vyhlazovacího filtru, který je svým výstupem připojen ke vstupu digitálního signálového procesoru. Toto uspořádání sice určitým způsobem díky použití úzkopásmových propustí ve střídavé cestě signálu snižuje negativní vlivy rušivého pozadí vytvářeného samou podstatou fungování magnetického ložiska, avšak jeho nevýhodou je složitost a nedostatečná tepelná stabilita. Navíc toto uspořádání vyžaduje individuální nastavování středové polohy osy otáčení LRE (rotoru) pomocí nastavovacích prvků, což dále zvyšuje náročnost a obtížnost nasazení tohoto řešení v praxi. Toto řešení také neumožňuje efektivně a spolehlivě detekovat případné naklonění osy otáčení LRE vůči ideální ose otáčení LRE, tzn. naklopení rotoru, přičemž toto případné naklonění může vést až ke kontaktu rychle se otáčejícího LRE s ostatními částmi aktivního magnetického ložiska, což může vést k havárii celého systému, včetně zničení zařízení a ohrožení zdraví obsluhy. Vzhledem k poměrně nízkému pracovnímu kmitočtu snímače polohy je tento systém rovněž citlivý na materiál, z něhož se skládá spřádací rotor v oblasti přilehlé ke snímači, neboť na těchto nízkých kmitočtech je hloubka vniku elektromagnetického pole do materiálu rotoru poměrně značná. Povrchový jev, tzv. skin efekt, se zde totiž uplatňuje v poměrně malé míře.

Cílem vynálezu je odstranit nebo alespoň zmírnit nedostatky současného stavu techniky, zejména pak zlepšit parametry sledování polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo zařízení pro snímání polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku, jehož podstata spočívá v tom, že snímače polohy jsou tvořeny vysokofrekvenčními transformátory, z nichž každý je přímo napojen na detektor svého výstupního signálu, přičemž detektory jsou tvořeny elektrickým čtyřpólem s nelineární převodní charakteristikou. Snímače jsou výhodně vytvořeny na oboustranném nebo vícevrstvém plošném spoji, umístěném paralelně se snímanými plochami otáčejícího se pracovního prostředku a jsou napájeny (buzeny) vysokofrekvenčním signálem s kmitočtem větším než 20 MHz. Takto řešené snímače polohy, pracující na kmitočtech vyšších než 20 MHz, vytvořené technologií plošných spojů, mohou být velmi malé a při sériové výrobě je snadné dosáhnout vysoké opakovatelnosti a malého rozptylu parametrů. Tyto snímače polohy lze s výhodou realizovat na vícevrstvém plošném spoji, kde kterékoliv z obou vinutí může být vytvořeno na vnitřní vrstvě tohoto plošného spoje, což poskytuje větší stálost parametrů a možnost optimálního řešení topologie a vývodů těchto snímačů polohy. Krajní vrstvy vícevrstvého plošného spoje mohou být potom s výhodou využity jako ochrana plošného vinutí před nepříznivými vnějšími vlivy.

Výhodou tohoto řešení oproti známému stavu techniky je zlepšení funkce sledování změn polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku. Díky vyššímu pracovnímu kmitočtu snímačů polohy je to prováděno i vzhledem k velké rychlosti otáčení pracovního prostředku dostatečně rychle a s potřebnou přesností a důvěryhodností výsledků měření A to současně při eliminaci vlivu materiálu, použitého pro konstrukci pracovního prostředku.

