DE202004020504U1

DE202004020504U1 - Magnetlagersystem mit integrierter Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE202004020504U1
Application number: DE202004020504U
Authority: DE
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Mecatronix GmbH
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2014-04-01

Abstract

Magnetisches Lagersystem, bestehend aus
a) mindestens zwei Radiallagerelementen mit einem Rotor (1) und mit einem kreisförmig geschlossenen Stator (2) um den Rotor (1) herum zur Erzeugung einer senkrecht zur Axialachse des Rotors (1) wirkenden Lagerkraft, wobei
b) jedes Radiallagerelement durch zwei gleichsinnig gepolte, auf entgegengesetzten Seiten des Rotors (1) und senkrecht zu dessen Axialachse ausgerichtete Elektromagneten (3, 4) gebildet wird, welche
c) mit zwei gegensinnig gepolten Permanentmagneten (5, 6) kombiniert sind, welche ebenfalls auf entgegengesetzten Seiten des Rotors (1) angeordnet und senkrecht zu dessen Axialachse ausgerichtet sind und deren Verbindungsachse senkrecht auf der Verbindungsachse der Elektromagnete (3, 4) steht,
d) zwischen jedem Permanentmagneten (5, 6) und dem Rotor (1) ist ein Magnetfeldsensor (9, 10) angeordnet zur differentiellen Auswertung der Messsignale für die magnetische Flussdichte oder die magnetische Feldstärke zur Positionsbestimmung des Rotors (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Lagersystem gemäß Anspruch 1 oder 5.
Es sind bereits verschiedene magnetische Lagersysteme bekannt geworden. So wird in der WO 01/48389 A2 ein magnetisches Lagersystem mit einem Radiallager beschrieben, wobei in dem Stator des Radiallagers zwischen elektromagnetischen Polen mit mindestens einer Spule ein oder mehrere Permanentmagnete vorgesehen sind, die als magnetische Pole ausgebildet und derart angeordnet sind, dass im Luftspalt in den Winkelbereichen der elektromagnetischen Pole ein magnetischer Spannungsabfall durch die von den Permanentmagneten erzeugten Flüsse entsteht. Bei dieser bekannten Anordnung werden die durch die Permanentmagnete verursachten Kräfte über den vollständigen Lagerumfang kompensiert, das bedeutet ein ausgeglichenes und gleiches Verhalten des Lagers, unabhängig von der Winkellage. Ein weiterer Vorteil dieser bekannten Anordnung besteht in der Integration von Permanentmagneten zur Eliminierung des Stromes für eine Vormagnetisierung. Eine derartige Vormagnetisierung ist zwar sinnvoll, um aufgrund der physikalischen Abhängigkeit der erzeugten Lagerkraft vom Quadrat des Spulenstromes auf einem höheren „Magnetisierungsniveau" relativ große Kraftänderungen mit gegebenen Stromänderungen zu erzielen. Jedoch verursacht der Vormagnetisierungsstrom unerwünschte Ohmsche Verluste. Deshalb ist es gemäß DE 22 14 465 C3 bekannt, die erwünschte Vormagnetisierung durch Permanentmagneten zu realisieren. Allerdings ist es für den bekannten Aufbau notwendig, zusätzliche Wegsensoren vorzusehen, um die Position des Rotors zu bestimmen. Aus der DE 39 37 687 A1 ist es bekannt, die Rotorposition im Magnetlager durch die Verknüpfung von Messsignalen für den magnetischen Fluss und die Spulenströme zu ermitteln. Nachteilig ist die Verwendung eines Vormagnetisierungsstromes und der notwendige Einsatz zusätzlicher Messelemente für die Spulenströme sowie die notwendige aufwändige Berechnung der Rotorposition aus den Spulenströmen und den magnetischen Flussdichten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten kompakten magnetischen Lagersystems mit integrierten Sensoren zur einfachen Positionsbestimmung des Rotors im Lager, ohne dass zusätzliche Wegsensoren verwendet werden.
Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 5.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich durch die kompakte spezifische Bauform, wodurch speziell exakt steuerbare, magnetisch gelagerte Antriebe für Beatmungs- oder Anästhesiegeräte herstellbar sind, die beispielsweise in Form von Radialverdichtern verwirklicht sind. Alle magnetischen Bauelemente sind innerhalb des kreisförmigen Stators angeordnet und ermöglichen somit die kompakte Bauform.
Die Unteransprüche geben bevorzugte Aus- und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands nach Anspruch 1 oder 5 an.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden mit Hilfe der 1 und 2 erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein magnetisches Radiallagerelement senkrecht zur Längsachse des Rotors 1 und
2 eine räumliche Ansicht eines magnetischen Lagersystems.
In 1 wird die Lagerkraft in y-Richtung erzeugt, wohingegen die Rotorposition in x-Richtung erfasst wird. Da in dem gezeigten Schnitt nur Kräfte in y-Richtung erzeugt bzw. aufgenommen werden können, braucht man für ein vollständiges Lager den gleichen Blechschnitt nochmals um 90 Grad gedreht in einer davor- oder dahinterliegenden Ebene, parallel zur Figurebene.
