DE10034017A1 - Steuerung für ein magnetisches Lager - Google Patents
Steuerung für ein magnetisches LagerInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Steuerung für ein magnetisches Lager, mit der es möglich ist, die Anzahl von Leistungstransistoren zur Stromregelung, und damit die Kosten, zu senken. Schubkraft-Regelungssignale FX, FY für die Richtungen X und Y, wie von Kraftregelungsschaltungen ausgegeben und wie sie auf einen Rotor zusätzlich auszuüben sind, werden in einem Polarkoordinatenwandler (23) einer Umsetzung in Polarkoordinaten unterzogen, um einen die Kraftstärke angebenden Wert F und ein den Kraftrichtungswinkel angebenden Wert A zu erhalten. Dann setzt ein Dreiphasenstromstärke-Wandler (24) die Werte F und A in Stromstärken Cu, Cv, Cw für dreiphasige Ströme um, und eine Dreiphasenstrom-Steuerschaltung (25) steuert die den Wicklungen für die drei Phasen zuzuführenden Ströme Iu, Iv, Iw in solcher Weise, dass diese zu den vom Dreiphasenstromstärke-Wandler gelieferten Stromstärken Cu, Cv, Cw für die dreiphasigen Ströme passen, wodurch die drei Polzähne eines Stators (27) erregt werden, um dadurch eine Auslenkung der Achse des Rotors (6) zu kompensieren.
Description
Die Erfindung betrifft eine Steuerung für ein magnetisches
Lager zum Kompensieren einer Auslenkung einer Rotorachse auf
kontaktfreie Weise unter Verwendung magnetischer Kräfte, und
insbesondere betrifft sie eine verbesserte Regelung der
Stärke des Wicklungen zuzuführenden Stroms.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen
Aufbau eines magnetischen Lagers zeigt. Ein Rotationsmotor 3
sorgt für die Drehung einer Achse 1 mit hoher Drehzahl. Ein
magnetisches Lager 4 zur Aufnahme von Schubkräften hält die
Achse 1 für konstante Positionierung in der Schubrichtung.
Magnetische Lager 2, 5 zur Aufnahme radialer Kräfte halten
die Achse 1 an einer konstanten Position in radialer Rich
tung.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer herkömm
lichen Steuerung für ein magnetisches Lager zum Halten der
Achse an einer konstanten Position in radialer Richtung
zeigt. In der Zeichnung ist das magnetische Radiallager im
Schnitt, gesehen in der Schubrichtung, dargestellt. Der Ro
tor 6 ist ein durch Auflaminieren ringförmiger Silicium
stahlbleche in der Schubrichtung hergestellter Zylinder, der
durch einen Aufschrumpfprozess auf der Achse 1 befestigt
ist. Der Stator 7 ist durch Auflaminieren von Siliciumstahl
blechen in der Schubrichtung hergestellt, wobei acht Polzäh
ne äquidistant entlang seinem Innenumfang angeordnet sind.
Jeweils zwei benachbarte Zähne bilden ein Paar, so dass bei
der Konfiguration dieser Ausführungsform vier Zahnpaare vor
handen sind. Auf jedes Paar ist eine Wicklung 11, 12, 13, 14
aufgewickelt, wodurch vier Elektromagnete gebildet sind. Je
der Wicklung wird ein Strom zugeführt, wodurch der so erreg
te Elektromagnet ein anziehendes Magnetfeld erzeugt, das
seinerseits dafür sorgt, dass sich der Rotor 6 in der Rich
tung des erregten Magnetfelds bewegt.
