DE19860814A1 - Verfahren und Einrichtung zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens eines Magnetlagers - Google Patents

Abstract

Das Verfahren und die Einrichtung zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens eines Magnetlagers für einen magnetisch gelagerten Rotor, insbesondere zur Verminderung von Laufgeräuschen, sieht vor, daß der magnetische Fluß im Luftspalt (5) des Magnetlagers, der durch den Strom der durch eine Aktuatorspule (1) bestimmt ist, direkt erfaßt wird, beispielsweise durch eine direkt vom Luftspaltmagnetfluß durchdrungende Meßspule (6a, 6b) oder durch eine Hallsonde, wobei deren Signal als Stellgröße zur Regelung oder ergänzenden Regelung des Aktuatorspulenstroms derart verwendet wird, daß Magnetflußdichteänderungen im Luftspalt minimiert werden. DOLLAR A Mit der Erfindung wird eine deutliche Verminderung von Magnetflußdichteänderungen im Aktuatorluftspalt des Magnetlagers, bedingt beispielsweise durch unvermeidliche Fertigungstoleranzen, erreicht, verbunden mit einer deutlichen Reduzierung des erzeugten Körperschalls.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des dynamischen Verhaltens eines Magnetlagers mit aktiver positionsgeregelter Zentrierung für einen magnetisch gelagerten Rotor durch Regelung des Stroms durch mindestens eine Aktuatorspule, die über einen magnetischen Rückschlußkreis einen definierten magnetischen Fluß im Luftspalt des Magnetlagers gewährleistet. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Einrichtung zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens eines Magnetlagers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Magnetlager der hier in Rede stehenden Gattung sind in verschiedenen Aus­ führungsvarianten, insbesondere auch für die Anwendung in drallstabilisieren­ den Rädern für Satelliten, bekannt. So beschreibt die US 4 211 452 ein magne­ tisch gelagertes Trägheitsrad, dessen Rotor in einem radial magnetischen Feld gehalten ist und bei dem Maßnahmen zur Verhinderung axialer Verschiebungen getroffen sind. Ein in US 4 918 345 beschriebenes Magnetlager wird hier durch eine in WO 95/22 475 beschriebene Positionsregelung zur radialen Stabilisierung des Rotors im Luftspalt des Magnetlagers verbessert, wobei Änderungen des Flusses im magnetischen Kreis durch eine Sensorspule erfaßt werden, die um eine Aktuator- oder Erregerspule gewickelt ist oder einen Teil derselben bildet. Andere Lösungen für die Erzeugung und Stabilisierung des Magnetflusses im Luftspalt eines Magnetlagers sind in EP 0 563 928 A2, in EP 0 362 882, in DE 23 38 307 A1 sowie in FR 2 214 890 beschrieben.

Ein besonderes Problem, das sich bei Magnetlagern in der Praxis zeigt, ist dessen Geräuscherzeugung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Laufgeräusche eines magnetisch gelagerten Rotors zu reduzieren.

Als Vorstufe zur Erfindung wurde aufgrund von genaueren Untersuchungen fest­ gestellt, daß die Laufgeräusche eines magnetisch gelagerten Rotors auf verschie­ dene Effekte zurückzuführen sind. Generell kann jedoch unterschieden werden zwischen Effekten, die über Sensoren auf den oder die Regelkreise für den magentischen Fluß im Luftspalt des Magnetlagers wirken und solchen, die auf meist fertigungstechnisch bedingte, geometrische Fehler mit entsprechendem Einfluß auf den oder die Aktuatorluftspalte zurückzuführen sind und die im allgemeinen Rückwirkungen auf die magnetische Krafterzeugung im Luftspalt des Lagers zur Folge haben. Es wurde festgestellt, daß diese Rückwirkungen dadurch entstehen, daß sich bei der Rotordrehung die Luftspaltgeometrie zyklisch ändert. Die daraus entstehenden Magnetflußdichteänderungen bewir­ ken eine variable Kraft zwischen Rotor und Stator, die sich als störender Körper­ schall auswirkt.

Auf der Grundlage dieser Beobachtungen wurde mit der Erfindung ein Verfahren zur Regelung des dynamischen Verhaltens eines Magnetlagers mit den eingangs genannten Verfahrensmerkmalen bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der im Luftspalt durch die Aktuatorspule erzeugte magnetische Fluß direkt im Luftspalt erfaßt und als Stellgröße zur Regelung oder ergänzenden Regelung des Aktuatorspulenstroms derart verwendet wird, daß Magnetflußdichteände­ rungen im Luftspalt minimiert werden.

Bei Anwendung der Erfindung wird eine wesentliche Verminderung der beobach­ teten Magnetflußdichteänderungen und damit eine Verminderung des erzeugten Körperschalls erreicht. Gleichzeitig wird die als Grundursache im allgemeinen störende dynamische Steifigkeit des gesamten Magnetsystems reduziert.