Objasnění výkresů

Vynález je schematicky znázorněn na výkresech, kde ukazuje obr. 1 příkladné uspořádání aktivního magnetického ložiska s bezhřídelovým spřádacím rotorem a soustavou snímačů polohy spřádacího rotoru, obr. 2 příkladné uspořádání aktivního magnetického ložiska se spřádacím rotorem na hřídeli a se soustavou snímačů polohy spřádacího rotoru, resp. hřídele, obr. 3a příkladné provedení zapojení snímačů polohy a detektorů a jejich uspořádání vůči spřádacímu rotoru v půdorysu, obr. 3b pohled ve směru šipky S z obr. 3a, obr. 4 obecné uspořádání čtyřpólu s nelineární převodní charakteristikou, obr. 5 příkladné zapojení obvodu pro sledování a vyhodnocování polohy rotoru na principu nelineární převodní charakteristiky s tranzistorem J-Fet, obr. 6 příkladné provedení zapojení dvojice snímačů polohy spřádacího rotoru s korekcí odchylek do vstupů i výstupů, obr. 7 příkladné zapojení diferenciálního obvodu pro vyhodnocení signálů ze dvou snímačů polohy spřádacího rotoru s možností nezávislého nastavení výsledného offsetu a přenosu rozdílového signálu, obr. 8 příkladné zapojení dvojice snímačů polohy spřádacího rotoru s tranzistory J-Fet, s analogovým nastavením korekce odchylek a s analogovým nastavením offsetu a zesílení diferenciálního zesilovače pomocí proměnných odporů P1, P2 a P3, obr. 9 příkladné zapojení dvojice snímačů polohy spřádacího rotoru s tranzistory J-Fet, s digitálním nastavením korekce odchylek a s digitálním nastavením offsetu a přenosové charakteristiky diferenciálního zesilovače pomocí digitálně řízeních zdrojů napětí nebo proudů P1, P2 a digitálně řízené zpětnovazební sítě P3.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude popsán na příkladu provedení zařízení pro snímání polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku, kde otáčející se pracovní prostředek je tvořen spřádacím rotorem rotorového dopřádacího stroje.

Rotorový dopřádací stroj obsahuje alespoň jednu řadu vedle sebe uspořádaných pracovních míst. Každé pracovní místo obsahuje kromě celé řady dalších uzlů také spřádací jednotku, ve které je uspořádáno aktivní magnetické ložisko, ve kterém je otočně uložen spřádací rotor 1. Aktivní magnetické ložisko zajišťuje udržování polohy spřádacího rotoru 1 ve spřádací jednotce vůči ostatním částem spřádací jednotky pomocí znázorněného elektromagnetického stabilizačního systému 13. Na obr. 1a je znázorněn tzv. bezhřídelový spřádací rotor 1, na obr. 1b je znázorněn spřádací rotor 1 na hřídeli 14. Pohon spřádacího rotoru je zajišťován pohonovým systémem 12.

Polohou spřádacího rotoru 1_ se přitom rozumí umístění spřádacího rotoru 1 v trojrozměrném souřadném systému, včetně polohy aktuální osy OA otáčení spřádacího rotoru .1, tj. skutečné osy otáčení spřádacího rotoru 1, vůči ideální ose Ol otáčení spřádacího rotoru 1, která je určena geometrií aktivního magnetického ložiska, spřádací jednotky a spřádacího rotoru 1..

Poloha aktuální osy OA otáčení se zjišťuje systémem zjišťování polohy otáčejícího se pracovního prostředku, tj. spřádacího rotoru 1, v aktivním magnetickém ložisku. Systém sledování polohy obsahuje snímače A, B polohy spřádacího rotoru 1, které jsou spřažené s detektory D výstupních signálů 5 řečených snímačů A, B, s vyhodnocovacími obvody a řídicím zařízením.

U tzv. bezhřídelového spřádacího rotoru 1. v provedení podle obr. 1 a 3a, 3b se pro systém sledování polohy využívá specifického geometrického uspořádání dvou dvojic, tedy dohromady čtyř, snímačů A polohy spřádacího rotoru 1. pro detekci radiálního posunutí spřádacího rotoru 1 a dvou dvojic, tedy 10 dohromady čtyř, snímačů B polohy spřádacího rotoru 1. pro detekci naklonění spřádacího rotoru 1 v aktivním magnetickém ložisku a následného specifického zpracování jejich výstupních signálů za účelem přesné, spolehlivé a rychlé detekce (zjištění) velikosti (amplitudy) výstupních signálů snímačů A, B. Snímače A, B jsou uspořádány tak, aby umožňovaly diferenciální zpracování 15 výstupních signálů každé dvojice snímačů A, B.

V provedení na obr. 1 a 3a, 3b jednotlivé snímače AI, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4 v podstatě zjišťují vzdálenosti XI, X2, X3, X4, XI. Y2, Y3, Y4 povrchu spřádacího rotoru 1. od příslušného snímače A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4, resp. zjišťují změny těchto vzdáleností X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3, Y4.