Positionsdetektoren 8, 9 erfassen die Position des Rotors 6
in der Richtung der X- bzw. Y-Achse, in einem rechtwinkligen
Koordinatensystem, und sie geben Positionssignale SX, SY
aus. Subtrahierer 15, 16 subtrahieren die jeweiligen Posi
tionssignale SX und SY von Sollpositionssignalen GX, GY für
die Richtungen X und Y des Rotors 6, und sie geben entspre
chende Subtraktionssignale DX, DY aus, die in jeweilige
Kraftregelungsschaltungen 17, 18 eingegeben werden, die ih
rerseits Kraftregelungswerte FX, FY für die Richtungen X
bzw. Y ausgeben. Diese an den Rotor 6 zu liefernden Kraftre
gelungswerte FX, FY werden so ausgegeben, dass die Subtrak
tionssignale null werden sollen. Stromstärkewandler 19, 20
führen eine geeignete Verarbeitung, wie eine Quadratwurzel
operation oder eine Grundschubkraft-Addition, hinsichtlich
der Kraftregelungswerte FX, FY in solcher Weise aus, dass
diese in linearer Beziehung zum den Wicklungen zugeführten
Strom stehen, wodurch die Kraftregelungswerte FX, FY in
Stromstärkesignale CPX, CNX bzw. CPY, CNY umgesetzt werden,
die die Stärke des den Wicklungen 11, 13 bzw. 12, 14 zuzu
führenden Stroms anzeigen. Stromregelungsschaltungen 21, 22
führen eine Impulsbreitenmodulation zum Ansteuern einer An
zahl in ihnen vorhandener Leistungstransistoren aus, um die
den Wicklungen 11, 13 und 12, 14 zuzuführenden Ströme IPX,
INX bzw. IPY, INY so einzustellen, dass diese mit den Strom
stärkesignalen CPX, CNX bzw. CPY, CNY übereinstimmen.
Im Betrieb kann die in Fig. 3 dargestellte Steuerung für ein
magnetisches Lager den Rotor 6 so einstellen, dass seine Po
sitionen in den zwei Richtungen des rechtwinkligen Koordina
tensystems jeweils den Sollpositionssignalen GX und GY fol
gen. Wenn die Sollpositionssignale GX und GY konstant gehal
ten werden, kann das magnetische Lager als Radiallager zum
Eingrenzen der Position des Rotors 6 in radialer Richtung
arbeiten.
Jedoch besteht beim herkömmlichen magnetischen Radiallager
ein Problem hinsichtlich hoher Kosten, da die Steuerung für
das magnetische Lager eine Anzahl teurer Leistungstransisto
ren zum Einstellen acht unabhängiger Phasen von den vier
Elektromagneten zuzuführenden Strömen benötigt.
Ferner sind die Herstellschritte kompliziert, was die Kosten
weiter erhöht, da jeder der acht Polzähne bewickelt werden
muss.
Noch ferner existiert neben magnetischen Lagern kaum eine
Vorrichtung, die die Regelung von acht Phasen von in vier
Wicklungen fließenden Strömen benötigt, wobei magnetische
Lager beinahe ausschließlich für spezielle Spindeln in Vaku
umpumpen oder Werkzeugmaschinen, die sich mit hoher Drehzahl
drehen müssen, verwendet werden, so dass kaum eine Kosten
senkung wegen hoher Stückzahlen erwartet werden kann. So er
geben sich sehr teure Stromregler. Daher leiden Systeme mit
magnetischer Lagerung trotz des hervorragenden Funktionsver
mögens bei der Lagerung von sich mit hoher Drehzahl drehen
den Bauteilen unter dem Problem hoher Kosten im Vergleich
mit einem üblichen Lagerungssystem unter Verwendung von
Wälzlagern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach auf
gebaute Steuerung für ein magnetisches Lager zu schaffen, um
eine Kostensenkung zu erzielen und eine Funktion zu schaf
fen, wie sie bei der Regelung von Strömen mit acht Phasen
erzielt werden kann.
Diese Aufgabe ist durch die Steuerung für ein magnetisches
Lager gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung des bevor
zugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefüg
ten Zeichnungen besser erkennbar.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Steuerung
für ein magnetisches Lager gemäß einem bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen
Aufbau eines bekannten magnetischen Lagers zeigt; und
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer herkömm
lichen Steuerung für ein magnetisches Lager zeigt.
Nachfolgend wird eine Steuerung für ein magnetisches Lager
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Diese Steuerung dient für ein magnetisches Lager mit Wick
lungen, die mit Stern- oder Dreiecksschaltung verbunden
sind, um dafür zu sorgen, dass drei Polzähne magnetische
Flüsse erzeugen, und sie steuert dreiphasige Ströme zum Kon
trollieren der Bewegung der Achse in radialer Richtung, um
dadurch eine Auslenkung der Achse zu kompensieren. Mit die
ser Konfiguration kann eine erfindungsgemäße Steuerung für
ein magnetisches Lager ein Funktionsvermögen entsprechend
demjenigen erzielen, wie es mit einer Steuerung von acht
Phasen von Strömen erzielt wird, wobei jedoch die Anzahl der
Stromphasen verringert ist.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Ausfüh
rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steuerung für ein
magnetisches Lager zeigt, wobei dieses im Querschnitt, gese
hen in der Schubrichtung, dargestellt ist. Elemente, die mit
herkömmlichen übereinstimmen, tragen dieselben Bezugszahlen
wie in Fig. 3, und zu diesen wird hier keine detaillierte
Erläuterung wiederholt.
