DE10082308B4

DE10082308B4 - Steuerbare Magnetlagevorrichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Maschinentyps eines Magnetlagers

Info

Publication number: DE10082308B4
Application number: DE10082308T
Authority: DE
Inventors: Hirochika Ueyama
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: US6787955B1; WO2001006139A1; JP3786803B2; KR100567629B1; DE10082308T1; JP2001027236A; KR20010086379A

Abstract

Steuerbare Magnetlagervorrichtung, die eine Position eines von einem Magnetlager (4, 5) gelagerten Rotors (3) erfaßt und die Position desselben steuert,
wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
– ein Schutzlager (9), um die Bewegungsbereiche des Rotors (3) in Bezug auf die Radialrichtungen (X, Y) und die Axialrichtung (Z) zu begrenzen, wobei der radiale Zwischenraum und der axiale Zwischenraum zwischen dem Schutzlager (9) und dem Rotor (3) bestimmte Abstandswerte besitzen, die einem bestimmten Typ von Maschinenkörper (1) zugeordnet sind;
– eine Einrichtung zum Bewegen des Rotors (3) aus einem stationären Zustand in radialen oder axialen Richtungen, um Bewegungsbeträge desselben bis zu seinen Bewegungsgrenzen zu bestimmen, die durch das Schutzlager (9) begrenzt sind; und
– eine Einrichtung zum Bestimmen eines Typs des Maschinenkörpers (1) des Magnetlagers auf der Basis der Bewegungsbeträge sowie zum Setzen von für diesen Typ in einer Steuereinheit (11) hinterlegten Steuerparametern für den gesamten Betrieb der...

Description

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Magnetlagervorrichtung, die eine Position eines von einem Magnetlager gelagerten Rotors erfaßt und die Position desselben steuert. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines Typs eines Maschinenkörpers eines Magnetlagers, das ein Schutzlager aufweist, um die Bewegungsbereiche eines Rotors in Bezug auf die Radialrichtungen zu begrenzen, wobei der radiale Zwischenraum zwischen dem Schutzlager und dem Rotor einen bestimmten Abstandswert besitzt, der einem bestimmten Typ von Maschinenkörper des Magnetlagers zugeordnet ist.
Eine steuerbare Magnetlagervorrichtung besteht üblicherweise aus einem Maschinenkörper, der einen Rotor und Magnetlager besitzt, sowie aus einer Steuereinheit zum Steuern des Maschinenkörpers. Es gibt jedoch viele Typen von Maschinenkörpern, so daß die Steuerparameter in Abhängigkeit von den Maschinentypen variieren. Es besteht somit eine Notwendigkeit in der Praxis, jede Steuereinheit entsprechend dem jeweiligen Typ des Maschinenkörpers vorzusehen.
Um die jeweilige Steuereinheit entsprechend dem jeweiligen Typ des Maschinenkörpers vorzusehen, müssen mehrere Typen von Steuereinheiten auf Kleinserienbasis hergestellt werden. Dies ist nicht nur unbequem, sondern macht auch eine Reduzierung der Kosten durch eine Massenfertigung unmöglich.

Aus der US 5 093 754 A ist ein gesteuertes Magnetlager bekannt, bei dem vor der eigentlichen Inbetriebnahme die Grenzpositionen durch entsprechende Ansteuerung der Elektromagnete angefahren werden und daraus die Mittellage des Rotors bestimmt wird, in welcher der Rotor im Betrieb durch entsprechende Ansteuerung der Elektromagnete gehalten wird.

Zu diesem Zweck stellt bei der herkömmlichen Anordnung ein Leistungsverstärker nacheinander die Erregerströme von gegenüberliegenden Elektromagneten ein, so daß sich der Rotor allmählich zu dem einen Elektromagneten bewegt. Wenn der Rotor mit diesem ersten Elektromagneten in Kontakt kommt, so wird eine erste Position zu diesem Zeitpunkt von einer Rechenschaltung in eine Speicherschaltung geladen. Anschließend wird der Rotor allmählich zu dem gegenüberliegenden Elektromagneten bewegt. Wenn der Rotor dann mit diesem zweiten Elektromagneten in Kontakt kommt, so wird eine zweite Position zu diesem Zeitpunkt von der Rechenschaltung in diese Speicherschaltung geladen.

Die Rechenschaltung berechnet dann eine Mittellage als arithmetisches Mittel der ersten und zweiten Positionen. Diese Position wird an eine Verlagerungs-Einstellschaltung gegeben, damit der Rotor dann im Betrieb in der Mittellage gehalten werden kann.

Die US 5 093 754 A befaßt sich aber nicht mit der Bestimmung eines Typs eines Maschinenkörpers aus einer Vielzahl von möglichen Typen von derartigen Maschinenkörpern für eine steuerbare Magnetlagervorrichtung. Aus der Bestimmung einer Mittellage eines Rotors zwischen zwei gegenüberliegenden Elektromagneten ist es auch nicht möglich, einen derartigen Typ eines Maschinenkörpers zu bestimmen. Weiterhin ist bei dieser herkömmlichen Anordnung kein Schutzlager vorgesehen, das in irgendeiner Weise dazu verwendet werden könnte, bestimmte Voreinstellungen bei einem Magnetlager vorzu nehmen bzw. dieses in Abhängigkeit von einem bestimmten Typ von Maschinenkörper zu verwenden.

In der JP-A-10-122 182 ist eine Stromversorgung für eine Turbo-Molekularpumpe beschrieben, die einen Rotor mit entsprechendem Pumpenkörper sowie einen Motor aufweist, wobei ein entsprechendes Magnetlager vorgesehen ist. Dort ist eine Entscheidungsschaltung vorgesehen, welche elektrische Eigenschaften der elektrischen Komponenten der Turbo-Molekularpumpe erfaßt und den Typ der Turbo-Molekularpumpe auf der Basis der elektrischen Eigenschaften bestimmt. Weiterhin sind dort Steuerschaltungen vorgesehen, welche den Motor bzw. das Magnetlager der Turbo-Molekularpumpe steuern, und zwar auf der Basis des Ausgangssignals von der Entscheidungsschaltung.

