DE102005030878B4

DE102005030878B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle

Info

Publication number: DE102005030878B4
Application number: DE102005030878A
Authority: DE
Inventors: Matthias Braun; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2025-07-02
Also published as: WO2007003547A1; US7709984B2; DE102005030878A1; US20080164777A1; JP4652448B2; JP2009500991A

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) mit einem feststehenden Ständer (1) in dem sich ein Erreger-Wicklungssystem, welches die Polpaarzahl Perr aufweist, und zwei Ausgangs-Wicklungssysteme befinden, welche je die Polpaarzahl Paus aufweisen, wobei
• die Ausgangs-Wicklungssysteme gegeneinander versetzt in dem Ständer (1) angeordnet sind,
• die Welle (3) im Ständer (1) beweglich angeordnet ist, so dass sie eine Mittenabweichung aufweisen kann,
• |Perr – Paus| = 1 gilt,
• sich zwischen Ständer (1) und Welle (3) ein Luftspalt befindet,
• der Vorrichtung eine Spannungsquelle zugeordnet ist, welche das Erreger-Wicklungssystem mit Wechselspannung speist,
• der Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung zugeordnet ist, welche die Mittenabweichung der Welle (3) aus den in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannungen bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle und ein Verfahren zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle.
Magnetlager können unterteilt werden in passive Magnetlager sowie aktive Magnetlager. Bei passiven Magnetlagern benutzt man entweder die zwischen Dauermagneten auftretenden abstoßenden oder anziehenden Kräfte oder die Anziehungskräfte zwischen Dauermagneten und ferromagnetischen Materialien. Bei aktiven Magnetlagern wird das benötigte Magnetfeld mit Hilfe von Elektromagneten erzeugt. Durch Variation des Stromes in den Spulen der Elektromagnete können das Magnetfeld und damit die gerade wirkenden Kräfte verändert werden. Um ein Maschinenteil auf solche Art lagern zu können, ist immer eine Regelung erforderlich, die dafür sorgt, dass die gerade benötigten Lagerkräfte zur Verfügung stehen. Die Regelgröße ist die Mittenabweichung des zu lagernden Teils, bzw. der zu lagernden Welle. Diese Position wird berührungslos über einen Sensor gemessen.
Aus der DE 195 29 038 A1 ist eine Magnetlagerung für einen Rotor mit Gleichstromantrieb bekannt, wobei Teile der Antriebsordnung zur Bestimmung der Auslenkung des Rotors aus der Mittellage verwendet werden. Dabei ermöglichen ein oder mehrere zusätzliche Spulenanordnungen und das Zusammenwirken von einzelnen Teilen eine selbststabilisierende Funktionsweise der Magnetlagerung und die Vermeidung von aufwendigen Regeleinrichtungen.
Aus der EP 0 920 109 A2 ist eine Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle bekannt, mit gegeneinander versetzten in einem Ständer angeordneten Wicklungssystemen, mit im Ständer beweglichen angeordneter Welle, so dass sie eine Mittenabweichung aufweisen kann, mit zwischen Ständer und Welle befindlichen Luftspalt und mit einer zugeordneten Auswerteeinrichtung, welche die Mittenabweichung der Welle aus den in den Ausgangswicklungssystemen induzierten Spannungen bestimmt.
Aus der DE 696 30 986 T2 ist eine elektromagnetische rotierende Maschine bekannt, deren Stator Radialpositionskontrollwicklungen für eine Magnetlagerfunktion aufweist.
Es ist bekannt, den Sensor so zu gestalten, dass er aus einem Ständer besteht, in dem ein Erreger-Wicklungssystem eingelegt ist, welches mit einer Wechselspannung gespeist wird. Ein Teil der zu lagernden Welle ragt in den Ständer. Durch im Ständer eingebrachte Hall-Sensoren wird das Magnetfeld gemessen und daraus die Mittenabweichung der Welle bestimmt.