Ein Stator 27 wird durch Auflaminieren magnetischer Materia
lien, wie Siliciumstahlbleche, in der Schubrichtung herge
stellt, wobei drei Polzähne äquidistant entlang dem Innenum
fang des Stators 27 angeordnet sind. Die drei Zähne des Sta
tors 27 sind jeweils mit einer Wicklung 28, 29, 30 bewi
ckelt, die in Sternschaltung miteinander verbunden sind.
Kraft-Regelungssignale FX, FY für die Richtung X und Y, die
von der Schubregelung 17, 18 zur Lieferung an den Rotor 6
zugeführt werden, werden auf Grundlage der folgenden Glei
chung 1 in einem Polarkoordinatenwandler in Polarkoordinaten
(F, A) umgesetzt:
F = C . SQRT(FX2 + FY2)
F = C . SQRT(FX2 + FY2)
A = ATAN2(FX,FY) (1)
wobei C ein konstanter Koeffizient ist, SQRT die Quadratwur
zelfunktion ist, ATAN2 die inverse Tangensoperation unter
Verwendung der Eingabe zweier Variablen ist, die auch über
die Funktion einer Berechnung des Neigungswinkels, in Bezug
auf eine vorbestimmte Achse, eines Vektors mit den Komponen
ten FX und FY hat. Der Polarkoordinatenwandler 23 gibt den
die Stärke der Kraft anzeigenden Wert F und den den Winkel,
in Schubrichtung, ausdrückenden Wert A an einen Dreiphasen
stromstärke-Wandler 24 aus, der als Einrichtung zum Wandeln
der Stärke eines dreiphasigen Stroms dient. Der Dreiphasen
stromstärke-Wandler 24 erhält auf Grundlage des folgenden
Ausdrucks 2 Werte für die Stromstärke I und die Phase Θ:
I = SQRT(F)
Θ = A/2 + πn (2)
wobei n entweder 0 oder 1 ist. Der Dreiphasenstromstärke-
Wandler 24 wählt zum Berechnen der Werte des Ausdrucks 2
entweder 0 oder 1 für n aus. Genauer gesagt, bewahrt der
Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 den bei der vorigen Opera
tion erhaltenen Wert Θ als Θp aufrecht, und er berechnet
Θ0 - Θp und Θ1 - Θp unter Verwendung von Θ0 als Θ für n = 0
und Θ1 für n = 1, um als Phase Θ diejenigen der Phasen Θ0
und Θ1 auszuwählen, die den kleineren Rest belässt, wenn die
Absolutwerte von Θ0 - Θp und Θ1 - Θp durch π geteilt werden.
Ferner bestimmt der Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 die
Stromstärken Cu, Cv, Cw für die drei Phasen auf Grundlage
des folgenden Ausdrucks 3:
Cu = I . cos(Θ)
Cu = I . cos(Θ)
Cv = I . cos(Θ + 2π/3)
Cw = I . cos(Θ + 4π/3) (3)
Bei Empfang der Stromstärken Cu, Cv, Cw für die dreiphasigen
Ströme vom Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 steuert eine
Dreiphasenstromsteuerung 25 entsprechende Ströme Iu, Iv, Iw
in solcher Weise, dass sie diesen Werten entsprechen, und
liefert sie dann an die entsprechende Windung 28, 29, 30.
Als Nächstes wird der Betrieb eines magnetischen Lagers bei
der obigen Stromregelung beschrieben.
