DE102011078782A1

DE102011078782A1 - Magnetlager, Verfahren zum Betreiben eines Magnetlagers und Verwendung eines Magnetlagers

Info

Publication number: DE102011078782A1
Application number: DE102011078782A
Authority: DE
Inventors: Christian Willming
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH; SKF AB
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2013004788A1

Abstract

Ein Magnetlager (1) zur Lagerung eines Drehkörpers (2) weist eine Mehrzahl an Lagerelementen (3, 4, 5, 6) auf, wobei zwischen den Lagerelementen (3, 4, 5, 6) und einer Oberfläche (7) des Drehkörpers (2) gebildete Abstände (Sx1, Sx2, Sy1, Sy2) regelbar sind und eine Winkelabhängigkeit zwischen der Rotationslage des Drehkörpers (2) und den durch Regelung eingestellten Abständen (Sx1, Sx2, Sy1, Sy2) gegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetlager, ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetlagers, insbesondere in einem medizintechnischen Gerät, sowie dessen Verwendung.
Aus der DE 10 2005 001 494 A1 ist ein Regelverfahren für eine Magnetlagerung sowie eine hiermit korrespondierende Einrichtung bekannt. Mittels einer Erfassungseinrichtung werden dabei Radialauslenkungen eines Drehelementes erfasst, welches mit Hilfe einer Magnetlagerung um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Zusätzlich zu den Radialauslenkungen wird auch eine Drehfrequenz des Drehelements erfasst und ausgewertet. Die in der DE 10 2005 001 494 A1 offenbarte Magnetlagerung ist beispielsweise bei elektrischen Maschinen, Turbinen oder Kompressoren anwendbar.
Die Verwendung von Magnetlagern in der Medizintechnik ist prinzipiell beispielsweise aus der DE 10 2009 043 221 A1 bekannt. Eine Magnetlagerung dient in diesem Fall der Lagerung eines Anodentellers einer Röntgenstrahlenquelle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzmöglichkeiten von Magnetlagerungen, insbesondere in der Medizintechnik, gegenüber dem Stand der Technik zu erweitern, sowie die Präzision der Lagerung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Magnetlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetlagers mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Magnetlager erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
Das Magnetlager weist zur Lagerung eines Drehkörpers eine Mehrzahl an Lagerelementen auf, wobei zwischen den Lagerelementen und einer im Wesentlichen eine Kreislinie beschreibenden Oberfläche des Drehkörpers gebildete Abstände derart geregelt werden, dass eine Winkelabhängigkeit zwischen der Rotationslage des Drehkörpers und den durch Regelung eingestellten Abständen gegeben ist. Mit Hilfe dieser Regelung wird auch bei einem Drehkörper mit nicht exakt kreisförmigem Querschnitt sichergestellt, dass die räumliche Lage der Rotationsachse des Drehkörpers unabhängig von dessen Winkellage zumindest annähernd konstant bleibt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Magnetlager als Radiallager ausgebildet. Ebenso kann es jedoch auch als Axiallager oder als kombiniertes Radial-Axial-Lager ausgebildet sein. Im Fall einer Axiallagerung wird die von der Winkellage des Drehkörpers abhängige Einstellung der Abstände zwischen rotierenden und feststehenden Komponenten der Lagerung dazu genutzt, eine Verlagerung des Rotationskörpers in axialer Richtung während der Rotation zu minimieren. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung im Folgenden anhand einer Radiallagerung erläutert.
Eine erste Gruppe an Lagerelementen ist vorzugsweise zur Lageregelung des Drehkörpers in x-Richtung ausgebildet, während eine zweite Gruppe an Lagerelementen zur Lageregelung in hierzu orthogonaler y-Richtung ausgebildet ist, wobei jede Gruppe an Lagerelementen aus mindestens zwei einzelnen Lagerelementen besteht, die in einander entgegengesetzte Richtung wirken. Die Magnetlagerung umfasst demnach insgesamt mindestens vier Lagerelemente. Auch im Fall einer größeren Anzahl an Lagerelementen sind diese vorzugsweise symmetrisch, im Falle eines Radiallagers insbesondere punktsymmetrisch um die Rotationsachse des Drehkörpers angeordnet.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein magnetgelagertes Teil, insbesondere eine Welle, typischerweise einen annähernd, jedoch nicht notwendigerweise absolut, rotationssymmetrischen, insbesondere zylindrischen Querschnitt, aufweist. Beim Betrieb eines Magnetlagers wird üblicherweise von einer perfekt symmetrischen Gestalt des gelagerten Teils ausgegangen. Von daher wird es bei herkömmlichen Magnetlagerungen als ausreichend angesehen, die Abstände zwischen dem rotierenden Teil und außerhalb dieses Teils angeordneten, einander gegenüberliegenden magnetischen Lagerelementen auf einen möglichst konstanten Wert zu regeln.