Wie sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in der JP-A-10-122 182 ergibt, ist bei der herkömmlichen Anordnung ein Hauptkörper der Turbo-Molekularpumpe mit einem Temperatursensor versehen, um anomale Temperaturen zu ermitteln. Die Widerstände dieses Temperatursensors, welche für verschiedene Arten von Hauptkörpern vorgesehen sind, unterscheiden sich voneinander, derart, daß sich die Widerstandswerte nicht überlappen. Zu diesem Zweck ist dort beispielsweise vorgesehen, daß in einem vorgegebenem Temperaturbereich ein Widerstand mit einem ersten Widerstandswert für einen ersten Typ verwendet wird, während ein Widerstand mit einem zweiten, anderen Widerstandswert für einen zweiten Typ verwendet wird.

Wenn die Turbo-Molekularpumpe gemäß der herkömmlichen Anordnung mit Strom versorgt wird, so läßt die Entscheidungsschaltung einen Strom durch den Temperatursensor fließen und mißt eine Spannung auf der Basis dieses Widerstandes. Die Entscheidungsschaltung bestimmt dann aus dieser Spannung den Typ des Hauptkörpers. Somit erfolgt eine Bestim mung des Typs eines Maschinenkörpers lediglich auf der Basis des Widerstandes eines Temperatursensors.

Der Druckschrift lassen sich jedoch keinerlei Anregungen entnehmen, den Typ eines Maschinenkörpers allein aus bestimmten geometrischen Gegebenheiten zu bestimmen, bei denen ein sonst für ganz andere Zwecke vorgesehenes Bauelement, nämlich ein Schutzlager einer Magnetlagervorrichtung verwendet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine steuerbare Magnetlagervorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Typs eines Maschinenkörpers eines Magnetlagers anzugeben, bei denen eine Bevorratung von verschiedenen Steuereinheiten nicht erforderlich ist, sondern vielmehr ein und dieselbe Steuereinheit bei mehreren Typen von Maschinenkörpern zum Einsatz gelangen kann.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Aufgabe gelöst mit einer steuerbaren Magnetlagervorrichtung die eine Position eines von einem Magnetlager gelagerten Rotors erfaßt und die Position desselben steuert, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

– ein Schutzlager, um die Bewegungsbereiche des Rotors in Bezug auf die Radialrichtungen und die Axialrichtung zu begrenzen, wobei der radiale Zwischenraum und der axiale Zwischenraum zwischen dem Schutzlager und dem Rotor bestimmte Abstandswerte besitzen, die einem bestimmten Typ von Maschinenkörper zugeordnet sind;
– eine Einrichtung zum Bewegen des Rotors aus einem stationären Zustand in radialen oder axialen Richtungen, um Bewegungsbeträge desselben bis zu seinen Bewegungsgrenzen zu bestimmen, die durch das Schutzlager begrenzt sind; und
– eine Einrichtung zum Bestimmen eines Typs des Maschinenkörpers des Magnetlagers auf der Basis der Bewegungsbeträge sowie zum Setzen von für diesen Typ in einer Steuereinheit hinterlegten Steuerparametern für den gesamten Betrieb der Magnetlagervorrichtung.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Aufgabe gelöst mit einer steuerbaren Magnetlagervorrichtung, die
eine Position eines von einem Magnetlager gelagerten Rotors erfaßt und die Position desselben steuert, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

– ein Schutzlager, um die Bewegungsbereiche des Rotors in Bezug auf die Radialrichtungen zu begrenzen, wobei der radiale Zwischenraum zwischen dem Schutzlager und dem Rotor einen bestimmten Abstandswert besitzt, der einem bestimmten Typ von Maschinenkörper zugeordnet ist;
– eine Einrichtung zum Bewegen des Rotors aus einem stationären Zustand in mehreren radialen Richtungen, um jeweilige Bewegungsbeträge desselben bis zu seinen jeweiligen Bewegungsgrenzen zu bestimmen, die durch das Schutzlager begrenzt sind;
– eine Einrichtung zum Bestimmen eines mittleren Bewegungsbetrages auf der Grundlage der ermittelten Bewegungsbeträge; und
– eine Einrichtung zum Bestimmen eines Typs des Maschinenkörpers des Magnetlagers auf der Basis des mittleren Bewegungsbetrages sowie zum Setzen von für diesen Typ in einer Steuereinheit hinterlegten Steuerparametern für den gesamten Betrieb der Magnetlagervorrichtung.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die Aufgabenstellung gelöst mit einem Verfahren zum Bestimmen eines Typs eines Maschinenkörpers eines Magnetlagers, das ein Schutzlager aufweist, um die Bewegungsbereiche eines Rotors in Bezug auf die Radialrichtungen zu begrenzen, wobei der radiale Zwischenraum zwischen dem Schutzlager und dem Rotor einen bestimmten Abstandswert besitzt, der einem bestimmten Typ von Maschinenkörper des Magnetlagers zugeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

