DE19518539A1 - Verfahren zum berührungsfreien Tragen von Objekten und nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum berüh­ rungsfreien Tragen von Objekten nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 und eine nach diesem Verfahren arbeitende Ein­ richtung.

Zur elektromagnetischen Lagerung von Maschinenteilen werden Sy­ steme verwendet, bei denen die Lage des zu lagernden Objektes mittels berührungsfreier Positionssensoren erfaßt wird. Solche Systeme werden vorzugsweise für die berührungsfreie oder schwe­ bende Lagerung von Rotoren und für Magnetschwebebahnen einge­ setzt. Die Signale oder Zustandsgrößen werden einem Regler zu­ geführt, der mit Hilfe von Leistungsverstärkern die Ströme und Spannungen in den Elektromagneten derart steuert, daß das zu lagernde Objekt stabil schwebt.

Solche Systeme nach dem Stand der Technik sind beispielsweise aus den Dissertationen der ETH, Zürich, Nr. 7573 (1984), von Dr. Hannes Bleuler, Seite 9 oder Nr. 7851 (1985), von Dr. Al­ fons Traxler, Seite 1, oder Nr. 8665 (1988) von Dr. Dieter Vi­ scher, Seiten 3, 25, 26, bekannt. Als Referenz wird auch das Buch "Magnetlager" von Schweitzer, Traxler, Bleuler; Springer- Verlag, Berlin und Heidelberg, 1993, zitiert.

In der deutschen Patentschrift DE-29 19 236 wird ein klassi­ sches System mit Positionssensoren beschrieben, mit deren Hilfe eine direkte Messung der Position des Rotors durchgeführt wird, und in der deutschen Patentschrift DE-28 25 877 wird ein spezi­ eller Sensor mit Scheiben angegeben, mit dem die radiale Aus­ lenkung und somit die Position des Rotors gemessen wird.

Solche Systeme funktionieren an sich sehr gut, haben aber den Nachteil, daß sie relativ aufwendig sind.

Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfah­ ren anzugeben, durch welches sich weniger aufwendige Ausführun­ gen realisieren lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merk­ malen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängi­ gen Ansprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Einrichtung zur elektromagnetischen Lagerung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer ersten Einrichtung zur elektromagnetischen Lagerung nach der Erfindung,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer zweiten Einrichtung zur elektromagnetischen Lagerung nach der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Anordnung eines als Regler arbei­ tenden Mikroprozessors,

Fig. 5 die schematische Darstellung einer Einrichtung mit drei Elektromagneten,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Regelung der Einrichtung nach Fig. 5,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines als Regler ar­ beitenden Mikroprozessors für die Einrichtung nach Fig. 5 und 6, und

Fig. 8, 9 und 10 schematische Darstellungen eines Rotors mit speziell ausgestalteten Elektromagneten an seinen Enden, um ihn zugleich radial und axial zu stabilisieren.

Fig. 1 zeigt das eine Ende eines Rotors 1 in einem Bereich, wo zwei Elektromagnete 2, 3 in der X-Achse und zwei Elektromagnete 4, 5 in der Y-Achse wirksam sind. Im Luftspalt zwischen dem Ro­ tor 1 und den Elektromagneten 2 bis 5 ist ein Positionssensor 6 angeordnet, der die geometrische Abweichung der wirklichen mo­ mentanen Position Ax der Rotorachse 1 in Bezug auf ihre ideale richtig zentrierte Lage erfaßt. Der Positionssensor 6 liefert ein Signal u, das einem Regler 7 zugeführt wird, der beispiels­ weise dieses Signal u mit einem Referenzsignal Vref vergleicht. Die zwei Ausgangssignale v, w dieses Reglers 7 werden je einem Leistungsverstärker 8, 9 zugeführt, die den Strom Iv, Iw für die Wicklungen 10, 11 der Elektromagnete 2 bzw. 3 liefern. Die Referenzspannung Vref kann vorzugsweise auch 0 Volt sein.