Nach dem Stand der Technik sind Optimierungen der Präzision von Magnetlagerungen vorstellbar, indem die Rotationssymmetrie des gelagerten Teils, etwa durch materialabtragende Bearbeitung, insbesondere durch Schleifen, verbessert wird. Von diesem herkömmlichen Weg der Lageroptimierung wendet sich die Erfindung bewusst ab. Stattdessen wird eine von der Rotationssymmetrie abweichende Form des gelagerten Teils gezielt in die Regelung der Magnetlagerung einbezogen.
Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine präzise Erfassung geometrischer Merkmale des magnetgelagerten Drehkörpers. Hierbei wird eine die Rotationsachse des Drehkörpers umschließende, annähernd kreisförmige Oberflächenlinie vermessen. Im Fall einer größeren Ausdehnung des erfassten Oberflächenbereichs des Rotationskörpers kann es sich bei diesem Oberflächenbereich beispielsweise auch um eine zylindermantelförmige oder konische Oberfläche handeln. In jedem Fall handelt es sich um die Oberfläche desjenigen Teils des magnetgelagerten Drehkörpers, welcher mit den magnetischen Lagerelementen zusammenwirkt. Die absoluten Koordinaten des erfassten Oberflächenbereichs oder die Abweichung von der geometrisch idealen Form, typischerweise Kreisform, wird gespeichert.
Auf Basis der gespeicherten, beispielsweise in einer Tabelle abgelegten Werte, welche Aufschluss über die tatsächliche Form der Oberflächenlinie geben, erfolgt beim Betrieb des Magnetlagers die Regelung der Abstände zwischen der Oberflächenlinie und den magnetischen Lagerelementen, um die Veränderung der räumlichen Lage des Drehkörpers während dessen Rotation zu minimieren. Die winkelabhängige Anpassung der zu regelnden Abstände an die von der Kreisform abweichende Form der Oberflächenlinie erfolgt hierbei vorzugsweise mit einer Schrittweite von höchstens 30°, das heißt mit mindestens zwölf zur Lagekorrektur verwendeten Werten pro Umdrehung. Möglich sind auch deutlich feinere Auflösungen der zur Lagekorrektur verwendeten, winkelabhängigen Korrekturwerte, beispielsweise eine Auflösung von maximal 10°, 5°, 2°, 1°, oder nur wenigen Winkelminuten oder Winkelsekunden. Optional sind für die Lagekorrektur des Magnetlagers verwendete, die tatsächliche Geometrie mindestens eines Lagerteils berücksichtigende Ausgleichskurven drehzahlabhängig, wobei beispielsweise bei höherer Drehzahl eine geringere Anzahl an Korrekturpunkten, das heißt eine größere Schrittweite der Lagekorrektur, vorgesehen ist.
Die Erfindung ist beispielsweise bei bildgebenden medizintechnischen Geräten wie Computertomographen anwendbar. In diesem Fall sorgt die geregelte, korrigierte Magnetlagerung dafür, dass das Isozentrum der Anordnung aus Röntgenquelle und Detektor während der Rotation dieser Anordnung eine unveränderte, insbesondere nicht winkelabhängige, Position einnimmt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
1 ein Magnetlager in einer schematischen Schnittdarstellung,
2 einen Querschnitt eines mit dem Magnetlager nach 1 gelagerten Drehkörpers,
3, 4 in jeweils einem Diagramm die Winkelabhängigkeit von Sensorsignalen bei Betrieb der Magnetlagerung ohne Lagekorrektur,
5 eine sich aus den Sensorsignalen nach den 3, 4 ergebende Ortskurve der Positionsabweichung der geometrischen Mitte des Drehkörpers,
6 in symbolisierter Darstellung ein mit dem Magnetlager nach 1 arbeitendes medizintechnisches Gerät, und
7, 8 beim Betrieb des Magnetlagers innerhalb der Anordnung nach 6 verwendete Ausgleichskurven.
