DE10353101B4

DE10353101B4 - Verfahren zur Regelung dreiphasiger elektromagnetischer Lager

Info

Publication number: DE10353101B4
Application number: DE2003153101
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr.-Ing. Rudolph; Stephan Dipl.-Ing. Eckhardt
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: DE10353101A1

Abstract

Verfahren zur Regelung dreiphasiger elektromagnetischer Radiallager, bei denen die Lagerwicklungen der Elektromagnete in Sternschaltung geschaltet sind, wobei die Summe aller Wicklungsströme (i₁, i₂, i₃) gleich Null ist, eine Positionsauslenkung des radial zu lagernden ferromagnetischen Teils (W) erfasst wird, und eine dreiphasige Strom-Regelungseinrichtung die Wicklungsströme so berechnet, dass diese eine geforderte magnetische Kraft erzeugen, die auf das ferromagnetische Teil (W) wirkt, wobei das Magnetfeld für die radiale Lagerung des zu lagernden ferromagnetischen Teils (W) ausschließlich durch die geregelten Wicklungsströme (i₁, i₂, i₃) erzeugt wird, und wobei bei der Berechnung der Wicklungsströme (i₁, i₂, i₃) der Elektromagnete (E₁, E₂, E₃) des Radiallagers die radiale Lage des zu lagernden ferromagnetischen Teils (W) im Radiallager oder die radiale Lage des zu lagernden ferromagnetischen Teils (W) im Radiallager und magnetische Flüsse berücksichtigt werden, wobei Positionssensoren (S_y, S_z) die aktuelle radiale Lage des ferromagnetischen Teils (W) erfassen, ein Lageregler (1) aus dem Vergleich zwischen der gemessenen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung dreiphasiger elektromagnetischer Radiallager, bei denen die Lagerwicklungen in Sternschaltung geschaltet sind.
Eine elektromagnetische Lagerung stellt eine zu den herkömmlich benutzten Lagern alternative Möglichkeit dar, bewegliche ferromagnetische Maschinenteile zu lagern. Wesentliche Eigenschaft der Magnetlagerung ist die Berührungsfreiheit zwischen einem gelagerten ferromagnetischen Teil und dem Lager. Die benötigten Lagerkräfte werden durch ein geeignetes magnetisches Feld erzeugt. Damit ist ein Magnetlager verschleißfrei und benötigt keinerlei Schmiermittel.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen passiven und aktiven Magnetlagern. Bei passiven Magnetlagern benutzt man Dauermagnete. Bei aktiven Magnetlagern wird ein veränderliches Magnetfeld mit Hilfe von Elektromagneten erzeugt. Durch Veränderung des Stromes in den Wicklungen der Elektromagnete kann das Magnetfeld und damit die Lagerkraft verändert werden. Dazu ist eine Regelung notwendig, die dafür sorgt, dass die augenblicklich benötigte Lagerkraft auch tatsächlich erzeugt wird.

Aus DE 100 19 761 A1 ist ein magnetisches Radiallager bekannt, bei dem drei Wicklungen in Stern- oder Dreieckschaltung angeordnet sind, die von einer dreiphasigen Strom-Steuereinrichtung versorgt werden. Durch diese Anordnung wird die Anzahl der Phasen des gesteuerten Stromes auf drei begrenzt. Außerdem verringern sich gegenüber herkömmlichen Konstruktionen die Anzahl der Leistungstransistoren für die Steuerung des Stromes und die Kosten der Steuervorrichtung für den Strom entsprechend.