Die Signale u, v, w sind grundsätzlich typische Schwach­ stromsignale. Demgegenüber arbeiten die Leistungsverstärker 8, 9 mit höheren Spannungen und mit stärkeren Strömen, wie sie in der Leistungselektronik üblich sind. Insbesondere sind die Leistungsverstärker 8 und 9 an eine starke Gleichstrom­ spannungsquelle angeschlossen.

Es gibt verschiedene bekannte Verfahren, um durch eine dy­ namische Regelung den Rotor 1 der Einrichtung nach Fig. 1 in einer vorbestimmten Position in der X-Achse zu stabilisieren.

Bei einer solchen Einrichtung muß man jedoch den Rotor 1 nicht nur in der X-Achse, sondern auch in der Y-Achse stabilisieren, und zwar nicht nur an einem Ende bzw. in einem Endbereich des Rotors, sondern in zwei Bereichen, so daß für diesen Zweck oft vier Magnetpaare verwendet werden. Dabei ist ein weiteres Magnetpaar zur Stabilisierung des Rotors in Längsrichtung bzw. in der Z-Achse nötig. Insgesamt müssen dann fünf Magnetpaare geregelt werden, die den fünf Freiheitsgraden eines rotierenden Körpers entsprechen, weil in diesem Fall der sechste Freiheitsgrad eines festen Körpers der Rotation des Rotors 1 um die Z-Achse entspricht.

Die erfindungsgemäßen Einrichtungen nach Fig. 2 und 3 können grundsätzlich mit denselben Elektromagneten und Wicklungen wie im Fall von Fig. 1 arbeiten. Um dies anzudeuten, sind die Elektromagnete 2 bis 5 und die Wicklungen 10 und 11 in den Fig. 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

Im Gegensatz zu den bekannten Systemen umfaßt die Einrichtung nach Fig. 2 eine Stromquelle 12, deren Ausgang 13 einen konstanten Strom Iq liefert. Ein erster Teil Ia dieses Stromes wird über die Reihenschaltung der Wicklung 10 und eines Schalters 14 und ein zweiter Teil Ib dieses Stromes über die Reihenschaltung der Wicklung 11 und eines Schalters 15 zur Masse bzw. zum Minuspol geleitet. Das Sensorsignal u wird einem Regler 16 zugeführt, der ein Signal e für einen Modulator 17 liefert. Die Ausgangssignale g und h des Modulators 17 schließen und öffnen den Schalter 14 bzw. 15 derart, daß der Rotor 1 in der gewünschten Schwebeposition in der X-Achse gehalten wird. Die nicht mit dem Ausgang 13 der Stromquelle 12 verbundenen Enden 18 bzw. 19 der Wicklungen 10 bzw. 11 sind über je eine in Sperrichtung geschaltete Diode 20 bzw. 21 mit dem Pluspol der Einrichtung verbunden. Diese Freilaufdioden 20, 21 leiten bei offenem Schalter 14 bzw. 15 den Strom zurück. Dabei kann der Regler 16 beispielsweise das Sensorsignal u mit dem Referenzsignal Vref vergleichen. Der Modulator 17 kann beispielsweise ein Pulsweitenmodulator sein.

Die vollständige Einrichtung kann mit je einer Stromquelle 12, einem Regler 16, einem Pulsmodulator 17, zwei Schaltern 14, 15 und zwei Dioden 20, 21 pro Freiheitsgrad, das heißt mit je fünfmal diesen Elementen bestückt werden.