– Bewegen des von einem Magnetlager gelagerten Rotors aus einer Ruheposition zu einer Stelle auf der einen Seite einer ersten radialen Achse und Bestimmen eines Bewegungsbetrages desselben bis zu einer Bewegungsgrenze, die durch das Schutzlager bestimmt ist;
– anschließendes Bewegen des Rotors zu einer Stelle auf der einen Seite einer zweiten radialen Achse und Bestimmen eines Bewegungsbetrages desselben bis zu einer Bewegungsgrenze, die durch das Schutzlager bestimmt ist;
– anschließendes Bewegen des Rotors zu einer Stelle auf der anderen Seite der ersten radialen Achse und Bestimmen eines Bewegungsbetrages desselben bis zu einer Bewegungsgrenze, die durch das Schutzlager bestimmt ist;
– anschließendes Bewegen des Rotors zu einer Stelle auf der anderen Seite der zweiten radialen Achse und Bestimmen eines Bewegungsbetrages desselben bis zu einer Bewegungsgrenze, die durch das Schutzlager bestimmt ist;
– Ermitteln eines mittleren Bewegungsbetrages auf der Basis der ermittelten Bewegungsbeträge; und
– Bestimmen eines Typs des Maschinenkörpers des Magnetlagers auf der Basis des mittleren Bewegungsbetrages sowie Setzen von für diesen Typ in einer Steuereinheit hinterlegten Steuerparametern für den gesamten Betrieb des Magnetlagers.