Ein in 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Magnetlager, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird, dient der Lagerung einer eine Rotationsachse A aufweisenden Welle 2, allgemein als Drehkörper bezeichnet, mittels mehrerer, im Ausführungsbeispiel vier, magnetischer Lagerelemente 3, 4, 5, 6. Jedem Lagerelement 3, 4, 5, 6 ist ein Sensor S zugeordnet.
Ein erstes Paar an Lagerelementen 3, 4, auch als x-Aktuatoren bezeichnet, dient dabei der Positionierung des Drehkörpers 2 in x-Richtung, während ein zweites Paar an Lagerelementen 5, 6, die so genannten y-Aktuatoren, den Drehkörper 2 in hierzu orthogonaler y-Richtung positioniert. Der Drehkörper 2 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf; eine in 1 in der Zeichenebene liegende Umfangslinie des Drehkörpers 2 wird als Oberflächenlinie 7 bezeichnet. Das gesamte Magnetlager 1 ist als Radiallager aufgebaut.
Zwischen der Oberflächenlinie 7 und den als Elektromagneten ausgebildeten x-Aktuatoren 3, 4 sind Abstände S_x1, S_x2 gebildet. In analoger Weise sind zwischen der Oberflächenlinie 7 und den y-Aktuatoren 5, 6 Abstände S_y1, S_y2 gebildet. Hätte der Drehkörper 2 einen perfekt kreisförmigen Querschnitt, so würden sämtliche Abstände S_x1, S_x2, S_y1, S_y2 während der Rotation des Drehkörpers 2 konstant bleiben.
Tatsächlich weist die Oberflächenlinie 7 jedoch eine nicht exakt kreisförmige Gestalt auf. Eine denkbare Querschnittsform des Drehkörpers 2 ist in 2 in übertriebener Weise dargestellt. Die Oberflächenlinie 7 des Drehkörpers 2, das heißt des Magnetlager-Rotors, ist hierbei durch folgende Funktion f(φ) beschrieben, um das Problem mathematisch/ /analytisch betrachten zu können. Die reale Oberflächenlinie wird beliebig unregelmäßig sein. f(φ) = 1 – 0,1·(0,8cos(φ) + 0,2cos(11φ))
Fertigungstechnische Einflüsse, die für die Abweichung der Oberflächenlinie 7 von einer idealen Kreisform verantwortlich sind, sind beispielsweise unbeabsichtigte, teilweise geringste Veränderungen der Position eines Zerspanungswerkzeugs, welche unregelmäßig oder regelmäßig, vielfach pro Umdrehung des Werkstücks, hier des Drehkörpers 2, auftreten können, sowie Ungenauigkeiten, insbesondere Exzentrizitäten, bei der Montage.
Der Radius des Drehkörpers 2 im Bereich des dargestellten, durch die Funktion f(φ) beschriebenen Querschnitts ist auf Eins normiert. Die durch die Funktion f(φ) gegebenen Abweichungen gegenüber einem Kreis mit Radius Eins (Einheitskreis) von +/–0,1 liegen noch innerhalb der zulässigen Toleranz.
Würde die Regelung beim Betrieb des Magnetlagers 1 derart erfolgen, dass die jeweils gegenüberliegenden Abstände S_x1, S_x2 beziehungsweise S_y1, S_y2 möglichst konstant gehalten werden, so würde dies zu einer permanenten Schwankung der Lage der geometrischen Mittelachse des Drehkörpers 2 führen.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die in 1 dargestellten Sensoren S, welche die Position des Drehkörpers 2 in x-Richtung detektieren, von der Rotationsachse A den Abstand 1, 2 haben. In der Schnittdarstellung nach 1 entspricht die Lage dieser Sensoren etwa der Lage der Aktuatoren 3, 4, 5, 6.