Snímače AI, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4 polohy spřádacího rotoru 1 jsou odolné vůči magnetickému a elektrostatickému poli, přičemž mají dostatečnou citlivost a zaručují dostatečný signál odpovídající posunu otáčejícího se pracovního prostředku, tj. spřádacího rotoru 1 nebo hřídele 14, o setinu mm (0,01 mm) ve směru kolmém na plochu snímače, a to bez ohledu na 25 materiál použitý pro konstrukci spřádacího rotoru vlivem velmi nízkého vnikání vysokofrekvenčního pole do povrchu materiálu (tzv. skin efekt).

Výhodně jsou snímače AI, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4 řešeny jako vysokofrekvenční transformátory tvořené dvojicí cívek uspořádaných na protilehlých plochách desky plošného (tištěného) spoje a umístěných paralelně 30 s plochami spřádacího rotoru, jejichž polohu snímají.

Snímače A1, A2, A3, A4 pro detekci radiálního posunutí spřádacího rotoru 1 jsou přitom s výhodou umístěny u okraje průchozího otvoru v desce plošných spojů a spřádací rotor 1, resp. hřídel 14, prochází tímto otvorem v desce plošných spojů, takže snímače Al, A2, A3, A4 jsou situovány proti válcové stěně 10 spřádacího rotoru 1, resp. proti válcovému obvodu hřídele 14, přičemž průměr průchozího otvoru v desce plošných spojů je jen o něco málo větší, typicky např. o 2 mm, než je vnější průměr spřádacího rotoru 1 v provedení podle obr. 1 nebo vnější průměr hřídele 14 v provedení podle obr. 2.

Snímače B1, B2, B3, B4 pro detekci naklonění spřádacího rotoru 1 jsou umístěny na samostatné desce plošných spojů situované cca 1 mm pod nebo nad úrovní spodní nebo horní sledované stěny 11 spřádacího rotoru 1, tj. stěny 11, která je kolmá na osu OA otáčení spřádacího rotoru 1. Variantně jsou snímače B1, B2, B3, B4 umístěny v provedení podle obr. 1 u okraje průchozího otvoru v desce plošných spojů, přičemž tento průchozí otvor má menší průměr než je vnější průměr spřádacího rotoru 1, aby snímače B1, B2, B3, B4 byly uspořádány přímo proti stěně 11 spřádacího rotoru, která je kolmá na osu OA otáčení spřádacího rotoru 1, např. proti dnu spřádacího rotoru 1, což je vhodné zejména u bezhřídelového spřádacího rotoru 1 podle provedení na obr. 1.

Výše uvedené uspořádání všech potřebných komponent vždy na deskách, popř. na společné desce, plošného spoje společně s použitím dále uvedeného vysokého budicího kmitočtu snímačů A, B eliminuje, nebo alespoň významně snižuje, vznik indukovaných rušivých signálů a tak zvyšuje citlivost snímačů A, B provedených jako vysokofrekvenční transformátory s dvojicí cívek. Současně toto řešení snímačů A, B také umožňuje jednoduchou montáž přímo do spřádací jednotky rotorového dopřádacího stroje i s možností vysoké integrace, protože na desky plošných spojů se snímači A, B je možno integrovat v podstatě kompletní elektroniku aktivního magnetického ložiska nebo je možno tyto desky jednoduše propojit s elektronikou aktivního magnetického ložiska.