Im gezeigten Schnitt sind vier magnetische Pole dargestellt, nämlich zwei durch Spulen von Elektromagneten 3, 4 erzeugte elektromagnetische Pole in y-Richtung und zwei permanentmagnetische Pole in x-Richtung, erzeugt durch die beiden Permanentmagnete 5, 6. Die beiden Spulen der Elektromagnete 3, 4 sind wie dargestellt gleichsinnig gewickelt. Der mit durchgehenden Linien veranschaulichte elektromagnetische Fluss schließt sich über den zumindest im Mantelbereich ferromagnetischen Rotor 1 und über den äußeren Ring des ebenfalls ferromagnetischen Stators 2. Die Magnetisierungsrichtung der beiden gleich starken Permanentmagnete 5, 6 ist in x-Richtung gegensinnig, das heißt, der eine Pol zeigt in positive x-Richtung und der andere in negative x-Richtung. Der durch gestrichelte Linien dargestellte permanentmagnetische Fluss schließt sich über den Rotor 1, die elektromagnetischen Pole und den Stator 2. Die Magnetträger 7 und 8 dienen zur einfachen Montage der Permanentmagnete 6, 5 und optional zur genauen Einstellung des Luftspaltes zum Rotor 1. Die Magnetfeldsensoren 9, 10 sind zwischen jedem Permanentmagneten 5, 6 und dem Rotor 1 angeordnet und erfassen die magnetische Flussdichte oder die magnetische Feldstärke im Luftspalt zum Rotor 1 und sind vorzugsweise als Hallsensoren, Feldplattenelemente, magnetoresistive Messelemente oder induktiv gekoppelte Umspulen ausgebildet.
Mittels der Messung der magnetischen Flussdichte oder Feldstärke im Luftspalt wird die Position des Rotors 1 eindeutig bestimmt. Durch die funktionale Integration der Positionsmessung in x-Richtung senkrecht zur Krafterzeugungsrichtung der Elektromagnete 3, 4 und einfache differentielle Auswertung der beiden sich gegenüber liegenden Magnetfeldsensoren 9, 10 ist die Positionsmessung unabhängig vom Bestromungszustand des Lagers und der Verschiebungsrichtung des Rotors 1 senkrecht zur Messrichtung. Das vorliegende magnetische Lagersystem aus mindestens zwei Radiallagerelementen kommt ohne die Messung der Spulenströme der Elektromagnete 3, 4 und ohne aufwändige Berechnungen aus.
Die kompakte Bauform des Lagersystems wird durch die Integration der Positionsmessung in dem magnetflussführenden Kreis des Magnetlagers möglich. Dadurch ist die Ausbildung des Rotors 1 in Form eines Verdichterrades mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern als Antrieb für ein Beatmungssystem möglich, vorzugsweise in einem hermetisch dichten Spaltrohr, so dass der Atemkreis von dem externen Antrieb getrennt bleibt und zum Beispiel Kontaminationen ausgeschlossen sind.
Alternativ ist auch die Führung des permanentmagnetischen Flusses in längsaxialer Richtung des Rotors 1 möglich. Aus der zweidimensionalen Magnetflussführung wird dadurch eine dreidimensionale.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 zeigt eine räumliche Ansicht einer alternativen Anordnung eines magnetischen Lagersystems ohne radiale Permanentmagnete 5, 6, mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Anspruchs. Hierbei ist nur ein Permanentmagnet 5 zwischen zwei um 90 Grad zueinander radial verdrehten Radiallagerelementen angeordnet. Der Permanentmagnet 5 ist im Beispiel als Ringmagnet im Umfangsbereich der Statoren 2 ausgeführt und axial aufmagnetisiert. Jedes der beiden dargestellten Radiallagerelemente weist auf entgegengesetzten Seiten des Rotors 1 und in Radialrichtung zum Rotor 1 verlaufende blockförmige Ausformungen als Polstege des Stators 2 auf mit einem Luftspalt zum Rotor 1. Die Verbindungsachse der Elektromagnete 3, 4 in jedem Radiallagerelement steht senkrecht auf der Verbindungsachse der blockförmigen Ausformungen. Vor den Ausformungen jedes Radiallagerelements im Luftspalt zum Rotor 1 befindet sich je ein Magnetfeldsensor 9, 10 zur differentiellen Auswertung der Messsignale für die magnetische Flussdichte zur Positionsbestimmung des Rotors 1 in x- und/oder in y-Richtung. In Abhängigkeit von der Positionsbestimmung des Rotors 1 in Bezug auf jeweils eine geome trische Richtung in einem der beiden Radiallagerelemente wird der Spulenstrom der Elektromagnete 3, 4 für die in derselben Richtung wirkende Lagerkraft im zweiten, komplementären Radiallagerelement eingestellt. Mit der dargestellten Anordnung mit zwei Radiallagerelementen erfolgt somit die getrennten Positionsbestimmung und Lagerkraft-Einstellung sowohl in x- als auch in y-Richtung.
Ein wesentlicher Vorteil vorliegender Erfindung ist, dass zur Positionsbestimmung des Rotors 1 keine Strommessung erforderlich ist mit einer aufwändigen Berechnung. Es genügt die Differenz der Sensorsignale der beiden Magnetfeldsensoren 9, 10. Hinzu kommt, dass die Positionsbestimmung unabhängig von der Bestromung der Elektromagnete 3, 4 ist, das heißt unabhängig von der Auslenkung des Rotors 1 senkrecht zur Messrichtung. Mit der beschriebenen Anordnung ist die jeweils aktive Magnetlagerachse von der Messrichtung entkoppelt.