Nachteilig ist aber, dass die Hallsensoren aufwendig zu fertigen sind und daher teuer sind und dass vor Inbetriebnahme des Sensors eine Nullpunktjustierung stattfinden muss. U. U. muss die Nullpunktjustierung jedoch nach einer gewissen Betriebsdauer wiederholt werden, da das Material des Sensors altert. Dementsprechend führt der Einsatz von Hall-Sensoren auch zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Mittenabweichung der Welle.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle anzugeben, welche eine kostengünstigere und genauere Bestimmung der Mittenabweichung einer Welle ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle mit einem feststehendem Ständer in dem sich ein Erreger-Wicklungssystem, welches die Polpaarzahl Perr aufweist, und zwei Ausgangs-Wicklungssysteme befinden, welche je die Polpaarzahl Paus aufweisen, wobei

• die Ausgangs-Wicklungssysteme gegeneinander versetzt in dem Ständer angeordnet sind,
• die Welle im Ständer beweglich angeordnet ist, so dass sie eine Mittenabweichung aufweisen kann,
• |Perr – Paus| = 1 gilt,
• sich zwischen Ständer und Welle ein Luftspalt befindet,
• der Vorrichtung eine Spannungsquelle zugeordnet ist, welche das Erreger-Wicklungssystem mit Wechselspannung speist,
• der Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung zugeordnet ist, welche die Mittenabweichung der Welle aus den in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannungen bestimmt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 14.
Damit wird vorteilhaft erreicht, dass die Vorrichtung kostengünstig herzustellen ist und eine sehr hohe Genauigkeit aufweist. Weiterhin ist eine Nullpunktjustierung nicht notwendig und die Alterung des Materials hat keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Dabei bedeutet |Perr – Paus| = 1, dass sich Perr und Paus um genau 1 unterscheiden. Die Welle muss dabei mindestens so lang sein wie der Ständer und kann an zumindest einem Ende an weiteren Elementen befestigt sein bzw. in weitere Elemente übergehen. Die Elemente können dabei aus anderem Material sein und eine andere Form aufweisen.
Der Ständer ist entweder aus isolierten Blechen oder aus einem ferromagnetischen Material mit hohem elektrischen Widerstand aufgebaut. Damit ist vorteilhafter Weise gewährleistet, dass kaum Wirbelströme auftreten, welche die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung herabsetzen würden. Ein Material, welches ferromagnetisch ist und einen hohen elektrischen Widerstand aufweist ist z. B. Sinterwerkstoff.
Zumindest ein Wicklungssystem kann aus Luftspaltwicklungen bestehen. In diesem Fall werden die Wicklungen nicht um Zähne des Ständers gelegt und der Ständer weist u. U. in diesem Fall auch keine Zähne auf. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine hohe Anzahl von Leitern in dem Ständer montiert werden soll.
Alternativ weist der Ständer N Nuten auf, in welche die Wicklungssysteme eingelegt sind. Dann ist es vorteilhaft möglich, die Wicklungen der Wicklungssysteme um die Zähne des Ständers zu legen und damit das Magnetfeld im Ständer positiv zu beeinflussen. Weist der Ständer N Nuten auf, dann werden die Ausgangs-Wicklungssysteme um N/(Paus·4) oder N·3/(Paus·4) Nuten versetzt angeordnet. Damit kann die Mittenabweichung aus der in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannung berechnet werden. Jedes Ausgangs-Wicklungssystem weist hierzu zumindest zwei Anschlüsse auf, an denen die induzierten Spannungen U1 und U2 messbar sind.
Vorteilhafter Weise weist die Auswerteeinrichtung ein Mittel auf, welches die Abweichung der Welle von der Mitte des Ständers aus einer ersten Konstanten, multipliziert mit der Wurzel aus der Summe der Quadrate der beiden in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannungen U1 und U2, bestimmt. Der Zusammenhang lässt sich ausdrücken als: Abweichung der Welle = Konstante1·√U1² + U2²
Weiterhin weist die Auswerteeinrichtung ein Mittel auf, welches den Winkel der Abweichung von der Mittellage gemessen von einer durch die Mitte des Ständers verlaufenden Bezugslinie aus einer zweiten Konstanten, zu der der Arcustangens vom Verhältnis der beiden induzierten Spannungen U1 und U2 addiert wird, bestimmt. Der Zusammenhang lässt sich ausdrücken als:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafter Weise auch verwendet werden, wenn die Welle drehbar gelagert ist.
Der Vorrichtung kann eine Regeleinrichtung zugeordnet sein, welche Wicklungen eines Magnetlagers ansteuert. Dann misst die Vorrichtung die Regelabweichung, welche der Mittenabweichung einer Welle entspricht, und gibt die Daten an die Regeleinrichtung weiter, welche dann die Wicklungen des Magnetlagers ansteuert, um die Welle an einen bestimmten Punkt, z. B. die Mitte des Lagers zu bewegen.