Die Einrichtung nach Fig. 3 umfaßt ebenfalls eine Stromquelle 12, deren Anschluß 13 über die Wicklung 10 mit dem Anschluß 8′′ eines ersten Verstärkers 8′ und über die Wicklung 11 mit dem Anschluß 9′′ eines zweiten Verstärkers 9′ verbunden ist. Über die Anschlüsse 8′′, 9′′ bzw. 13 fließen Ströme Ia, Ib bzw. Iq derart, daß Ia + Ib = Iq ist. Mit dem Steuersignal u wird ein Regler 7′ beaufschlagt, der die Steuersignale v′, w′ für die Verstärker 8′ und 9′ liefert. Dadurch werden die Spannungen an den Anschlüssen 8′′ und 9′′ derart geregelt, daß sich die er­ forderlichen Ströme Ia und Ib einstellen, um den Rotor 1 in der gewünschten Schwebeposition in der X-Achse zu halten.

Die Steuerung der Einrichtung nach Fig. 1 kann in bekannter Weise auch digital erfolgen. Bei einer Einrichtung mit fünf Freiheitsgraden kann der Regler 7 durch einen Mikroprozessor 22 gemäß Fig. 4 ersetzt werden, an den eingangsseitig fünf Analog/Digital-Wandler 23 bis 27 angeschlossen sind, um die Sensorsignale u₁, u₂, u₃, u₄, u₅ aus den fünf Sensoren, die wie der Sensor 6 in diesem Fall für die fünf Freiheitsgrade ver­ wendet werden, zu digitalisieren. Der Mikroprozessor 22 liefert dann zehn digitale Ausgangssignale, die über zehn in Fig. 4 nicht dargestellte Digital/Analog-Wandler, als Signale v₁ bis v₅ bzw. w₁ bis w₅ den entsprechenden Leistungsverstärkern zuge­ führt werden.

Die Einrichtung nach Fig. 2 kann mit einer Anordnung nach Fig. 4 als Ersatz für den Regler 16, gegebenenfalls zusammen mit dem Modulator 17, gesteuert werden. Im letzten Fall kann der Mikroprozessor 22 die zehn Ausgangssignale g₁, h₁, g₂, h₂, g₃, h₃, g₄, h₄, g₅, h₅ (Fig. 4) liefern, die direkt oder über je einen einfachen Treiber die Schalter 14, 15 sowie weitere acht Schalter für insgesamt fünf Wicklungspaare steuern, die den fünf Freiheitsgraden entsprechen, so daß dann ausgangs­ seitig keine Digital/Analog-Wandler erforderlich sind. Dadurch ergibt sich im Vergleich mit der Einrichtung nach dem Stand der Technik eine Einsparung von zehn ausgangsseitigen Digital/Ana­ log-Wandlern, wenn der Mikroprozessor 22 mit Ausgängen für variierbare beispielsweise digitale pulsweitenmodulierte Signa­ le versehen ist.

Die Einrichtung nach Fig. 5 weist in einem Endbereich des Rotors 1 drei Elektromagnete mit je einer Wicklung W1, W2, W3 auf, deren Enden mit A1, B1; A2, B2 bzw. A3, B3 bezeichnet sind. Es sind auch zwei Sensoren 41, 42 oder 41′, 42 zur Messung der Lage des Rotors in der X-Achse bzw. in der Y-Achse vorhanden. Die Sensoren 41′ und 42 liefern die Messignale x1′ bzw. y1′. Die drei Elektromagnete nach Fig. 5, deren Achsen drei Winkel von 120° bilden, können die vier Elektromagnete von Fig. 2 ersetzen, deren Achsen vier Winkel von 90° bilden, wenn man die Schaltung nach Fig. 6 verwendet.

Die Anordnung nach Fig. 6 umfaßt einen Mikroprozessor 51 und eine Stromquelle 52, an deren Ausgang 53 die Anschlüsse A1, A2 und A3 der Wicklungen W1, W2 bzw. W3 (Fig. 5) angeschlossen sind. Die Anschlüsse B1, B2 und B3 sind einerseits über je einen Schalter 54, 55 bzw. 56 mit Masse oder mit einem Spannungspol und andererseits über je eine Freilaufdiode 57, 58 bzw. 59 mit dem anderen Spannungspol verbunden.