Wenn die Ströme Iu, Iv, Iw durch die Wicklungen 28, 29, 30
fließen, werden von den drei Polzähnen Magnetflüsse erzielt,
die im Wesentlichen proportional zur Stromstärke sind. Hier
bei sind, wenn die Zwischenräume zwischen dem Rotor und den
drei Polzähnen gleich sind, magnetische Anziehungskräfte Fu,
Fv, Fw, wie sie aufgrund der durch die Polzähne erzeugten
Magnetflüsse auf den Rotor 6 wirken, aufgrund der Tatsache,
dass die anziehende Magnetkraft proportional zum Quadrat der
Magnetflussdichte ist, wie folgt ausgedrückt:
Fu = K . Iu2
Fv = K . Iv2
Fw = K . Iw2 (4)
wobei K ein von der Beziehung zwischen der Kraft eines mag
netischen Lagers und dem Strom abhängender Proportionali
tätskoeffizient ist. Wenn das Zentrum des Rotors 6 als Ur
sprung festgelegt wird und die Richtung des durch die Wick
lung 28 bewickelten Polzahns als X-Achse mit 0° festgelegt
wird, sind die X- und die Y-Komponente, oder Fx, Fy, der auf
den Rotor 6 wirkenden Kraft durch den folgenden Ausdruck 5
festgelegt:
Fx = Fu - {cos(π/3)}(Fv + Fw) = K(Iu2 - (Iv2 + Iw2)/2)
Fx = Fu - {cos(π/3)}(Fv + Fw) = K(Iu2 - (Iv2 + Iw2)/2)
Fy = {sin(π/3)}(Fv - Fw)
= √3K(Iv2 - Iw2)/2) (5)
Das Obige kann mittels des Ausdrucks 3 wie folgt umgeschrie
ben werden:
Fx = (3/4)K . I2 . cos(2Θ)
Fy = (3/4)K . I2 . sin(2Θ) (6)
Dieses wiederum kann mittels des Ausdrucks 2 wie folgt wei
ter umgeschrieben werden:
Fx = (3/4)K . F . cos(A + 2πn) = (3/4)K . F . cos(A)
Fy = (3/4)K . F . sin(A + 2πn) = (3/4)K . F . sin(A) (7)
Durch Modifizierung des Ausdrucks 1 wird das Folgende erhal
ten:
cos(A) = FX/(F/C)
sin(A) = FY/(F/C) (8)
Durch Einsetzen des Ausdrucks 8 in den Ausdruck 7 und durch
Verwenden von (3/4)K = 1/C wird der folgende Ausdruck 9 erhal
ten:
Fx = FX
Fy = FY (9)
So ermöglicht die Verwendung des Polkoordinatenwandlers 23,
des Dreiphasenstromstärke-Wandlers 24 und der Dreiphasen
stromsteuerung 25 eine Kompensation einer Auslenkung der
Achse durch Kontrollieren eines magnetischen Lagers mit drei
Wicklungen in Sternschaltung, wie in Fig. 1 dargestellt, auf
ähnliche Weise wie bei einer herkömmlichen Steuerung für ein
magnetisches Lager unter Verwendung von Strömen mit acht
Phasen.
Hierbei erfolgt im Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 die Aus
wahl von entweder 0 oder 1, oder einer gerade oder ungeraden
Zahl, für n auf solche Weise, dass der kleinere Rest ver
bleibt, wenn der Absolutwert der Differenz zwischen der Pha
se Θ und der Phase Θp, wie durch die vorige Operation erhal
ten, durch π geteilt wird. Dies dient zum Verhindern einer
plötzlichen Änderung des in den Wicklungen für die drei Pha
sen fließenden Stroms. D. h., dass, wie es aus dem Ausdruck
3 hervorgeht, zwar die Richtung eines einer Wicklung zuzu
führenden Stroms, wenn Θ den Wert A/2 aufweist, entgegenge
setzt zu der ist, wenn Θ den Wert A/2 + π aufweist, jedoch die
auf den Rotor 6 wirkende Kraft dieselbe ist, wie es sich aus
dem Ausdruck 6 ergibt. Unter Ausnutzung dieser Tatsache
muss, wenn die Steuerung beim Wert Θ = A/2 ausgeführt wird und
Θ von einem Winkel geringfügig unter +π auf einen Winkel ge
ringfügig über -π geändert wird, der der Wicklung auf her
kömmliche Weise zugeführte Strom abrupt geändert werden, um
Θ von π/2 auf einen Wert nahe bei -π/2 zu ändern. Dagegen
ermöglicht die Auswahl von n auf die obige Weise das Verhin
dern einer plötzlichen Änderung des den Wicklungen für die
drei Phasen zuzuführenden Stroms, während eine entsprechend
große Kraft auf den Rotor 6 ausgeübt wird, wenn Θ von einem
Winkel geringfügig unter π/2 auf einen solchen geringfügig
über π/2 geändert wird.