Weiterhin ist der Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle eine Anzeige zugeordnet, welche die gemessene Mittenabweichung anzeigt. Damit kann die Vorrichtung vorteilhaft auch als mobiles Messgerät verwendet werden. Die Anzeige kann dabei analog oder digital als LCD-Display ausgeführt sein.
Vorteilhafter Weise weist die Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle eine Anschlussmöglichkeit auf, mittels derer die gemessene Mittenabweichung zu einer weiteren Vorrichtung übertragen werden kann. Die weitere Vorrichtung kann dabei z. B. eine Anzeige, eine Aufzeichnungs- oder eine Regel- oder Steuervorrichtung sein. Eine Aufzeichnungsvorrichtung würde dabei die Mittenabweichungen mitprotokollieren.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand von schematisch dargestellten Ausführungs beispielen in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel erfolgt; es zeigen:
1 den Ständer der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer mittigen Welle;
2 den Ständer der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer nicht mittigen Welle;
3 einen Belegungsplan der Nuten;
4 die Drahtführung des Ausgangs-Wicklungssystems;
5 die Drahtführung des ersten Erreger-Wicklungssystems.
In 1 ist ein Ständer 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer mittigen Welle 3 gezeigt. Der Ständer 1 weist Nuten 2 auf, in die das Erreger-Wicklungssystem und die Ausgangs-Wicklungssysteme eingelegt werden. Die Welle 4 befindet sich in diesem Beispiel genau mittig im Ständer 1, d. h., die Mitte der Welle liegt genau auf der Mitte 4 des Ständers.
2 zeigt den Ständer 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer nicht mittigen Welle 3. In diesem Beispiel befindet sich die Mitte 8 der Welle 3 neben der Mitte 4 des Ständers. Die Mittenabweichung der Welle 3 kann ausgedrückt werden durch die Abweichung 7 von Punkt 4 zu Punkt 8 sowie durch den Winkel 6 der Abweichung 7 des Ständers gemessen von einer durch die Mitte 4 des Ständers verlaufenden Bezugslinie 5.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bestimmt die Abweichung 7 sowie den Winkel 6 und damit die Mittenabweichung der Welle 3 im Ständer 1. Dies geschieht durch Speisung des Erreger-Wicklungssystems mit einer Wechselspannung mit einer Frequenz von z. B. 2 bis 10 kHz. Durch die Lage der Welle 3 im Ständer 1 werden die in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannungen beeinflusst.
Die Abweichung 7 der Welle 3 von der Mitte 4 des Ständers 1 ergibt sich dann aus einer Konstanten multipliziert mit der Wurzel aus der Summe der Quadrate der beiden in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannungen U1 und U2.
Der Winkel 6 ergibt sich aus einer Konstanten, zu der der Arcustangens vom Verhältnis der beiden induzierten Spannungen U1 und U2 addiert wird.
3 zeigt den Belegungsplan der Nuten 2. Im vorliegenden Beispiel ist die Anzahl der Nuten 2 im Ständer 1 N = 16. Spalte 9 zeigt den Belegungsplan des Erreger-Wicklungssystems und Spalten 10 und 11 zeigen den Belegungsplan der beiden Ausgangs-Wicklungssysteme. Jede Zeile steht für eine der N = 16 Nuten 2. Jede Zahl gibt die Anzahl der Leiter an, die in der entsprechenden Nut 2 liegen und die Vorzeichen geben die Stromdurchflussrichtung an. Im vorliegenden Beispiel ist die Polpaarzahl des Erreger-Wicklungssystems Perr = 2. Die beiden Ausgangs-Wicklungssysteme weisen je die Polpaarzahl Paus = 3 auf. Dementsprechend gilt |Perr – Paus| = 1. Weiterhin ist zu sehen, dass die Ausgangs-Wicklungssysteme identisch sind und um N·3/(Paus·4) Nuten versetzt angeordnet sind.
In 4 ist beispielhaft die Drahtführung des Erreger-Wicklungssystems gezeigt. Jede Linie 12 steht für eine Nut 2. Mit durchgezogenen Linien sind die Spulen 13 des Wicklungssystems symbolisiert und mit gestrichelten Linien sind die Verbindungen 14 der Spulen markiert.