Snímače A, B provedené jako vysokofrekvenční transformátory s dvojicemi cívek na společné desce plošného (tištěného) spoje jsou na svém vstupu buzeny vysokofrekvenčním budicím signálem o frekvenci v řádech minimálně desítek MHz, typicky však o frekvenci od desítek MHz do stovek MHz, zejména o frekvencích od 20 MHz a více. Tím je dosaženo významného kmitočtového odstupu měřicího signálu od rušivých signálů, které vznikají při činnosti magnetického ložiska. Zároveň se s výhodou využívá vlivu povrchového jevu (tzv. skin efektu), t.j. pouze nízkého vnikání měřicího elektromagnetického pole od snímačů A, B provedených jako vysokofrekvenční transformátory s dvojicemi cívek do povrchu rotoru 1. Toto řešení umožňuje zajistit nezávislost funkce snímání polohy rotoru 1 na použitém materiálu rotoru 1, takže systém je schopen pracovat s hliníkem, ocelí nebo pokovenými permanentními magnety v podstatě se stejnou účinností. Výstupní signál těchto snímačů A, B je proto ovlivňován pouze změnami polohy spřádacího rotoru 1 nebo hřídele 14 vůči jednotlivým snímačům A, Ba není tedy ovlivňován dalšími negativními vlivy. Výstupní signál každého z takových snímačů A, B je následně zpracováván připojeným detektorem D, jak je znázorněno na obr. 3, pracujícím na principu nelineární charakteristiky čtyřpólu, jak bude blíže popsáno v dalším textu. Detektorem D zpracovaný výstupní signál snímačů A, B polohy spřádacího rotoru 1 se dále použije pro vyhodnocovací obvody a řídicí systém aktivního magnetického ložiska. Výše uvedené skutečnosti spojené se snímači A, B provedenými jako vysokofrekvenční transformátory s dvojicemi cívek na společné desce plošného (tištěného) spoje jsou důsledkem optimalizované konstrukce použitých snímačů A, B polohy. Použitá vysoká budicí frekvence, 20 MHz a více, má za následek to, že cívky měřicích transformátorů mohou mít malou indukčnost (v řádu desítek až stovek nH), přičemž se vyžívá faktu, že impedance cívky roste se zvyšujícím se kmitočtem použitého budicího signálu. Pro spolehlivé měření pomocí měřicího transformátoru je totiž potřeba pracovat s určitou velikostí impedance cívek. Současně však malá indukčnost cívek měřicích transformátorů znamená i relativně malý potřebný počet závitů těchto cívek, resp. těchto plochých cívek. Malý potřebný počet závitů cívek měřicích transformátorů pak společně s použitou vysokou hustotou čar (vodičů) na plošném spoji, na kterém jsou snímače A, B polohy provedené jako vysokofrekvenční transformátory s dvojicemi cívek vytvořeny využitím nových technologií výroby plošných spojů, umožňuje realizaci velmi malých měřících transformátorů, typicky např. s plochou 10-20 mm², což pak ve svém důsledku umožňuje instalaci snímačů A, B polohy rovinami jejich cívek paralelně k měřenému povrchu otáčejícího se pracovního prostředku a nikoli v rovině kolmé na tuto osu, jak je toto známo ze stavu techniky. Velmi malé rozměry měřících transformátorů pak také umožňují použití tohoto řešení i pro malé průměry hřídele otáčejícího se pracovního prostředku, kde by velký měřící transformátor dle stavu techniky nemohl být vhodně umístěn paralelně se zakřivenou snímanou plochou hřídele s malého průměru.

Na obrázcích 4 až 9 jsou zobrazeny principiální možnosti uspořádání elektronických zapojení detektorů D pracujících na principu nelineární převodní charakteristiky čtyřpólu pro sledování a vyhodnocování výstupních signálů snímačů A, B polohy spřádacího rotoru 1 vůči ideální ose Ol otáčení spřádacího rotoru Iv aktivním magnetickém ložisku.

Na obr. 4 vlevo je znázorněno obecné uspořádání čtyřpólu s nelineární převodní charakteristikou, jehož princip se výhodně využívá v tomto vynálezu při použití snímačů A, B provedených jako vysokofrekvenční transformátory s dvojicemi cívek na společné desce plošného (tištěného) spoje.

Nelineární převodní charakteristika ie=f(ug) čtyřpólu je využita pro detekci např. pomocí polem řízeného tranzistoru, s výhodou pak polem řízeného tranzistoru J-Fet v ochuzovacím módu (např. Philips BFR31) pracujícím ve vhodně nastaveném pracovním bodě s totální zpětnou vazbou.

V tomto případě platí, že pokud se vstupní elektroda G tranzistoru J-Fet budí vysokofrekvenčním střídavým signálem, např. uq = Um.sinŽTíft, má střídavá složka výstupního proudu ie nenulovou střední hodnotu Is, závisející na amplitudě vstupního střídavého signálu Um, která se sečte s klidovým výstupním proudem leO tehdy, je-li na výstupu takto buzeného tranzistoru J-Fet zařazen integrátor s časovou konstantou RC=T»1/27tf. Na výstupu čtyřpólu potom je ue = R(le0+ls). Tento obvod tedy výhodně pracuje jako usměrňovač i velmi malých vysokofrekvenčních signálů, a to spojitě prakticky od nuly výše, aniž by nutně muselo platit, že amplituda vysokofrekvenčního signálu musí být větší než například prahové napětí běžné polovodičové diody. Jistým omezením je při využití nelineární převodní charakteristiky čtyřpólu pouze vlastní technologický šum.