Mit der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dessen Hilfe zum Zwecke der Verminderung von Laufgeräuschen der das gewünschte Magnetfeld erzeu­ gende, in den Aktuatorspulen fließende Strom beeinflußt wird. Dabei wird im Rahmen der Erfindung ein Magnetlager angenommen, daß auf der gegenseitigen Anziehung von zwei magnetisierbaren Teilen beruht, verursacht durch ein zwischen diesen erzeugtes magnetisches Feld.

Eine Einrichtung zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens eines Magnet­ lagers im Sinne einer Reduzierung von Laufgeräuschen an einem magnetisch gelagerten Rotor mit einem Positionsregler für den Stromfluß durch mindestens eine Aktuatorspule in einem magnetischen Kreis, die einen bestimmten magneti­ schen Fluß im Luftspalt des Magnetlagers gewährleistet, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung, die den magnetischen Fluß un­ mittelbar im Luftspalt erfaßt und deren Meßsignal als Stellgröße einen den Posi­ tionsregler ergänzenden Regelkreis speist, der den Strom durch die Aktuator­ spule so beeinflußt, daß Änderungen des Magnetflusses im Luftspalt minimiert werden.

Vorteilhafte Ergänzungen dieses Erfindungsgedankens sind in abhängigen Patentansprüchen definiert.

Kern der Erfindung ist eine (gegebenenfalls zusätzliche) Regelung des in dem Luftspalt des Magnetlagers vorhandenen magnetischen Flusses. Erfindungs­ gemäß wird zu diesem Zweck eine Meßeinrichtung, beispielsweise eine Meßspule verwendet, die von einem Teil oder vom gesamten magnetischen Fluß durchflutet wird, der in dem Luftspalt herrscht und welcher durch eine entsprechende Aktuatorspule erzeugt bzw. beeinflußt wird. Vorteilhaft ist es, mit einer ent­ sprechenden Regelelektronik den Strom in dieser Aktuatorspule so zu regeln, daß die in der Meßspule induzierte Spannung einen bestimmten Sollwert annimmt. Dieser Sollwert kann durch eine Steuerschaltung intern oder extern vorgegeben werden.

Anstelle der an der Meßspule anliegenden Spannung ist es auch möglich, die an der Aktuatorspule auftretende Spannung als Größe für einen bestimmten Soll­ wert zu verwenden, wobei jedoch der am Innenwiderstand der Aktuatorspule auftretende ohmsche Spannungsabfall berücksichtigt werden muß.

Als Meßeinrichtung eignet sich auch ein magnetischer Flußsensor, z. B. eine Hallsonde.

Durch eine geeignete Anordnung der Meßspule bzw. des Flußsensors, also ins­ besondere der Hallsonde läßt sich - wie nachfolgend noch näher beschrieben - eine Optimierung dahingehend erreichen, daß die Luftspaltkraft sich durch Abstandsänderungen, beispielsweise verursacht durch herstellungsbedingte Rotationsungenauigkeiten, nicht oder nur ganz geringfügig ändert. Dadurch wird eine deutliche Reduzierung der Geräuscherzeugung erreicht.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Blockschaltbilddarstellung einer Einrichtung zur Verbesse­ rung des dynamischen Verhaltens eines Magnetlagers mit dem Ziel einer Verminderung von Laufgeräuschen; und

Fig. 2 die Prinzipdarstellung eines magnetischen Kreises mit direkter Messung des magnetischen Flusses in einem Luftspalt.

Der Magnetfluß im Magnetfeld 4 eines Aktuatorluftspalts 5 eines in Fig. 2 nur in schematischer Schnittdarstellung angedeuteten Magnetlagers wird durch den über einen Stromregler 8 eingestellten Aktuatorstrom durch eine oder mehrere Aktuatorspulen 1 bestimmt, wobei im magnetischen Kreis außerdem ein weiterer Magnet 2, beispielsweise ein Permanentmagnet liegt. Der durch einen umlaufenden Pfeil angedeutete magnetische Rückschluß ist in Fig. 2 durch ent­ sprechende Joche 3 angedeutet. Das Signal eines Positionsreglers für die auf einen Rotor wirkende magnetische Kraft im Aktuatorluftspalt 5 wird an einen Anschluß 7 zugeführt und bestimmt über einen weiter unten näher beschriebe­ nen Regler 10 den Aktuatorstrom durch die Aktuatorspule(n) über einen Strom­ regler 8. Ein zusätzlicher, in der Regel (jedoch nicht zwingend) vorhandener Symmetrieregler 9 gewährleistet eine deutliche Verringerung des gesamten Leistungsverbrauchs des Magnetlagers und vereinfacht dadurch zusätzlich die Abführung von Verlustwärme.