Es ist zu beachten, dass beim obigen Beispiel die drei Wick
lungen zwar in einem Sternmuster verbunden sind, dass jedoch
statt dessen ein Dreiecksmuster verwendet werden kann. Auch
ist im Ausdruck 3 der den Wicklungen zuzuführende Strom zwar
durch die cos-Funktion ausgedrückt, jedoch kann statt des
sen, wenn die Voraussetzungen, wie die als X-Achse dienende
Bezugsrichtung, geändert werden, zu den jeweiligen drei Pha
sen eine konstante Versatzphase addiert werden und/oder es
kann die sin-Funktion verwendet werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Steuerung für ein magnetisches
Lager kann eine Auslenkung der Rotorachse ohne Verwendung
einer Steuerung von Strömen mit acht Phasen kompensiert wer
den. So können die Anzahl der Phasen zur Stromsteuerung, die
Anzahl der Leistungstransistoren und damit die Höhe der Kos
ten gesenkt werden.
Außerdem ermöglicht, da Steuerschaltungen für dreiphasige
Ströme zur Verwendung bei dreiphasiger Motorsteuerung in
Massenherstellung erzeugt werden, die Verwendung derartiger
Schaltungen eine wesentliche Kostensenkung gegenüber einer
derzeitigen Steuerung für ein magnetisches Lager. Darüber
hinaus können derartige Schaltungen einfacher hergestellt
werden, und die zugehörigen Herstellkosten können gesenkt
werden, da die Anzahl der zu bewickelnden Stellen deutlich
verringert ist, genauer gesagt, von acht auf drei.
Claims (3)
1. Steuerung für ein magnetisches Lager zur Anbringung an
einem solchen, mit einem Stator (27) aus magnetischem Mate
rial, der mehrere Polzähne aufweist, die mit einem Zwischen
raum entlang dem Außenumfang eines Rotors (6) aus magneti
schem Material angeordnet sind, drei in Sternschaltung oder
Dreiecksschaltung verbundenen Wicklungen (28, 29, 30) zum
Erregen der mehreren Polzähne, und einem Achsauslenkungssen
sor (8) zum Erfassen einer Positionsauslenkung des Rotors in
zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen, wobei diese
Steuerung Ströme regelt, die den drei Wicklungen zuzuführen
sind, wobei die Steuerung zum Betreiben dieses Lagers mit
drei Statorwicklungen eine Dreiphasenstromstärke-Wandlerein
richtung (24) zum Berechnen, auf den Empfang eines die
Axialpositionsauslenkung in zwei zueinander rechtwinkligen
Richtungen anzeigenden Signals hin, dreier Stromstärken für
die drei Wicklungen aufweist, um dafür zu sorgen, dass diese
eine magnetische Kraft zum Kompensieren der Axialpositions
auslenkung des Rotors erzeugen.
2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Dreiphasenstromstärke-Wandlereinrichtung (24) drei
Stromstärken Iu, Iv, Iw auf Grundlage der folgenden Ausdrü
cke berechnet:
Iu = F . cos(Θ)
Iv = F . cos(Θ + 2π/3)
Iw = F . cos(O + 4π/3)
wobei F ein zum Quadrat der Kraftstärke proportionaler Wert ist, A der Richtungswinkel der Kraft ist, n eine nach Wunsch ausgewählte ganze Zahl ist und Θ den Wert A/2 + nπ aufweist.
Iu = F . cos(Θ)
Iv = F . cos(Θ + 2π/3)
Iw = F . cos(O + 4π/3)
wobei F ein zum Quadrat der Kraftstärke proportionaler Wert ist, A der Richtungswinkel der Kraft ist, n eine nach Wunsch ausgewählte ganze Zahl ist und Θ den Wert A/2 + nπ aufweist.
3. Steuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Dreiphasenstromstärke-Wandlereinrichtung (24) den Wert
von n so bestimmt, dass beim Dividieren des Absolutwerts der
Differenz zwischen Θp, wie auf Grundlage der zuletzt einge
gebene Axialpositionsauslenkung berechnet, und Θ, wie auf
Grundlage der aktuell berechneten Axialpositionsauslenkung
berechnet, durch π der kleinste Rest verbleibt.
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