Mit der Magnetlagervorrichtung sowie dem Verfahren gemäß der Erfindung wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Dabei kann in vorteilhafter Weise eine gemeinsame Steuereinheit für mehrere Typen von Maschinenkörpern verwendet werden. Wenn dabei der mittlere Bewegungsbetrag des Rotors aus den jeweiligen Bewegungsbeträgen bestimmt wird, so kann die Bestimmung des jeweiligen Maschinentyps in besonders zuverlässiger Weise erfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Bestimmen eines Typs eines Maschinenkörpers eines Magnetlagers, wie es von einer steuerbaren Magnetlagervor-richtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird;
2 eine Draufsicht zur Erläuterung der positionsmäßigen Beziehung zwischen einem Innendurchmesserkreis eines Schutzlagers und einem Rotor, der in einem von dem Kreis einbeschriebenen Bereich beweglich ist;
3 eine schematische Darstellung des Rotors gemäß 2 bei der Innenberührung einer +Y-Seite des Innendurch-messerkreises;
4 eine schematische Darstellung des Rotors gemäß 2 bei der Innenberührung einer +X-Seite des Innendurch-messerkreises;
5 eine schematische Darstellung des Rotors gemäß der 2 bei der Innenberührung einer –Y-Seite des Innendurch-messerkreises;
6 eine schematische Darstellung des Rotors gemäß 2 bei der Innenberührung einer –X-Seite des Innendurch-messerkreises;
7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung jeder Position des Zentrums und jedes Bewegungsbetrages des Rotors, wenn der Rotor nacheinander zu jeder seiner Bewegungsgrenzen bewegt wird;
8 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung jeder Position des Zentrums und jedes Bewegungsbetrages des Rotors, wenn der Rotor nacheinander zu jeder seiner Bewegungsgrenzen bewegt wird, und zwar in einem Fall, in dem die Ausgangsposition des Zentrums des Rotors sich außerhalb von dem Nullpunkt der X-Y-Koordinaten befindet;
9 eine vertikale Schnittansicht zur Erläuterung eines Maschinenkörpers der steuerbaren Magnetlagervorrichtung;
10 eine horizontale Schnittansicht zur Erläuterung des vorstehend genannten Maschinenkörpers;
11 ein Blockschaltungsdiagramm der vorstehend genannten steuerbaren Magnetlagervorrichtung;
12 ein Blockdiagramm, in dem nur ein mit der Steuerung der radialen Position befaßter Bereich der Anordnung der steuerbaren Magnetlagervorrichtung gezeigt ist; und
13 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines nur mit der Steuerung der axialen Position befaßten Bereichs der Anordnung der steuerbaren Magnetlagervorrichtung.
Beste Verfahrensweisen zum Ausführen der Erfindung
9 zeigt eine Längsschnittansicht zur Erläuterung eines Maschinenkörpers 1 einer steuerbaren Magnetlagervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 10 zeigt eine Querschnittsansicht desselben.
Der Maschinenkörper 1 besitzt eine vertikale Konstruktion, bei der sich ein Rotor 3 in Form einer vertikalen Welle innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 2 dreht. In der nachfolgenden Beschreibung ist eine Axialrichtung des Rotors 3 als Z-Richtung definiert, und die zu der Z-Richtung jeweils orthogonalen Richtungen, wie diese in der Zeichnung zu sehen sind, sind als X-Richtung und als Y-Richtung definiert.
Neben dem Gehäuse 2 und dem Rotor 3 beinhaltet der Maschinenkörper 1 ferner ein Axialmagnetlager 4, ein Radialmagnetlager 5, einen Axialverlagerungssensor 6, einen Radialverlagerungssensor 7, einen Motor 8 und ein Schutzlager 9.
Die Axialmagnetlager 4 sind oberhalb und unterhalb eines Flanschbereichs 3a des Rotors 3 angeordnet und schließen den Flanschbereich sandwichartig zwischeneinander ein, so daß der Rotor 3 in berührungsfreier Weise axial gelagert ist.
Die Radialmagnetlager 5 sind an zwei Stellen entlang der Z-Achse angeordnet und bilden somit zwei Gruppen, von denen jede aus vier Radialmagnetlagern besteht, die in gleichmäßiger Beabstandung von 90° um den Rotor 3 herum angeordnet sind.
Die Radialverlagerungssensoren 7 sind an den gleichen umfangsmäßigen Positionen wie die Radialmagnetlager 5 in unmittelbarer Nähe zu diesen entlang der Z-Richtung angeordnet und bilden so mit zwei Gruppen von je vier. Der Axialverlagerungssensor 6 ist gegenüber einem axialen Endbereich 3b des Rotors 3 angeordnet. Der Motor 8 ist an einer Innenwandung des Gehäuses 2 angebracht, um den Rotor 3 mit hohen Geschwindigkeiten rotationsmäßig zu bewegen.
Die Schutzlager 9 sind in einer Paar-Relation angeordnet, um die Bewegungsbereiche des Rotors 3 in bezug auf die Axial- und die Radialrichtung zu begrenzen und eine Berührungshalterung für den Rotor 3 für den Fall zu schaffen, daß die magnetische, berührungsfreie Lagerung des Rotors 3 nicht funktionsfähig sein sollte.
Ein radialer Zwischenraum und ein axialer Zwischenraum zwischen dem Schutzlager 9 und dem Rotor 3 besitzen bestimmte Werte, die in Abhängigkeit von dem Typ des Maschinenkörpers 1 festgelegt sind.
11 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Verbindung zwischen dem Maschinenkörper 1 der vorstehend beschriebenen Anordnung sowie einer Steuereinheit 11, die in Kombination mit dem Maschinenkörper die steuerbare Magnetlagervorrichtung bildet.
Die Steuereinheit 11 beinhaltet eine Sensorschaltung 12, eine Magnetlager-Treiberschaltung 13, einen Inverter 14, eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung 15 und eine serielle Schnittstelle 21. Die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 15 ist mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) 16, einem damit verbundenen ROM 17, einem Flash-Speicher 18 als nicht flüchtiger Speichervorrichtung, einem A/D-Wandler 19 und einem D/A-Wandler 20 versehen.
Ein Personal Computer (PC) 22, der an einem von der Steuereinheit 11 entfernten Ort angeordnet ist, ist mit der seriellen Schnittstelle 21 der Steuereinheit 11 verbunden.
Ausgangssignale von dem Axialverlagerungssensor 6 und den Radialverlagerungssensoren 7 werden über die Sensorschaltung 12 und den A/D-Wandler 19 in den digitalen Signalprozessor 16 eingespeist. Der digitale Signalprozessor 16 wiederum sorgt für eine Steuerung der Axialmagnetlager 4 und der Radialmagnetlager 5 über den D/A-Wandler 20 und die Magnetlager-Treiberschaltung 13, um dadurch eine berührungsfreie Lagerung des Rotors 3 bei der Steuerung der Position des Rotors 3 zu ermöglichen. Der digitale Signalprozessor 16 steuert auch die Rotationsbewegung des Motors 8 über den Inverter 14.