Erfindungsgemäß wird der im Aktuatorluftspalt 5 herrschende magnetische Fluß durch eine unmittelbar in diesem Fluß liegende Meßspule 6a bzw. 6b erfaßt, die vorteilhafterweise so plaziert wird, daß sich die Luftspaltkraft z. B. bei geringfügigen Abstandsänderungen nicht ändert. Dies wird über den Regler 10 erreicht, der das Signal der Meßspule 6a bzw. 6b in ein entsprechendes Stell­ signal für den Stromregler 8 so umsetzt, daß die Spannung an der Meßspule 6a, 6b auf einem bestimmten Sollwert gehalten wird. Wenn das Ausgangssignal des Positionsreglers am Anschluß 7 Null beträgt, also die Position des (nicht dar­ gestellten) Rotors korrekt ist, wird durch den dargestellten Regelkreis mit Regler 10, Stromregler 8 und Symmetrieregler 9 die Spannung in der Meßspule 6a bzw. 6b und damit die Magnetflußänderung im Aktuatorluftspalt 5 auf einen Wert nahe Null geregelt. Dieser Wert ist von der Übertragungsfunktion des Reglers 10 abhängig. Diese ist den charakteristischen Eigenschaften des praktisch vorlie­ genden Luftspaltmagnetfelds anzupassen, um eine optimale Geräuschunter­ drückung zu erzielen, wobei die Regeleigenschaften des Positionsregelkreises zu berücksichtigen sind. In der Regel wird für den Regler 10 eine P-I-Charakteri­ stik am günstigsten sein. Bei durch einen Permanentmagneten unterstützten Magnetlagern, wie in Fig. 2 durch den Permanentmagneten 2 angedeutet, wird häufig ein zusätzlicher Symmetrieregler 9 eingesetzt, der die Luftspaltgeometrie so einstellt, daß äußere Störkräfte ohne permanenten Aktuatorstrom kompen­ siert werden können. Der Symmetrieregler 9 hat in der Regel eine I-Charakteri­ stik. Im Falle der Erfindung ergibt sich hier eine Vereinfachung, da aufgrund der Rückführung der festgestellten Magnetflußänderung auf den Regler 10 die­ sem eine integrierende Charakteristik eingeprägt wird. Dadurch läßt sich der Symmetrieregler 9 durch eine einfache Tiefpaßfunktion ersetzen.

Anstelle der Meßspule(n) 6a, 6b kann bei entsprechender Anpassung der Elek­ tronik ein anderer geeigneter Magnetflußsensor, beispielsweise eine Hallsonde verwendet werden.

Durch das erfindungsgemäße Konzept einer Magnetflußmessung unmittelbar im Aktuatorluftspalt 5 und (gegebenenfalls nur ergänzender) Stromregelung über den Regler 10 wird die effektive dynamische Steifigkeit des Magnetsystems der Lagerung insbesondere für höhere Frequenzen reduziert, wobei gleichzeitig der Positionsregler hinsichtlich spezifischer Genauigkeitsanforderungen unkritischer wird und das Ziel einer deutlichen Verminderung der Laufgeräusche eines magnetisch gelagerten Rotors erreicht wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung des dynamischen Verhaltens eines Magnetlagers mit aktiver positionsgeregelter Zentrierung für einen magnetisch gelagerten Rotor durch Regelung des Stroms durch mindestens eine Aktuatorspule, die über einen magnetischen Rückschlußkreis einen definierten magnetischen Fluß im Luftspalt des Magnetlagers gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, daß die im Luftspalt vorhandenen Änderungen des magnetischen Flusses direkt im Luftspalt erfaßt und als Stellgröße zur Regelung oder ergänzenden Regelung des Aktuatorspulenstroms derart verwendet werden, daß durch Verringerung der Magnetflußdichteänderungen im Luftspalt die Laufgeräusche des Magnetlagers minimiert werden.

2. Einrichtung zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens eines Magnet­ lagers für einen magnetisch gelagerten ferromagnetischen Rotor mit einem Posi­ tionsregler für den Stromfluß durch mindestens eine Aktuatorspule (1) in einem magnetischen Kreis, die einen bestimmten magnetischen Fluß im Luftspalt (5) des Magnetlagers gewährleistet, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (6a, 6b), die den magnetischen Fluß unmittelbar im Luftspalt (5) erfaßt, deren Meßsignal als Stellgröße einen den Positionsregler ergänzenden Regelkreis (10, 8) speist, der den Strom durch die Aktuatorspule (1) so beeinflußt, daß Ände­ rungen des Magnetflusses im Luftspalt minimiert werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung mindestens eine vom Luftspalt-Magnetfeld unmittelbar durch­ setzte Meßspule (6a, 6b) ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelsollgröße für die Stromregelung durch die Aktuatorspule (1) ein bestimm­ ter Wert der in der Meßspule (6a, 6b) induzierten Spannung herangezogen wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Positionsregler und ergänzendem Regler bestehende Stromregler für den Aktuatorstrom auf einen bestimmten Wert der in der Aktuatorspule induzierten Spannung als Regelsollgröße optimiert ist.

6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ergänzende Regler eine P-I-Charakteristik aufweist.

7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetflußsensor im Luftspalt (5) eine Hallsonde verwendet ist.