Die DE 100 34 017 A1 gibt eine Steuerung für ein Magnetlager gemäß der vorgenannten Druckschrift DE 100 19 761 A1 an. Ein Magnetlager ist mit Sensoren zum Erfassen einer Positionsauslenkung der Welle in zwei zueinander rechtwinkeligen Richtungen versehen. Eine Dreiphasenstrom-Steuerschaltung steuert die Ströme der drei in Stern- oder Dreieckschaltung angeordneten Wicklungen so, dass diese eine magnetische Kraft zum Kompensieren der Positionsauslenkung der Welle quer zu ihrer Längsachse erzeugen. Die von den Sensoren erlangten Informationen werden dazu benutzt, die Wicklungsströme zu berechnen, die die erforderliche Kraft für die Lageregelung erzeugen sollen. Die Berechnung der Wicklungsströme erfolgt insofern ohne direkte Berücksichtigung der Position der Welle im Lager, als die Komponenten der Kraft in der jeweiligen Lagerrichtung proportional zu den zugehörigen Stromquadraten sind. Das hat zur Folge, dass bei einer von der Mitte abweichenden Position der Welle durch das Magnetlager von der Vorgabe abweichende Kräfte erzeugt werden. Die Proportionalitätskonstante ist bei der angegebenen Steuerung unabhängig von der Lage der Welle im Lager. Das kann zu erheblichen Genauigkeitsverlusten der Lageregelung und zu Instabilität führen. Insbesondere ist ausgehend von einer Ruhelage der Welle in einem mechanischen Fanglager infolge unbestromter Wicklungen eine automatische Selbstzentrierung der Welle bei Bestromung der Wicklungen nicht zu gewährleisten. Ferner ist es nicht möglich, die Welle gezielt unrund um ihre Mittenlage zu führen, beispielsweise um unrunde Bohrungen in ein Werkstück einzubringen.

Ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines aktiven magnetischen Radiallagers gibt WO 97/07341 A1 an, wobei eine Vormagnetisierung des Magnetlagers notwendig ist, was den konstruktiven Aufwand erhöht.

Objekt der Erfindung ist ein dreiphasiges elektromagnetisches Radiallager, bei dem die Lagerwicklungen in Sternschaltung geschaltet sind. Mit einer derartigen Anordnung kann gegenüber einem Radiallager mit drei unabhängigen Phasen ein Leis tungsverstärker pro Lager eingespart werden bzw. es kann die Ansteuerung des dreiphasigen radialen Magnetlagers kostengünstig durch einen Zwischenkreisumrichter erfolgen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung dreiphasiger elektromagnetischer Radiallager mit in Stern geschalteten Lagerwicklungen zu finden, bei dem die Welle auf eine sehr stabile und genaue Lage geregelt werden kann, oder alternativ eine solche Regelung, bei der die Welle einer vorgegebenen Bahn folgt. Auf eine Vormagnetisierung durch ein stationäres magnetisches Grundfeld soll verzichtet werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die aktuelle radiale Lage des zu lagernden Teils wird in bekannter Weise von Positionssensoren erfasst oder durch geeignete Algorithmen aus anderen gemessenen Größen rekonstruiert. Ein Lageregler gibt die gewünschte Lagerkraft vor. Bei der Berechnung der Lagerkraft werden die Längen der Luftspalte im Magnetlager, die sich aus der aktuellen Position des gelagerten Teils ergeben, sowie ggf. weitere Größen, wie der magnetische Fluss, berücksichtigt. Die Wicklungsströme werden dann ebenfalls unter Berücksichtigung der aktuellen Lage des gelagerten Teils so berechnet, dass die durch die Regelung geforderte Kraft bei beliebiger Position des gelagerten Teils auch tatsächlich eingestellt wird. Das Verfahren ermöglicht somit eine derartige Vorgabe der Wicklungsströme, dass eine resultierende Lagerkraft unabhängig von der Position des gelagerten Teils eingestellt werden kann. Der Vorteil ist zum einen, dass keine Probleme beim Startvorgang, keine Probleme hinsichtlich der Stabilisierung durch die Lageregelung und keine Genauigkeitsverluste während des Betriebs auftreten, und zum anderen, dass das gelagerte Teil gezielt eine vorgegebene exzentrische oder zentrische Bahn beschreiben kann. Es ist keine Vormagnetisierung für den Betrieb erforderlich, das heißt, das Magnetfeld wird ausschließlich durch die drei geregelten Wicklungsströme erzeugt.