In dem ROM 17 sind ein Verarbeitungsprogramm und dergleichen gespeichert, das in dem digitalen Signalprozessor 16 auszuführen ist. In dem Flash-Speicher 18 sind Daten gespeichert, die mehrere Sätze von Steuerparametern, die den mehreren Typen von Maschinenkörpern 1 entsprechen, mittlere Bewegungsspannen S (die nachfolgend ausführlich beschrieben werden), die den mehreren Typen von Maschinenkörpern 1 entsprechen, ein Vorspannstromwert Io, der nachfolgend noch zu beschreiben ist, und dergleichen gespeichert. Diese Daten können durch den Personal Computer 22 erneut eingeschrieben bzw. überschrieben werden.
12 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines nur mit der Steuerung der radialen Position befaßten Bereichs der Anordnung der Steuereinheit 11. Es sei angenommen, daß das Paar der in der Zeichnung dargestellten Radialverlagerungssensoren 7 zum Beispiel entlang der X-Achse über den Rotor 3 hinweg einander gegenüberliegend angeordnet ist.
Die Ausgangssignale von diesen Radialverlagerungssensoren 7 werden in die Sensorschaltung 12 eingespeist, in der eine Verarbeitung durchgeführt wird, bei der das eine Ausgangssignal von dem anderen subtrahiert wird. Ein Ausgangssignal von der Sensorschaltung 12 wird einer A/D-Wandlung unterzogen, so daß sich ein Verlagerungssignal ΔX ergibt. Das Signal zeigt eine Verlagerung des Rotors 3 von einer Zielposition in bezug auf die X-Achse an.
Der digitale Signalprozessor 1b gibt zwei Erregerstromsignale (Io + Ic) und (Io – Ic) auf der Basis des Verlagerungssignals ΔX ab. Dabei bedeutet Io einen Vorstromwert, und Ic bedeutet einen Steuerstromwert, die von dem Vorzeichen und der Größe von ΔX abhängig sind.
Die Erregerstromsignale (Io + Ic) und (Io – Ic) werden jeweils einer D/A-Wandlung unterzogen und dann durch einen Verstärker 13a in der Magnetlager-Treiberschaltung 13 verstärkt. Die verstärkten Signale werden dem Paar der Radialmagnetlager 5 zugeführt, die einander entlang der X-Achse über den Rotor 3 hinweg gegenüberliegen.
In Abhängigkeit von dem Verlagerungssignal ΔX wird eine Einstellung der elektromagnetischen Kraft in bezug auf die Richtung ausgeführt, in der sich die Verlagerung auf 0 reduziert. Folglich wird der Rotor 3 in der X-Achsen-Zielposition gelagert.
Eine ähnliche positionsmäßige Steuerung erfolgt hinsichtlich der Y-Achse.
13 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines nur mit der Steuerung der axialen Position befaßten Bereichs der Anord nung der Steuereinheit 11. Ein Ausgangssignal von dem Axialverlagerungssensor 6 wird in die Sensorschaltung 12 eingespeist.
Auf der Basis von dem Ausgangssignal von dem Axialverlagerungssensor 6 stellt die Sensorschaltung 12 eine Verlagerung des Rotors 3 in bezug auf eine Z-Achsen-Zielposition fest. Diese Verlagerung wird einer A/D-Wandlung unterzogen und in ein Verlagerungssignal ΔZ umgewandelt, das in den digitalen Signalprozessor 16 eingespeist wird.
Der digitale Signalprozessor 16 gibt zwei Erregerstromsignale (Io + Ic) und (Io – Ic) auf der Basis des Verlagerungssignals ΔZ ab. Dabei bedeutet Io einen Vorstromwert und Ic bedeutet einen Steuerstromwert, die von dem Vorzeichen und der Größe von ΔZ abhängig sind.
Die Erregerstromsignale (Io + Ic) und (Io – Ic) werden jeweils einer D/A-Wandlung unterzogen und werden dann von dem Verstärker 13a in der Magnetlager-Treiberschaltung 13 verstärkt. Die verstärkten Signale werden den Axialmagnetlagern 4 zugeführt, die oberhalb und unterhalb des Flanschbereichs 3a des Rotors 3 angeordnet sind.
Auf der Grundlage des Verlagerungssignals ΔZ erfolgt eine Einstellung der elektromagnetischen Kraft in bezug auf eine Richtung, in der sich die Verlagerung auf 0 reduziert. Infolgedessen wird der Rotor 3 in der Z-Achsen-Zielposition gelagert.
Die steuerbare Magnetlagervorrichtung der vorstehend beschriebenen Anordnung bildet eine Einrichtung zum Ausführen der rotationsmäßigen Steuerung sowie der positionsmäßigen Steuerung des Rotors 3.
Außerdem bildet die steuerbare Magnetlagervorrichtung auch eine Einrichtung, die bei Betriebsstart eine auf den digitalen Signalprozessor 16 zentralisierte Positionssteuerfunktion dazu verwendet, den Rotor 3 in einem stationären Zustand in einer vorbestimmten Richtung zu bewegen, um einen Bewegungsbetrag desselben bis zu einer Bewegungsgrenze zu bestimmen, sowie ferner eine Einrichtung, die den Maschinentyp des Magnetlagers (Magnetkörper 1) auf der Basis des festgestellten Bewegungsbetrages bestimmt, um die Steuerparameter zu setzen.
Nachfolgend wird eine Arbeitsweise zum Bestimmen des Maschinentyps ausführlich beschrieben.
Bei der vorstehend beschriebenen steuerbaren Magnetlagervorrichtung sind das Axialmagnetlager 4, das Radialmagnetlager 5 und der Motor 8 nicht in Betrieb, wenn die Steuereinheit 11 nicht mit Energie versorgt wird. Der Rotor 3 befindet sich daher in einem Ruhezustand, in dem er von den Schutzlagern 9 in Berührung mit diesen gehaltert ist.
Bei Energiezufuhr zu der Steuereinheit 11 identifiziert der digitale Signalprozessor 16 den Maschinenkörper 1 gemäß einem in 1 gezeigten Flußdiagramm. Bei dem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß es drei Typen von Maschinenkörpern 1 gibt, die den Typ A, den Typ B und den Typ C beinhalten. Die Länge bzw. Distanz des Zwischenraums zwischen dem Rotor 3 und dem Schutzlager 9 ist bei jedem Maschinentyp verschieden.
In einem Schritt S1 führt der digitale Signalprozessor 16 zuerst eines Messung des Bewegungsbetrages bis zu der Bewegungsgrenze aus. Genauer gesagt, es liest der digitale Signal-prozessor vorübergehende Steuerparameter aus dem Flash-Speicher 18 aus, um die Axialmagnetlager 4 in Betrieb zu setzen.
Dies ermöglicht es, daß der Rotor 3 in eine vorübergehende Zielposition auf der Z-Achse magnetisch zum Schweben gebracht wird. In diesem Zustand kann sich der Rotor 3 in Radialrichtung innerhalb des durch den Innendurchmesserkreis des Schutzlagers 9 definierten Bereichs bewegen.