Na obr. 5 je znázorněno příkladné zapojení tranzistoru J-Fet využitelného jako detektoru D vysokofrekvenčního výstupního signálu snímačů A, B polohy spřádacího rotoru 1.

Na obr. 6 je znázorněno příkladné provedení pro zapojení jedné dvojice snímačů Al, A2 nebo A3, A4 nebo B1. B2 nebo B3, B4 s tranzistory J-Fet pro vyhodnocování vysokofrekvenčního výstupního signálu každé dvojice snímačů Al, A2 nebo A3. A4 nebo B1. B2 nebo B3, B4. V tomto příkladu zapojení je použita korekce mechanických a/nebo elektrických a/nebo provozních a/nebo jiných odchylek použitých komponent pomocí přivádění korekčního signálu Inp1 a Inp2, Ouťl a Out2. Korekční signál umožňuje jednotné nastavení všech vyrobených aktivních magnetických ložisek podle skutečných parametrů jednotlivých jejich komponent a prvků, a to včetně parametrů snímačů A, B, komponent vyhodnocovacích obvodů a ostatních částí.

Na obr. 6 jsou symboly Inp1 a Inp2 označeny korekční signály zavedené do vstupů detektoru D a symboly Out1 a Out2 jsou označeny vstupy pro korekční signály zavedené do výstupů detektoru D. Zavedením korekčního (stejnosměrného) signálu do obou detektorů D se v tomto zapojení posunou pracovní body tranzistorů J-Fet do stejných poloh na jejich nelineárních charakteristikách, čímž na výstupech obou detektorů D každé dvojice snímačů A1, A2 nebo A3. A4 nebo B1, B2 nebo B3, B4 spřádacího rotoru 1_ jsou stejné výstupní signály nezávislé na velikosti korigovaných odchylek. Následuje pak další zpracování, zpravidla diferenciální, takto upravených výstupních signálů detektorů D, jejichž výsledkem je jeden výstupní signál každé dvojice snímačů Al, A2 nebo A3, A4 nebo B1, B2 nebo B3. B4 a je pak možné měnit amplitudu, offset a případně i frekvenční průběh nezávisle na výše uvedené korekci.

Na obr. 7 je znázorněno příkladné zapojení diferenciálního obvodu pro vyhodnocení signálů ze dvou detektorů D (např. detektory D podle obr. 6) s možností nezávislého nastavení výsledného offsetu a přenosu rozdílového signálu. V tomto zapojení představují ue- a ue+ napětí přivedené z výstupů dvou detektorů D na obr. 6, Out je výsledné napětí po vyhodnocení rozdílu ue+ a ue-, O-set jsou obvody pro nastavení korekce odchylek komponent systému (vytvoření korekčního signálu), které jsou s výhodou vytvořeny jako nastavitelné zdroje stejnosměrného napětí, a G-set jsou obvody pro řízení výsledného přenosu rozdílového signálu, které jsou s výhodou řešeny jako nastavitelná zpětnovazební síť sestavená z odporů a kondenzátorů. Na obr. 7 je také znázorněno uspořádání budicích cívek A10, A20 snímačů Al, A2 polohy spřádacího rotoru 1, přičemž budicí cívky A10, A20 jsou napojeny na zdroj X vysokofrekvenčního budicího signálu uvedeného již v předchozím textu jako frekvenci 20 MHz a více.

Na obr. 8 je znázorněno příkladné provedení kombinace zapojení podle obr. 6 a 7 pro dvojici detektorů D doplněné o analogové nastavení korekce odchylek použitých komponent zařízení a analogové nastavení offsetu a zesílení diferenciálního zesilovače pomocí proměnných odporů P1. P2 a P3.