Würde der Drehkörper 2 um seinen geometrischen Mittelpunkt rotieren, so lieferten diese Sensoren, die so genannten x-Sensoren, die in 3 dargestellten Signale. Hierbei wird das Signal des beim x-Aktuator 3 angeordneten Sensors durch die Funktion S_x1(φ) und das Signal des gegenüberliegenden, zweiten x-Sensors durch die Funktion S_x2(φ) beschrieben: S_x1(φ): = 1,2 – |f(φ)| S_x2(φ): = 1,2 – |f(φ + 180°)|
Auf Basis dieser Signale S_x1(φ) und S_x2(φ) würde ein herkömmlicher Regler einer Magnetlagerung eine Mittelwertbildung vornehmen, um den Drehkörper 2 mit vermeintlich kreisförmigem Querschnitt zu zentrieren. Da jedoch tatsächlich keine Kreisform des Querschnitts gegeben ist, ergibt sich folgende Positionsabweichung P_Mx(φ) der geometrischen Mitte des Drehkörpers 2 in x-Richtung: P_Mx(φ): = 0,5·(|S_x1(φ)| – |S_x2(φ)|)
In analoger Weise liefern längs der y-Achse, in der Darstellung nach 1 etwa bei den y-Aktuatoren 5, 6, angeordnete Sensoren folgende Signale S_y1(φ) beziehungsweise S_y2(φ), die den Abstand des jeweiligen Sensors von der Oberflächenlinie 7 angeben: S_y1(φ): = S_x1(φ + 90°) S_y1(φ): = S_x1(φ + 90°)
Die Positionsabweichung P_My(φ) der geometrischen Mitte des Drehkörpers 2 in y-Richtung nach Ausgleich der von den gegenüberliegenden y-Sensoren gemessenen Abstände ist damit: P_My(φ): = P_Mx(φ + 90°)
Durch vektorielle Addition der Abweichungen in x-Richtung und in y-Richtung erhält man die in 5 dargestellte Ortskurve P_M(φ) der winkelabhängigen Positionsabweichung der geometrischen Mitte des Drehkörpers: P_M(φ): = (P_Mx(φ) + P_My(φ))^1/2
Der maximale Radius der Ortskurve P_M(φ) beträgt 0,1, entsprechend der maximalen, auf gegenüberliegenden Seiten des Drehkörpers 2 zum einen radial nach innen und zum anderen radial nach außen auftretenden Abweichungen der Oberflächenlinie 7 vom Einheitskreis.
Die Auswirkungen der Lageregelungen der Magnetlagerung 1 in einem medizintechnischen Gerät 8, nämlich einem Computertomographen, werden im Folgenden anhand 6 erläutert.
Der Computertomograph 8 weist eine Gantry 9 auf, wobei eine Röntgenquelle 10 und ein dieser gegenüberliegender Detektor 11 ein rotierbares bildgebendes System darstellen, in dessen Zentrum das Isozentrum IS liegt, welches idealerweise mit der Rotationsachse A des Magnetlagers 1, welches der Lagerung des gesamten bildgebenden Systems dient, zusammenfallen sollte. Wie in 6 übertrieben dargestellt ist, ist das Magnetlager 1 jedoch nicht exakt rotationssymmetrisch, sondern beispielsweise exzentrisch angeordnet. Hinsichtlich einer möglichen komplexeren Form eines Teils, nämlich des Drehkörpers 2, des Magnetlagers 1, wird auf 2 verwiesen.
Die Winkelposition des die Röntgenquelle 10 sowie den Detektor 11 umfassenden bildgebenden Systems wird mittels eines Winkelsensors 12 erfasst, der an geeigneter Stelle des Computertomographen 8 angeordnet und ebenso wie die Lagerelemente 3, 4, 5, 6 an eine Datenverarbeitungsanlage 13 angeschlossen ist, welche einen Datenspeicher 14 umfasst.
Bei der Inbetriebnahme des Computertomographen 8 werden zunächst die anhand der 3 bis 6 erläuterten Daten aufgenommen und im Datenspeicher 14 abgelegt, wobei noch keine Lagekorrektur vorgenommen wird.