Den Magnetkräften kann nach einer Ausprägung der Erfindung eine in alle drei Richtungen gleichgroße veränderliche „Grundkraft" überlagert werden, ohne dass die erforderliche resultierende Lagerkraft beeinflusst wird. Diese „Grundkraft" wird bei der Berechnung der Wicklungsströme stets so gewählt, dass die durch die Sternschaltung vorgegebene Bedingung: „Summe aller drei Wicklungsströme gleich Null" erfüllt ist.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, bei dem das zu lagernde Teil eine ferromagnetische Welle ist.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 schematisch ein dreiphasiges magnetisches Radiallager für eine ferromagnetische Welle,
2 schematisch den Aufbau einer radialen magnetischen Lagerung einer ferromagnetischen Welle,
3 das Schema eines Radial-Lageregelkreises,
4 ein beispielbezogenes Schema zur Veranschaulichung der Beziehungen zwischen den Kräften und der radialen Lage der gelagerten Welle, und
5 die Sternschaltung der Radiallager-Wicklungen.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines dreiphasigen magnetischen Radiallagers. Es besteht aus drei Elektromagneten E₁, E₂, E₃ und einer zu lagernden ferromagnetischen Welle W. Jeder Magnetwicklung L₁, L₂, L₃ wird ein Strom i₁, i₂, i₃ zugeführt, wodurch die so erregten Elektromagnete E₁, E₂, E₃ auf das gelagerte ferromagnetische Teil W anziehende, elektromagneti sche Kräfte F₁, F₂, F₃ erzeugen. Die resultierende Lagerkraft F_L= F_y+ F_z ergibt sich aus der Summe der Magnetkraftvektoren F₁, F₂ und F₃. Mindestens zwei Sensoren S_y, S_z erfassen die Länge der Luftspalte l₁, l₂, l₃ und damit die Ist-Position der ferromagnetischen Welle W und übergeben diese an eine hier nicht dargestellte Regelungsschaltung, die die ferromagnetische Welle W durch Veränderung der Erregerströme i₁, i₂, i₃ in eine gewünschte Position bringt.
Dreiphasige Radial-Magnetlager können in einer Vielzahl von Konstruktionsformen ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Lagerschenkel variieren und die drei Lagerwicklungen können auf unterschiedliche Weise auf die Lagerschenkel verteilt werden. Außerdem können die zu einem Elektromagnet gehörenden Lagerschenkel in Längsrichtung einer zu lagernden Welle angeordnet werden.
In einer bevorzugten Anwendung gemäß 2 besitzt die ferromagnetische Welle W ein vorderes und ein hinteres Radiallager, mit denen Kräfte F₁ bis F₃ (vorn) und F'₁ bis F'₃ (hinten) in Querrichtung (y, z) zur Welle W erzeugt werden können. Die in den Lagerebenen in Richtung der Koordinaten y, z wirkenden, resultierenden Lagerkräfte sind mit F_y, F_zbzw. F'_y, F'_z bezeichnet. Mit Hilfe eines Axiallagers lässt sich zusätzlich eine Kraft F_x in Längsrichtung x der Welle W erzeugen, die die Welle W in Längsrichtung positioniert. Optional kann ferner ein nicht dargestellter Motor eingebaut sein, der es ermöglicht, die Welle W mit einem Drehmoment D_ω anzutreiben.
3 zeigt das Schema einer Regelung. Positionssensoren S_y, S_z erfassen die Ist-Lage der Welle W in der Lagerebene y – z. Ein Lageregler 1 ermittelt aus dem Vergleich zwischen der gemessenen Ist-Position (Y_ist, Z_ist) und einer Sollposition (Y_soll, Z_soll) die Soll-Lagerkraft F_Lsoll so, dass die Welle W in Richtung der vorgegebenen Position bewegt wird und damit einer vorgegebenen Bahn folgt. Durch einen Kraft-Strom-Wandler 2 werden die Soll-Wicklungsströme i_1,soll, i_2,soll, i_3,soll in Abhängigkeit von der Ist-Position (Y_ist, Z_ist) so berechnet, dass die vorgegebene Lagerkraft F_Lsoll eingestellt wird. Ein Stromregler 3 stellt die Stromstärken i₁, i₂, i₃ in den in Stern geschalteten Lagerwicklungen L₁, L₂, L₃ ein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, die Soll-Wicklungsströme i_1,soll, i_2,soll, i_3,soll trotz Sternverschaltung der Lagerwicklungen L₁, L₂, L₃ (siehe 5) des Radial-Magnetlagers und ohne Vormagnetisierung so vorzugeben, dass unabhängig von der Position der Welle W eine gewünschte resultierende Lagerkraft eingestellt wird.
Das Modell für die Kräfte im Magnetlager lässt sich mit Bezug auf 4 in Richtung jedes einzelnen Elektromagneten E₁, E₂, E₃ wie folgt beschreiben:
mit:

|F₁|: Betrag der Kraft in Richtung des Elektromagneten E₁
|F₂|: Betrag der Kraft in Richtung des Elektromagneten E₂
|F₃|: Betrag der Kraft in Richtung des Elektromagneten E₃
i₁: Stromstärke in der Wicklung L₁ des Elektromagneten E₁
i₂: Stromstärke in der Wicklung L₂ des Elektromagneten E₂
i₃: Stromstärke in der Wicklung L₃ des Elektromagneten E₃
l₁: Luftspalt am Magneten E₁ durch Auslenkung des Teils W
l₂: Luftspalt am Magneten E₂ durch Auslenkung des Teils W
l₃: Luftspalt am Magneten E₃ durch Auslenkung der Teils W
λ: Proportionalitätsfaktor

Die in jeder Lagerebene resultierende radiale Lagerkraft für die ferromagnetische Welle W ergibt sich aus Fy = |F1| sin α1 + |F2| sin α2 + |F3| sin α3 (2) Fz = |F1| cos α1 + |F2| cos α2 + |F3| cos α3 (3) mit

F_y: Betrag der Lagerkraft in y – Richtung
F_z: Betrag der Lagerkraft in z – Richtung
α₁: Winkel des Elektromagneten E₁ gegenüber der z – Achse
α₂: Winkel des Elektromagneten E₂ gegenüber der z – Achse
α₃: Winkel des Elektromagneten E₃ gegenüber der z – Achse,

₁

₂

₃

Die resultierende radiale Lagerkraft F_L, d.h. die vektorielle Summe von F_y und F_z, wird durch den Lageregler 1 (3) vorgegeben.
Die Sternschaltung der Radial-Lagerwicklungen L₁, L₂, L₃ erfordert für die Wicklungsströme i1 + i2 + i3 = 0. (4)
Zu den Beträgen jeder der Magnetkräfte F₁, F₂, F₃ kann ein zusätzlicher, veränderlicher Kraftbetrag |F₀| addiert werden, ohne die resultierende Lagerkraft F_L zu beeinflussen. Der Betrag |F₀| der zusätzlichen Magnetkraft wird so gewählt, dass die durch die Sternschaltung bestehende Kirchhoffsche Bedingung (Gleichung 4) erfüllt ist:
mit den Koeffizienten der quadratischen Gleichung
Daraus ergeben sich die bei einer Sternschaltung geforderten Beträge der Magnetkräfte zu |FF1 ~| = |F1| + |F0|, |FF2 ~| = |F2| + |F0|, |FF3 ~| = | = |F3| + |F0| (8)und die Beträge der Wicklungsströme zu
Seien die Augenblickswerte der Strombeträge der Größe nach unterschieden. Derjenige Augenblicksstrom, dessen Betrag den kleinsten Wert hat, sei mit i_min bezeichnet, derjenige Augenblicksstrom mit dem mittleren Betrag mit i_med und jener mit dem größten Wert mit i_max. Dann sind die Ströme so vorzugeben, dass imin = – sign(imax)·|imin|und (10) imed = – sign(imax)·|imed|. (11)
Zusammengefasst können bei dreiphasigen radialen Magnetlagern erfindungsgemäß anziehende Magnetkräfte in drei unterschiedliche Radial-Richtungen stromgesteuert erzeugt werden. Um beispielsweise zu einem gegebenen Zeitpunkt eine Lagerkraft F_L zu generieren (vgl. 4), genügt es, die Magnetkräfte F₂ und F₃ geeignet einzustellen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Beträge jeder der Magnetkräfte F₁, F₂, F₃ um einen Kraftbetrag |F₀| zu erhöhen, ohne die aus den Magnetkräften resultierende Lagerkraft F_L zu verändern.
Die Welle W kann, motorisch angetrieben, endseitig beispielsweise ein spanabhebendes Bearbeitungswerkzeug, wie einen Bohrer oder Fräser, tragen. Dadurch arbeitet das Radiallager nicht nur verschleißfrei, sondern es lassen sich, entsprechend programmgesteuert, hochgenau unrunde Bohrungen herstellen.