Die Signale x₁′, y₁′ aus den Positionssensoren 41′ bzw. 42 (Fig. 5) werden über je einen Analog/Digital-Wandler 60, 61 dem Mikroprozessor 51 zugeführt. Bei einer solchen Einrichtung kann der Mikroprozessor 51 eine Koordinatentransformation durch­ führen, wie es beispielsweise in Fig. 7 erläutert wird.

Der Mikroprozessor nach Fig. 7 kann in einer Einrichtung, bei der sich die Sensoren 41′ und 42 (Fig. 5) außerhalb des Luftspalts befinden, die Funktionen eines ersten Transforma­ tionsrechners 62, eines Digitalreglers 63 und eines zweiten Transformationsrechners 64 durchführen. Der Rechner 62 bewirkt in an sich bekannter Weise eine Koordinatentransformation, um die Messergebnisse x1′, y1′, x2′, y2′, z′ von jeweils zwei nichtorthogonal angeordneten Sensoren 41′, 42 (Fig. 5) auf orthogonale Koordinaten x1, y1, x2, y2, z zu bringen. Der nachgeschaltete Digitalregler 63 bildet daraus fünf Regel­ größen x₁′′, y₁′′, x₂′′, y₂′′, z′′, die eine ähnliche Funktion wie das Signal e am Ausgang des Reglers 16 (Fig. 2) erfüllen. Der Transformationsrechner 62 ist nicht notwendig, wenn man mit orthogonal positionierten Sensoren 41, 42 (Fig. 5) arbeitet, die die Signale x1 und y1 liefern.

Der zweite Rechner 64 wandelt diese fünf Signale um in drei Steuersignale i₁, j₁, k₁ für eine erste Anordnung nach Fig. 5 am einen Endbereich des Rotors, in drei Steuersignale i₂, j₂, k₂ für eine zweite Anordnung am anderen Endbereich des Rotors und in zwei Steuersignale r, s für zwei stirnseitig wirkende Elektromagnete, die den Rotor in der Z-Achse stabilisieren. Mit dieser Anordnung ist es somit möglich, die fünf Freiheitsgrade mit Hilfe von acht statt zehn Signalen zu beherrschen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können gemäß Fig. 8 die Enden 81, 82 des Rotors 1 konisch ausgestaltet sein, wobei an einem Ende drei Elektromagnete 83, 84, 85 derart mit einem konischen Luftspalt angeordnet sind, daß elektromagnetische Kräfte in allen drei Achsen X, Y, Z entstehen. Am anderen Ende sind ebenfalls drei Elektromagnete in gleicher Weise angeord­ net. Bei einem Rotor der in Fig. 8 dargestellten Art hat sich in vorzüglicher Weise gezeigt, daß eine einzige Stromquelle für alle fünf Freiheitsgrade genügt, was eine hohe Einsparung von Material und daher auch von Kosten bedeutet, und zwar derart, daß in diesem Fall ein Rechner 64 (Fig. 7) eingesetzt werden kann, der nur die sechs Signale i1, j1, k1, und i2, j2, k2 für die sechs Elektromagnete liefern muß; die Signale r und s entfallen, weil sich dann die axiale Stabilisierung von selbst ergibt.

In der Anordnung nach Fig. 9 sind die Elektromagnete 91, 92, 93 derart am Ende des Rotors angeordnet, daß sie teilweise über je einen stirnseitigen Luftspalt 94 und teilweise über je einen radialen Luftspalt 95 wirken, so daß auch in diesem Fall die Signale r und s entfallen.

Die Positionierung kann auch indirekt, beispielsweise Mittels Magnetfeldsensoren erfolgen. Ein Magnetlager mit Hall-Effekt- Sensoren wurde beispielsweise von D. Zlatnik und A. Traxler im ′′2nd International Symposium on Magnetic Bearing, July 12-14, 1990, Tokyo, Japan, Seiten 229 bis 235 vorgestellt.