Die Datenaufnahme erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines im Drehzentrum des Computertomographen 8 positionierten Prüfkörpers, etwa eines Draht- oder Kugelphantoms. Aus den damit röntgentechnisch gewonnenen Bilddaten wird durch Bildauswertung die Ortskuve P_M(φ) ermittelt, welche die Winkelabhängigkeit der Lage des Isozentrums, das heißt der geometrischen Mitte des Drehkörpers 2, beschreibt.
Die Ortskurve P_M(φ) wird nun wieder, wie in den 7,8 veranschaulicht, in ihre x- und y-Vektoren P_Mx(φ) und P_My(φ) aufgeteilt, um durch einfaches Negieren die Ausgleichskurven A_x(φ) und A_y(φ) der x-Achse sowie der y-Achse zu erhalten: A_x(φ) = –P_Mx(φ) A_y(φ) = –P_My(φ)
Bei der Rotation des Drehkörpers 2 und damit des gesamten bildgebenden Systems des Computertomographen 8 im bestimmungsgemäßen, korrigierten Betrieb wird im Zuge der Regelung der Lagerelemente 3, 4, 5, 6 die jeweils gespeicherte Ausgleichskurve A_x(φ) und A_y(φ) abgefahren und damit durch Kompensation der Abweichungen von Komponenten des Magnetlagers 1 oder mindestens eines mit diesem verbundenen Teils von der idealen, rotationssymmetrischen Form eine optimierte Bildqualität erzielt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005001494 A1 [0002, 0002]
DE 102009043221 A1 [0003]

Claims

Magnetlager (1) zur Lagerung eines Drehkörpers (2), mit einer Mehrzahl an Lagerelementen (3, 4, 5, 6), wobei zwischen den Lagerelementen (3, 4, 5, 6) und einer annähernd kreisförmigen Oberflächenlinie (7) des Drehkörpers (2) gebildete Abstände (S_x1, S_x2, S_y1, S_y2) regelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Abweichung der Geometrie der Oberflächenlinie (7) von der Kreisform zumindest teilweise kompensierende Winkelabhängigkeit zwischen der Rotationslage des Drehkörpers (2) und den durch Regelung eingestellten Abständen (S_x1, S_x2, S_y1, S_y2) gegeben ist.
Magnetlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (3, 4, 5, 6) bevorzugt punktsymmetrisch um eine Rotationsachse (A) des Drehkörpers (2) angeordnet sind.
Magnetlager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe an Lagerelementen (3, 4) zur Lageregelung des Drehkörpers (2) in x-Richtung und eine zweite Gruppe an Lagerelementen (3, 4) zur Lageregelung in hierzu orthogonaler y-Richtung ausgebildet ist.
Magnetlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (3, 4, 5, 6) zur Radiallagerung des Drehkörpers (2) ausgebildet sind.
Verfahren zum Betreiben eines Magnetlagers (1), mit folgenden Merkmalen: – Eine eine Rotationsachse (A) eines Drehkörpers (2) umschließende, annähernd kreisförmige Oberflächenlinie (7) wird vermessen, wobei winkelabhängige Abweichungen der Oberflächenlinie (7) von der Kreisform erfasst und gespeichert werden, – bei der Rotation des Drehkörpers (2) werden Abstände (S_x1, S_x2, S_y1, S_y2) zwischen der Oberflächenlinie (7) und mehreren zur Magnetlagerung des Drehkörpers (2) verwendeten Lagerelementen (3, 4, 5, 6) derart variiert, dass winkelabhängigen Veränderungen der räumlichen Lage der Rotationsachse (A) entgegengewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine winkelabhängige Anpassung der zu regelnden Abstände (S_x1, S_x2, S_y1, S_y2) an die von der Kreisform abweichende Form der Oberflächenlinie (7) mit einer Schrittweite von höchstens 30° erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der zu regelnden Abstände (S_x1, S_x2, S_y1, S_y2) an die von der Kreisform abweichende Form der Oberflächenlinie (7) drehzahlabhängig erfolgt.
Verwendung eines Magnetlagers (1) nach Anspruch 1 in einem bildgebenden medizintechnischen Gerät (8).
Verwendung nach Anspruch 8, wobei das bildgebende medizintechnische Gerät (8) ein Computertomograph ist, dessen Isozentrum (IS) von der Rotationsachse (A) des Drehkörpers (2) geschnitten wird.