Claims

Magnetisches Lagersystem, bestehend aus a) mindestens zwei Radiallagerelementen mit einem Rotor (1) und mit einem kreisförmig geschlossenen Stator (2) um den Rotor (1) herum zur Erzeugung einer senkrecht zur Axialachse des Rotors (1) wirkenden Lagerkraft, wobei b) jedes Radiallagerelement durch zwei gleichsinnig gepolte, auf entgegengesetzten Seiten des Rotors (1) und senkrecht zu dessen Axialachse ausgerichtete Elektromagneten (3, 4) gebildet wird, welche c) mit zwei gegensinnig gepolten Permanentmagneten (5, 6) kombiniert sind, welche ebenfalls auf entgegengesetzten Seiten des Rotors (1) angeordnet und senkrecht zu dessen Axialachse ausgerichtet sind und deren Verbindungsachse senkrecht auf der Verbindungsachse der Elektromagnete (3, 4) steht, d) zwischen jedem Permanentmagneten (5, 6) und dem Rotor (1) ist ein Magnetfeldsensor (9, 10) angeordnet zur differentiellen Auswertung der Messsignale für die magnetische Flussdichte oder die magnetische Feldstärke zur Positionsbestimmung des Rotors (1).
Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Radiallagerelemente vorgesehen sind, die in Radialrichtung um 90 Grad zueinander gedreht und in Axialrichtung beabstandet sind, wobei, bezogen auf eine geometrische Richtung, die Positionsbestimmung in einem Radiallagerelement jeweils komplementär ist zur in die gleiche Richtung wirkenden Lagerkraft im anderen Radiallagerelement.
Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Radiallagerelemente in Axialrichtung durch mindestens einen axial magnetisierten Permanentmagneten (5) oder einen axial magnetisierten Permanentmagnetring beabstandet sind, wobei der Permanentmagnetring insbesondere aus einzelnen, kreisförmig angeordneten Segmenten besteht.
Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der gegenüberliegenden Permanentmagnete (5, 6) spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse durch die Mittellängsachse der Elektromagnete (3, 4) ist.
Magnetisches Lagersystem, bestehend aus a) mindestens zwei Radiallagerelementen mit einem Rotor (1) und mit einem kreisförmig geschlossenen Stator (2) um den Rotor (1) herum zur Erzeugung einer senkrecht zur Axialachse des Rotors (1) wirkenden Lagerkraft, wobei b) jedes Radiallagerelement zwei gleichsinnig gepolte, auf entgegengesetzten Seiten des Rotors (1) und senkrecht zu dessen Axialachse ausgerichtete Elektromagneten (3, 4) aufweist, welche c) mit einem zwischen jeweils zwei Radiallagerelementen zwischengeschalteten, als Ringmagnet ausgeführten Permanentmagneten (5) kombiniert sind, wobei d) die jeweils zwei Radiallagerelemente mit dem zwischengeschalteten Permanentmagneten (5) in Radialrichtung um 90 Grad zueinander gedreht sind und e) jedes Radiallagerelement zwei auf entgegengesetzten Seiten des Rotors (1) angeordnete und in Radialrichtung zum Rotor (1) verlaufende blockförmige Ausformungen als Polstege des Stators (2) aufweist mit einem Luftspalt zum Rotor (1), f) die Verbindungsachse der Elektromagnete (3, 4) in jedem Radiallagerelement steht senkrecht auf der Verbindungsachse der blockförmigen Ausformungen und g) vor den Ausformungen jedes Radiallagerelementes befindet sich ein Magnetfeldsensor (9, 40) zur differentiellen Auswertung der Messsignale für die magnetische Flussdichte oder Feldstärke zur Positionsbestimmung des Rotors (1) in x- und/oder in y-Richtung.
Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der als Ringmagnet ausgeführte Permanentmagnet (5) aus einzelnen, kreisförmig angeordneten Segmenten besteht, insbesondere aus vier Segmenten.
Magnetisches Lagersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) in Form eines Verdichterrads als Antrieb für ein Beatmungssystem ausgebildet ist, insbesondere in einem hermetisch dichten Spaltrohr.
Magnetisches Lagersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (9, 10) Hallsensoren, Feldplattenelemente, magnetoresistive Messelemente oder induktiv gekoppelte Umspulen sind.
Magnetisches Lagersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) mittels weiterer, umlaufend angesteuerter Elektromagnete in Umfangsrichtung angetrieben ist.
Magnetisches Lagersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Positionsbestimmung des Rotors (1) in einer Richtung der Spulenstrom der Elektromagnete (3, 4) für die in derselben Richtung wirkende Lagerkraft eingestellt wird.