Es gibt Anwendungen, in welchen nicht alle fünf Freiheitsgrade geregelt werden müssen, weil der Rotor teilweise durch passive Magnetlager oder andere Mittel stabilisiert bzw. gehalten wird. In solchen Fällen ist die erfindungsgemäße Anordnung zur Stabilisierung der gewünschten Freiheitsgrade auch anwendbar. Dabei wurde durch die vorliegende Erfindung festgestellt, daß die Differenz zwischen der Anzahl Elektromagnete und der Anzahl der zu regelnden Freiheitsgrade der Anzahl der benötigten Stromquellen entspricht. Bei einem Magnetlager (Fig. 2) mit 10 Elektromagneten und 5 Freiheitsgraden sind (10-5 = 5) fünf Stromquellen notwendig. Im Beispiel nach Fig. 8 mit 6 Elektromagneten und 5 Freiheitsgraden ist (6-5 = 1) nur eine Stromquelle notwendig.

Stromquellen mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten mit einem geregelten Schalter. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich ergeben, daß es vorteilhaft ist, den oder die Schalter der Stromquelle(n) mit den Schaltern 14, 15, oder mit den Schaltern 54, 55, 56 zu synchronisieren, und zwar mit derselben Taktfrequenz oder mit Taktfrequenzen im Verhältnis n : m, worin m und n ganze Zahlen sind. Bei kleinen Leistungen kann das erfindungsgemäße Magnetlager in vorzüglicher Weise auch mit passiven Stromquellen arbeiten.

Bei den Magnetlagern nach dem Stand der Technik (Fig. 1) braucht man pro geregelte Achse zwei stromgesteuerte Leistungs­ verstärker mit je einer Einrichtung zur Strommessung, Strom­ regelung und Pulsweitenmodulation samt dem eigentlichen Lei­ stungsteil. Die Verlagerung dieser Funktionen in einen Mikro­ prozessor, wie es bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung leicht möglich ist, ist bei einer Einrichtung nach dem Stand der Technik nur mit relativ viel Aufwand zu realisieren. Wenn man in einer Einrichtung nach dem Stand der Technik bei­ spielsweise die Pulsweitenmodulation in den Mikroprozessor integrieren wollte (wie in Fig. 2 oder Fig. 6), müßte die Stromregelung, die den Spulenstrom mit dem Verstäkereingangs­ signal (wie bei v, w in Fig. 1) vergleicht und die Pulsweiten­ modulatoren entsprechend einstellt, auch in den Mikroprozessor integriert werden. Dies bedeutet, daß man alle Spulenströme messen und mittels Analog/Digital-Wandlern dem Rechner zur Ver­ fügung stellen müßte, was ein wenig vorteilhafter Aufwand wäre.

Aber auch wenn man auf diese Stromregler verzichtet (vgl. D. Vischer, Diss., Seite 52) und auf Spannungssteuerung übergeht, braucht man trotzdem noch die Stromsteuerung, um die Vor­ magnetisierung und den Überstromschutz zu gewährleisten.

Im Gegensatz dazu entfallen beim erfindungsgemäßen Magnetlager der Vormagnetisierungsstromregler samt entsprechender Ana­ log/Digital-Umwandlung und die Überstromüberwachungsschaltun­ gen, die überflüssig sind, weil durch die Konstantstromquelle der Arbeitsstrom von vornherein begrenzt ist. Die relativ auf­ wendigen Strommessungen entfallen ebenfalls.

Ein weiterer Vorteil liegt bei den Treiberstufen für die Leistungsschalter: Bei konventionellen Verstärkern werden pro Kanal 2 Schalter (Vollbrücke) gebraucht. Ein Schalter liegt zwischen 0 Volt und dem Ausgang, der andere zwischen dem Aus­ gang und der positiven Speisung. Die Ansteuerung des zweiten Schalters erfordert einen großen Aufwand, da man eine Poten­ tialanpassung für das Steuersignal braucht.