Die 2 bis 6 zeigen schematische Darstellungen, in denen in einer Draufsicht die positionsmäßige Beziehung zwischen einem Innendurchmesserkreis C des Schutzlagers 9 und dem Rotor 3 dargestellt ist, der innerhalb eines eingeschriebenen Bereichs des Kreises beweglich ist.
Zuerst sei als Ausgangszustand angenommen, daß der Rotor 3 konzentrisch mit dem Innendurchmesserkreis C angeordnet ist, wie dies in 2 gezeigt ist. In diesem Zustand speichert der digitale Signalprozessor 16 ein Verlagerungssignal ΔY0 (= 0) auf der Basis der Ausgangssignale von den Radialverlagerungssensoren 7, die in der +Y- und der –Y-Richtung angeordnet sind.
Anschließend führt der digitale Signalprozessor 16 einen vorbestimmten Erregerstrom nur dem Radialmagnetlager 5 in der +Y-Richtung zu, um dadurch den Rotor 3 in der +Y-Richtung anzuziehen. Dies bringt den Rotor 3 in Innenberührung mit der +Y-Seite des Schutzlagers 9 (des Innendurchmesserkreises C) (wobei dieser Zustand in 3 dargestellt ist).
In diesem Zustand liest der digitale Signalprozessor ein Verlagerungssignal ΔY1 auf der Basis von Ausgangssignalen von den Radialverlagerungssensoren 7, die in +Y- und –Y-Richtung angeordnet sind. Der digitale Signalprozessor 16 berechnet eine Differenz (ΔY1 – ΔY0) zwischen dem Verlagerungssignal ΔY1 und dem zuvor gespeicherten Verlagerungssignal ΔY0.
Außerdem bestimmt der digitale Signalprozessor 16 einen Betrag YLp (mit positivem Vorzeichen) der Bewegung des Rotors 3, der sich aus der Position der 2 in +Y-Richtung in die Position der 3 bewegt hat, und zwar unter Verwendung einer zuvor eingegebenen, entsprechenden Beziehung zwischen dem Verlagerungssignal und der tatsächlichen Verlagerung, woraufhin der digitale Signalprozessor 16 den auf diese Weise bestimmten Bewegungsbetrag speichert.
Außerdem speichert der digitale Signalprozessor 16 ein Verlagerungssignal ΔY0 (= 0) auf der Basis von den Ausgangssignalen der Radialverlagerungssensoren 7, die in der +X- und der –X-Richtung angeordnet sind.
Als nächstes führt der digitale Signalprozessor 16 einen vorbestimmten Erregerstrom nur dem Radialmagnetlager 5 in +X-Richtung zu, um dadurch den Rotor 3 in +X-Richtung anzuziehen. Dies bringt den Rotor 3 in Innenberührung mit der +X-Seite des Schutzlagers 9 (des Innendurchmesserkreises C) (wobei dieser Zustand in 4 dargestellt ist).
In diesem Zustand liest der digitale Signalprozessor 16 ein Verlagerungssignal ΔX1 auf der Basis von den Ausgangssignalen der Radialverlagerungssensoren 7, die in der +X- und –X-Richtung angeordnet sind. Der digitale Signalprozessor 16 berechnet eine Differenz (ΔX1 – ΔX0) zwischen dem Verlagerungssignal (ΔX1 und dem zuvor gespeicherten Verlagerungssignal ΔX0.
Auf der Basis des Rechenergebnisses bestimmt der digitale Signalprozessor 16 einen Betrag XLp (mit positivem Vorzeichen) der Bewegung des Rotors 3, der sich in +X-Richtung aus der Position der 3 in die Position der 4 bewegt hat, woraufhin der digitale Signalprozessor 16 den auf diese Weise bestimmten Bewegungsbetrag speichert.
Als nächstes führt der digitale Signalprozessor 16 einen vorbestimmten Erregerstrom nur zu dem Radialmagnetlager 5 in der –Y-Richtung zu, um dadurch den Rotor 3 in der –Y-Richtung anzuziehen. Dies bringt den Rotor 3 in Innenberührung mit der –Y-Seite des Schutzlagers 9 (des Innendurchmesserkreises C) (wobei dieser Zustand in 5 dargestellt ist).
In diesem Zustand liest der digitale Signalprozessor 16 ein Verlagerungssignal ΔX2 auf der Basis von Ausgangssignalen der in +Y- und –Y-Richtung angeordneten Radialverlagerungssensoren 7. Der digitale Signalprozessor 16 berechnet eine Differenz (ΔY2 – ΔY0) zwischen dem Verlagerungssignal ΔY2 und dem zuvor gespeichert Verlagerungssignal ΔY0.
Auf der Basis des Rechenergebnisses bestimmt der digitale Signalprozessor 16 einen Betrag YLn (mit negativem Vorzeichen) der Bewegung des Rotors 3, das in der –Y-Richtung aus der Position der 2 in die Position der 5 bewegt worden ist, worauf der digitale Signalprozessor 16 den auf diese Weise bestimmten Bewegungsbetrag speichert.
Als nächstes liefert der digitale Signalprozessor 16 einen vorbestimmten Erregerstrom nur zu dem Radialmagnetlager 5 in der –X-Richtung, um dadurch den Rotor 3 in der –X-Richtung anzuziehen. Dies bringt den Rotor 3 in Innenberührung mit der –X-Seite des Schutzlagers 9 (des Innendurchmesserkreises C) (wobei dieser Zustand in 6 gezeigt ist).
In diesem Zustand liest der digitale Signalprozessor 16 ein Verlagerungssignal ΔX2 auf der Basis von Ausgangssignalen von den in der +X- und der –X-Richtung angeordneten Radialverlagerungssensoren 7. Der digitale Signalprozessor 16 berechnet eine Differenz (ΔX2 – ΔX0) zwischen dem Verlagerungssignal ΔX2 und dem zuvor gespeicherten Verlagerungssignal ΔX0.
Auf der Grundlage des Rechenergebnisses bestimmt der digitale Signalprozessor 16 einen Betrag XLn (mit negativem Vorzeichen) der Bewegung des Rotors 3, der in der –X-Richtung von der Position der 3 in die Position der 6 bewegt worden ist, woraufhin der digitale Signalprozessor 16 den auf diese Weise bestimmten Bewegungsbetrag speichert.
7 zeigt eine grafische Darstellung von Positionen P0, P1, P2, P3 und P4 des Zentrums des Rotors 3, der aus dem Zustand der 2 in der vorstehend beschriebenen Weise oder in der Reihenfolge der 3, der 4, der 5 und der 6 unter Beibehaltung der Innenberührung mit dem Schutzlager 9 bewegt worden ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß es sich bei den vorstehend genannten Bewegungsbeträgen YLp, XLp, YLn und XLn um derartige Längen handelt, wie sie in 7 dargestellt sind.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Ausgangsposition P0 des Zentrums des Rotors 3 nicht immer in dem Zentrum P1 bis P4 angeordnet ist, wie dies in 8 zu sehen ist. In diesem Fall sind YLp und YLn nicht miteinander identisch, da sie im Hinblick auf das Verlagerungssignal ΔY0 in bezug auf P0 gelesen werden.
Selbst in diesem Fall wird jedoch das Zentrum des Rotors 3 in die Position P1 bewegt, wenn der Rotor 3 durch das Radialmagnetlager 5 in der +Y-Richtung angezogen wird. Somit sind die Bewegungsbeträge XLp und XLn die gleichen wie in dem in 7 gezeigten Fall.
Auf der Basis der auf diese Weise bestimmten Bewegungsbeträge YLp, XLp, YLn und XLn berechnet der digitale Signalprozessor 16 einen Mittelwert der Bewegungsspanne S (Schritt S2). Genauer gesagt, es werden zuerst Bewegungsspannen Ys und Xs in der Y- und der X-Richtung bestimmt unter Verwendung von: Ys = YLp – YLn Xs = XLp – XLn