Claims

Verfahren zur Regelung dreiphasiger elektromagnetischer Radiallager, bei denen die Lagerwicklungen der Elektromagnete in Sternschaltung geschaltet sind, wobei die Summe aller Wicklungsströme (i₁, i₂, i₃) gleich Null ist, eine Positionsauslenkung des radial zu lagernden ferromagnetischen Teils (W) erfasst wird, und eine dreiphasige Strom-Regelungseinrichtung die Wicklungsströme so berechnet, dass diese eine geforderte magnetische Kraft erzeugen, die auf das ferromagnetische Teil (W) wirkt, wobei das Magnetfeld für die radiale Lagerung des zu lagernden ferromagnetischen Teils (W) ausschließlich durch die geregelten Wicklungsströme (i₁, i₂, i₃) erzeugt wird, und wobei bei der Berechnung der Wicklungsströme (i₁, i₂, i₃) der Elektromagnete (E₁, E₂, E₃) des Radiallagers die radiale Lage des zu lagernden ferromagnetischen Teils (W) im Radiallager oder die radiale Lage des zu lagernden ferromagnetischen Teils (W) im Radiallager und magnetische Flüsse berücksichtigt werden, wobei Positionssensoren (S_y, S_z) die aktuelle radiale Lage des ferromagnetischen Teils (W) erfassen, ein Lageregler (1) aus dem Vergleich zwischen der gemessenen Position (Y_ist, Z_ist) und einer Sollposition (Y_soll, Z_soll) eine Soll-Lagerkraft (F_Lsoll) ermittelt, ein Kraft-Strom-Wandler (2), der aus der gemessenen Position (Y_ist, Z_ist) des ferromagnetischen Teils (W) und der Soll- Lagerkraft (F_Lsoll) die Soll-Wicklungsströme (i_1,soll, i_2,soll, i_3,soll) berechnet, und ein Stromregler (3) die Sollstromstärken (i_1,soll, i_2,soll, i_3,soll) in den sterngeschalteten Lagerwicklungen (L₁, L₂, L₃) und damit die Lagerkraft (F_L) für das Radiallager einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromregler (3) in Abhängigkeit von der gemessenen Position (y_ist, z_ist) des ferromagnetischen Teils (W) die Sollstromstärken (i₁, i₂, i₃) einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine definierte Vorgabe der Lagerströme (i₁, i₂, i₃) beliebige resultierende Lagerkräfte (F_L) unabhängig von der Position ((Y_ist, Z_ist)) des zu lagernden Teils (W) eingestellt werden, indem der Betrag jeder der Magnetkräfte (F₁, F₂, F₃) um einen veränderlichen Kraftbetrag (|F₀|) erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen des Magnetlagers räumlich um 120° versetzt angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Magnetlagers über einen Zwischenkreisumrichter erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das radial zu lagernde ferromagnetische Teil eine Welle (W) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, ausgehend von einer Ruhelage der Welle (W) in einem Fanglager, eine automatische radiale Selbstzentrierung der Welle (W) bei Bestromung der Lagerwicklungen (L₁, L₂, L₃) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (W) geregelt einer vorgegebenen exzentrischen oder zentrischen Bahn folgt.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, das die Welle (W) ein spanabhebendes Bearbeitungswerkzeug trägt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug ein Bohrer oder Fräser ist.