In 5 ist beispielhaft die Drahtführung des Ausgangs-Wicklungssystems gezeigt. Jede Linie 12 steht für eine Nut 2. Mit durchgezogenen Linien sind die Spulen 13 des Wicklungssystems gezeigt und mit gestrichelten Linien sind die Verbindungen 14 der Spulen markiert.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) mit einem feststehenden Ständer (1) in dem sich ein Erreger-Wicklungssystem, welches die Polpaarzahl Perr aufweist, und zwei Ausgangs-Wicklungssysteme befinden, welche je die Polpaarzahl Paus aufweisen, wobei • die Ausgangs-Wicklungssysteme gegeneinander versetzt in dem Ständer (1) angeordnet sind, • die Welle (3) im Ständer (1) beweglich angeordnet ist, so dass sie eine Mittenabweichung aufweisen kann, • |Perr – Paus| = 1 gilt, • sich zwischen Ständer (1) und Welle (3) ein Luftspalt befindet, • der Vorrichtung eine Spannungsquelle zugeordnet ist, welche das Erreger-Wicklungssystem mit Wechselspannung speist, • der Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung zugeordnet ist, welche die Mittenabweichung der Welle (3) aus den in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannungen bestimmt.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (1) aus Blechen aufgebaut ist.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (1) aus ferromagnetischem Material geformt ist, welches einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, wie z. B. Sinterwerkstoff.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wicklungssystem aus Luftspaltwicklungen besteht.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass der Ständer (1) N Nuten (2) aufweist, in welche die Wicklungssysteme eingelegt sind.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangs-Wicklungssysteme um N/(Paus·4) oder N·3/(Paus·4) Nuten (2) versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ausgangs-Wicklungssystem zumindest zwei Anschlüsse aufweist, an denen die induzierten Spannungen U1 und U2 messbar sind.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung ein Mittel aufweist, welches die Abweichung (7) der Welle (3) von der Mitte (4) des Ständers (1) aus einer ersten Konstanten multipliziert mit der Wurzel der Summe der Quadrate der beiden in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannungen U1 und U2 gemäß Abweichung der Welle = Konstante1·√U1² + U2² bestimmt.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung ein Mittel aufweist, welches den Winkel (6) der Abweichung von der Mitte (4) des Ständers (1) gemessen von einer durch die Mitte (4) des Ständers (1) verlaufenden Bezugslinie (5) aus einer zweiten Konstanten, zu der der Arcustangens vom Verhältnis der beiden induzierten Spannungen U1 und U2 gemäß
addiert wird, bestimmt.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einer Regeleinrichtung zugeordnet ist, welche Wicklungen von Magnetlagern ansteuert.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung eine Anzeige zugeordnet ist, welche die gemessene Mittenabweichung anzeigt.
Vorrichtung zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, – dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Anschlussmöglichkeit aufweist mittels derer die gemessene Mittenabweichung zu einer weiteren Vorrichtung übertragen werden kann.
Verfahren zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) mit einem feststehenden Ständer (1) in dem sich ein Erreger-Wicklungssystem, welches die Polpaarzahl Perr aufweist, und zwei Ausgangs-Wicklungssysteme befinden, welche je die Polpaarzahl Paus aufweisen, wobei • die Ausgangs-Wicklungssysteme gegeneinander versetzt in dem Ständer angeordnet sind, • die Welle (3) im Ständer beweglich angeordnet ist, so dass sie eine Mittenabweichung aufweisen kann, • |Perr – Paus| = 1 gilt, • sich zwischen Ständer und Welle ein Luftspalt befindet, • der Vorrichtung eine Spannungsquelle zugeordnet ist, welche das Erreger-Wicklungssystem mit Wechselspannung speist, • die Mittenabweichung aus den in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannungen bestimmt wird.
Verfahren zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ausgangs-Wicklungssystem zwei Anschlüsse aufweist, an denen die induzierten Spannungen U1 und U2 gemessen werden.
Verfahren zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung (7) der Welle (3) von der Mitte (4) des Ständers (1) bestimmt wird aus einer ersten Konstanten multipliziert mit der Wurzel der Summe der Quadrate der beiden in den Ausgangs-Wicklungssystemen induzierten Spannungen U1 und U2 gemäß Abweichung der Welle = Konstante1·√U1² + U2².
Verfahren zur Erfassung der Mittenabweichung einer Welle (3) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Abweichung von der Mitte (4) des Ständers (1) gemessen von einer durch die Mitte (4) des Ständers (1) verlaufenden Bezugslinie (5) bestimmt wird, indem eine zweite Konstante zum Arcustangens vom Verhältnis der beiden induzierten Spannungen U1 und U2 addiert wird gemäß