Na obr. 9 je znázorněno příkladné provedení kombinace zapojení podle obr. 6 a 7 pro dvojici detektorů D s digitálním nastavením korekce odchylek použitých komponent zařízení, s digitálním nastavením offsetu a přenosové charakteristiky diferenciálního zesilovače pomocí digitálně řízeních zdrojů napětí nebo proudů P1, P2 a digitálně řízené zpětnovazební sítě P3.

Je zřejmé, že z elektrotechnického hlediska je možné vytvořit celou řadu konkrétních zapojení, která umožňují vytvořit odpovídající elektroniku pro využití detektoru D tvořeného elektrickým čtyřpólem s nelineární převodní charakteristikou k vyhodnocení výstupních signálů snímačů A, B polohy spřádacího rotoru 1, kde jsou snímače A, B svými výstupy přímo napojeny na vstupy detektorů D.

Detektory D a/nebo vyhodnocovací obvody mohou být také vytvořeny jako zákaznicky orientovaný integrovaný obvod, případně je možné, aby byly jednotlivé komponenty, včetně snímačů A, B, detektorů D a vyhodnocovacích obvodů vytvořeny na společné desce plošných spojů. V dalším provedení je na společné desce plošných spojů umístěn společně se snímači A, B, detektory D a vyhodnocovacími obvody i řídicí systém aktivního magnetického ložiska.

Claims

Patentové nároky

1. Zařízení pro snímání polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku, které obsahuje snímače (A, B) polohy

5 otáčejícího se pracovního prostředku, detektory výstupního signálu řečených snímačů polohy a vyhodnocovací obvody napojené na řídicí systém aktivního magnetického ložiska, vyznačující se tím, že snímače (A, B) polohy jsou tvořeny vysokofrekvenčními transformátory, z nichž každý je přímo napojen na detektor (D) svého výstupního signálu, a detektory (D) jsou tvořeny elektrickým 10 čtyřpólem s nelineární převodní charakteristikou.
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektrický čtyřpól s nelineární převodní charakteristikou je polem řízený tranzistor J-Fet v ochuzovacím módu, pracující ve vhodně nastaveném pracovním bodě s totální zpětnou vazbou.

15
3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vysokofrekvenční transformátory obsahují budicí cívku, která je napojena na zdroj vysokofrekvenčního budicího signálu o frekvenci alespoň 20 MHz.
4. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 3 vyznačující se tím, že vysokofrekvenční transformátory jsou vytvořeny na oboustranném plošném

20 spoji, přičemž na jedné straně jsou budící cívky a na druhé straně jsou snímací cívky, a roviny cívek jsou umístěny paralelně se snímanou plochou otáčejícího se pracovního prostředku.
5. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 3 vyznačující se tím, že vysokofrekvenční transformátory jsou vytvořeny na vícevrstvém plošném spoji,

25 přičemž budicí a/nebo snímací cívky jsou vytvořeny na vnitřních vrstvách vícevrstvého plošného spoje a vnější vrstvy vícevrstvého plošného spoje jsou ochranou před nepříznivými vlivy prostředí a roviny cívek jsou umístěny paralelně se snímanou plochou otáčejícího se pracovního prostředku.
6. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že

30 snímače (A, B) polohy jsou seskupeny do dvojic a každý z nich je přímo napojen na detektor (D) svého výstupního signálu, přičemž výstupy detektorů (D) každé dvojice jsou napojeny na diferenciální vyhodnocovací obvod polohy otáčejícího se pracovního prostředku.
7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že detektory (D) a/nebo 5 vyhodnocovací obvody jsou opatřeny vstupem pro přímé zavádění korekčních signálů.
8. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že detektory (D) a/nebo vyhodnocovací obvody jsou tvořeny alespoň jedním zákaznicky orientovaným integrovaným obvodem.
10 9. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že snímače (A, B) polohy jsou společně se svými detektory (D) a vyhodnocovacími obvody umístěny na společné desce plošných spojů a desky plošných spojů jsou uspořádány v sestavě aktivního magnetického ložiska.

10. Zařízení podle nároku 9, vyznačující se tím, že na společné desce

15 plošných spojů je uspořádán i řídicí systém aktivního magnetického ložiska.
11. Zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že budící cívky a snímací cívky mají indukčnost v řádu desítek až stovek nH a plochu od 10 do 20 mm².