Als nächstes wird der Mittelwert der Bewegungsspanne S bestimmt unter Verwendung von: S = (Ys + Xs)/2 (1)
Die Zuverlässigkeit der Bestimmung des Maschinentyps (wie dies später noch beschrieben wird) wird durch Bestimmen des Mittelwerts S in bezug auf beide Richtungen, d.h. sowohl die X- als auch die Y-Richtung, verbessert.
Anschließend stellt der digitale Signalprozessor 16 fest, ob der Mittelwert der Bewegungsspanne S folgende Gleichung erfüllt: S1min ≤ S S1max (2),wobei S1min und S1max einen Minimalwert und einen Maximalwert des radialen Zwischenraums zwischen dem Schutzlager 9 und dem Rotor 3 in dem Maschinenkörper 1 des Typs A bezeichnen (Schritt S3).
Wenn es sich bei dem Maschinenkörper 1 um den Typ A handelt, ist die Antwort auf den vorstehend genannte Ausdruck (2) ein Ja. Somit fährt der digitale Signalprozessor 16 mit einem Schritt S7 fort, um Steuerparameter für den Typ A aus dem Flash-Speicher 18 einzulesen und auf der Basis der eingelesenen Steuerparameter Zielwerte der Lagerung für die Axialmagnetlager 4 und die Radialmagnetlager 5 zu setzen.
Wenn es sich bei dem Maschinenkörper 1 nicht um den Typ A handelt, ist die Antwort auf den vorstehend genannten Ausdruck (2) ein Nein. Der digitale Signalprozessor 16 fährt daher mit dem Schritt S4 fort, um zu bestimmen, ob der Mittelwert der Bewegungsspanne S folgende Gleichung erfüllt oder nicht: S2min ≤ S ≤ S2max (3),wobei S2min und S2max einen Minimalwert und einen Maximalwert des radialen Zwischenraums zwischen dem Schutzlager 9 und dem Rotor 3 in dem Maschinenkörper 1 des Typs B bezeichnen (vorausgesetzt S1max < S2min).
Wenn es sich bei dem Maschinenkörper 1 um den Typ B handelt, ist die Antwort auf den vorstehend genannten Ausdruck (3) ein Ja. Der digitale Signalprozessor 16 fährt daher mit dem Schritt S8 fort, um Steuerparameter für den Typ B aus dem Flash-Speicher 18 einzulesen und auf der Basis der Steuerparameter Zielwerte der Lagerung für die Axialmagnetlager 4 und die Radialmagnetlager 5 zu setzen.
Wenn es sich bei dem Maschinenkörper 1 nicht um den Typ B handelt, ist die Antwort auf den vorstehend genannten Ausdruck (3) ein Nein. Der digitale Signalprozessor 16 fährt daher mit einem Schritt S5 fort, um festzustellen, ob der Mittelwert der Bewegungsspanne S folgende Gleichung erfüllt oder nicht: S3min ≤ S ≤ S3max (4),wobei S3min und S3max einen Minimalwert und einen Maximalwert des radialen Zwischenraums zwischen dem Schutzlager 9 und dem Rotor 3 in dem Maschinenkörper 1 des Typs C bezeichnen (vorausgesetzt S2max < S3min).
Handelt es sich bei dem Maschinenkörper 1 um den Typ C, ist die Antwort auf den vorstehend genannten Ausdruck (4) ein Ja. Der digitale Signalprozessor 16 fährt daher mit einem Schritt S9 fort, um Steuerparameter für den Typ C aus dem Flash-Speicher 18 einzulesen und auf der Basis der Steuerparameter Zielwerte der Lagerung für die Axialmagnetlager 4 und die Radialmagnetlager 5 zu setzen.
Wenn es sich bei dem Maschinenkörper 1 nicht um den Typ C handelt, ist die Antwort auf den vorstehend genannten Ausdruck (4) ein Nein. Bei dem Maschinenkörper 1 handelt es sich somit weder um den Typ A noch um den Typ B noch um den Typ C, so daß keine Bestimmung des Maschinentyps erfolgen kann. Der digitale Signalprozessor 16 fährt daher mit einem Schritt S6 fort, in dem eine Anomalität angezeigt wird.
Auf diese Weise kann der Typ des Maschinenkörpers 1 aus dem Mittelwert der Bewegungsspannen S bestimmt werden, und auf diese Weise erfolgt das Setzen der Steuerparameter für einen anzuwendenden Maschinentyp in automatischer Weise, so daß der Rotor rasch in einen magnetischen Schwebezustand verbracht werden kann.
Die gemeinsame Steuereinheit 11 ermöglicht somit ein automatisches Setzen von entsprechenden Steuerparametern für einen beliebigen der mehreren Typen von Maschinenkörpern 1 sowie eine Steuerung der Position des Rotors 3. Dies ermöglicht eine universelle Verwendung der Steuereinheit 11, so daß die Steuereinheit 11 zur Erzielung einer Kostenreduzierung einer Massenherstellung zugänglich ist.
Es ist darauf hinzuweisen, daß eine Anomalität nur dann angezeigt wird, wenn die automatische Bestimmung nicht möglich ist, wobei dann eine Bedienungsperson die Steuerparameter auf der Basis der Bestimmung durch die Bedienungsperson selbst setzt.
Das Flußdiagramm (1) des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels veranschaulicht zwar die Verarbeitung zur Auswahl eines beliebigen von drei Typen, jedoch ist es auch möglich, eine Bestimmung hinsichtlich einer größeren Anzahl von Maschinentypen für ein automatisches Setzen der Steuerparameter durchzuführen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Maschinentyp zwar auf der Basis der Bewegungsbeträge YLp, XLp, YLn und XLn bestimmt, jedoch ist es ebenso möglich, den Maschinentyp nur auf der Grundlage des Bewegungsausmaßes in der Y-Richtung oder der X-Richtung zu bestimmen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden vor der Bestimmung der Bewegungsbeträge YLp, XLp, YLn und XLn die Axialmagnetlager 4 aktiviert, um einen vorübergehenden Zustand zu bewirken, in dem der Rotor in Axialrichtung in einen Schwebezustand gebracht ist.
In einem Zustand, in dem der Rotor mit den Schutzlagern 9 in Berührung ist, braucht der Rotor 3 jedoch nicht axial in einen Schwebezustand gebracht zu werden, wenn der Rotor 3 axial angezogen werden kann.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Bestimmung des Maschinentyps auf der Grundlage des Bewegungsbetrages bis zu der Bewegungsgrenze in Radialrichtung. Es ist jedoch auch möglich, den Maschinentyp auf der Grundlage des Bewegungsbetrages bis zu der Bewegungsgrenze in Axialrichtung zu bestimmen.
In diesem Fall wird der in einem stationären Zustand befindliche Rotor 3 in einen Schwebezustand gebracht, um seinen axialen Endbereich 3a in Anlage an dem Schutzlager 9 zu bringen, so daß ein Bewegungsbetrag aufgrund eines Änderungsbetrages des Verlagerungssignals ΔZ von dem Axialverlagerungssensor 6 festgestellt werden kann und der Maschinentyp dann auf der Grundlage dieses Bewegungsbetrages bestimmt wird.