Beim erfindungsgemäßen Magnetlager können hingegen alle Leistungsschalter auf 0 Volt-Potential liegen. Außer dem Schalter für die Stromquelle sind keine Schalter notwendig, die am Potential der positiven Speisung liegen müssen. Alle Steuersignale vom Regler können direkt ohne Potentialanpassung zu den Leistungsschaltern geführt werden.

Zudem ist eine galvanische Trennung am Verstärkereingang leichter zu realisieren als bei einer Einrichtung nach dem Stand der Technik, da die Schalter mit digitalen Pulsen angesteuert werden, so daß man beispielsweise Optokoppler problemlos einsetzen kann. Im Gegensatz dazu weisen die kon­ ventionellen Leistungsverstärker meistens analoge Eingänge auf.

Fig. 10 zeigt eine Variante des Rotors nach Fig. 8.

Claims (10)

1. Verfahren zum berührungsfreien Tragen von Ob­ jekten, beispielsweise eines Rotors, mit mindestens zwei Elek­ tromagneten, einem Regler und einer Leistungselektronik für die Speisung dieser Elektromagnete, wobei diese Speisung derart ge­ regelt wird, daß eine stabile, berührungsfreie schwebende Lage des zu lagernden Objektes für wenigstens einen Freiheitsgrad erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (10, 11; W1, W2, W3) dieser mindestens zwei Elektromagnete parallel durch eine geregelte Stromquelle (12; 52) gespeist werden, um die Summe der Ströme über diese Wicklungen konstant zu halten, und daß in Serie mit diesen Wicklungen jeweils eine Leistungs­ schaltung (14, 15; 54, 55, 56; 8′, 9′) geschaltet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens eine Gruppe von mindestens zwei Elek­ tromagneten durch eine Stromquelle gespeist wird, um das Objekt bezüglich mindestens eines Freiheitsgrades zu stabilisieren, oder daß alle Elektromagnete für alle zu regelnden Freiheits­ grade gemeinsam durch ein und dieselbe Stromquelle gespeist werden.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Stromquelle (12; 52) vorhanden ist, die einen Anschluß (13; 53) aufweist, mit dem die Enden je einer Wicklung (10, 11; W1, W2, W3) eines dieser Elektromagnete verbunden sind, und daß die Einrichtung durch den Regler (7′; 16, 17; 51) gesteuerte Leistungsschaltungen umfaßt, an die die anderen Enden dieser Wicklungen angeschlossen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Leistungsschaltungen durch den Regler betätigte Stromschalter (14, 15; 54, 55, 56) sind, um die durch diese Wicklungen (10, 11; W1, W2, W3) geführten Ströme (Ia, Ib; Ia′, Ib′, Ic′) über je einen dieser Stromschalter ein- und auszuschalten.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das nicht mit der Stromquelle (12; 52) ver­ bundene Ende (18, 19; B1, B2, B3) der Wicklung (10, 11; W1, W2, W3) eines Elektromagneten über eine Freilaufdiode (20, 21; 57, 58, 59) mit der Speisespannung der Einrichtung verbunden ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das der Regler (16, 17; 51) einen Pulsweitenmodulator umfaßt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Stromquelle einen Stromquellenschalter umfaßt, der mit den Stromschaltern (14, 15; 54, 55, 56) synchronisiert ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leistungsschaltungen analog arbeitende Lei­ stungsverstärker (8′, 9′) sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Ende (81, 82) des Rotors (1) drei Elektromagnete (83, 84, 85) derart einen Luftspalt mit dem Rotor (1) bilden, daß elektromagnetische Kräfte in allen drei Achsen (X, Y, Z) entstehen.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (62, 63, 64) Mittel umfaßt, um mindestens eine Koordinatentransformation durch­ zuführen.