Claims

Steuerbare Magnetlagervorrichtung, die eine Position eines von einem Magnetlager (4, 5) gelagerten Rotors (3) erfaßt und die Position desselben steuert, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – ein Schutzlager (9), um die Bewegungsbereiche des Rotors (3) in Bezug auf die Radialrichtungen (X, Y) und die Axialrichtung (Z) zu begrenzen, wobei der radiale Zwischenraum und der axiale Zwischenraum zwischen dem Schutzlager (9) und dem Rotor (3) bestimmte Abstandswerte besitzen, die einem bestimmten Typ von Maschinenkörper (1) zugeordnet sind; – eine Einrichtung zum Bewegen des Rotors (3) aus einem stationären Zustand in radialen oder axialen Richtungen, um Bewegungsbeträge desselben bis zu seinen Bewegungsgrenzen zu bestimmen, die durch das Schutzlager (9) begrenzt sind; und – eine Einrichtung zum Bestimmen eines Typs des Maschinenkörpers (1) des Magnetlagers auf der Basis der Bewegungsbeträge sowie zum Setzen von für diesen Typ in einer Steuereinheit (11) hinterlegten Steuerparametern für den gesamten Betrieb der Magnetlagervorrichtung.
Steuerbare Magnetlagervorrichtung, die eine Position eines von einem Magnetlager (4, 5) gelagerten Rotors (3) erfaßt und die Position desselben steuert, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – ein Schutzlager (9), um die Bewegungsbereiche des Rotors (3) in Bezug auf die Radialrichtungen (X, Y) zu begrenzen, wobei der radiale Zwischenraum zwischen dem Schutzlager (9) und dem Rotor (3) einen bestimmten Abstandswert besitzt, der einem bestimmten Typ von Maschinenkörper (1) zugeordnet ist; – eine Einrichtung zum Bewegen des Rotors (3) aus einem stationären Zustand in mehreren radialen Richtungen, um jeweilige Bewegungsbeträge desselben bis zu seinen jeweiligen Bewegungsgrenzen zu bestimmen, die durch das Schutzlager (9) begrenzt sind; – eine Einrichtung zum Bestimmen eines mittleren Bewegungsbetrages auf der Grundlage der ermittelten Bewegungsbeträge; und – eine Einrichtung zum Bestimmen eines Typs des Maschinenkörpers (1) des Magnetlagers auf der Basis des mittleren Bewegungsbetrages sowie zum Setzen von für diesen Typ in einer Steuereinheit (11) hinterlegten Steuerparametern für den gesamten Betrieb der Magnetlagervorrichtung.
Verfahren zum Bestimmen eines Typs eines Maschinenkörpers (1) eines Magnetlagers, das ein Schutzlager (9) aufweist, um die Bewegungsbereiche eines Rotors (3) in Bezug auf die Radialrichtungen (X, Y) zu begrenzen, wobei der radiale Zwischenraum zwischen dem Schutzlager (9) und dem Rotor (3) einen bestimmten Abstandswert besitzt, der einem bestimmten Typ von Maschinenkörper (1) des Magnetlagers zugeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Bewegen des von einem Magnetlager (4, 5) gelagerten Rotors (3) aus einer Ruheposition zu einer Stelle auf der einen Seite einer ersten radialen Achse und Bestimmen eines Bewegungsbetrages desselben bis zu einer Bewegungsgrenze, die durch das Schutzlager (9) bestimmt ist; – anschließendes Bewegen des Rotors (3) zu einer Stelle auf der einen Seite einer zweiten radialen Achse und Bestimmen eines Bewegungsbetrages desselben bis zu einer Bewegungsgrenze, die durch das Schutzlager (9) bestimmt ist; – anschließendes Bewegen des Rotors (3) zu einer Stelle auf der anderen Seite der ersten radialen Achse und Bestimmen eines Bewegungsbetrages desselben bis zu einer Bewegungsgrenze, die durch das Schutzlager (9) bestimmt ist; – anschließendes Bewegen des Rotors (3) zu einer Stelle auf der anderen Seite der zweiten radialen Achse und Bestimmen eines Bewegungsbetrages desselben bis zu einer Bewegungsgrenze, die durch das Schutzlager (9) bestimmt ist; – Ermitteln eines mittleren Bewegungsbetrages auf der Basis der ermittelten Bewegungsbeträge; und – Bestimmen eines Typs des Maschinenkörpers (1) des Magnetlagers auf der Basis des mittleren Bewegungsbetrages sowie Setzen von für diesen Typ in einer Steuereinheit (11) hinterlegten Steuerparametern für den gesamten Betrieb des Magnetlagers.