DE202008006090U1

DE202008006090U1 - Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der radialen Auslenkung und radialen Auslenkungsgeschwindigkeit von magnetisch gelagerten Wellen

Info

Publication number: DE202008006090U1
Application number: DE200820006090
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2018-05-01

Abstract

Messeinrichtung (1) zur berührungslosen Erfassung der radialen Auslenkung und radialen Auslenkungsgeschwindigkeit einer magnetisch gelagerten Welle (4), bestehend
– aus einem geblechten Eisenkreis (21) mit zwei Magnetkreisschenkeln (27, 28) und
– aus einem zur Welle (4) gerichteten, mit einem Spalt (22) versehenen geblechten variablen Magnetkreis (23), dessen magnetischer Widerstand aufgrund und von Auslenkungsänderungen Δx des Luftspalts (22) variabel ist und der mit dem Eisenkreis (21) in Verbindung steht und der zwei offene, zur Welle gerichtete freie Schenkel (25, 26) besitzt,
– aus einem Permanentmagnet (3), der in einem inneren, zwischen den beiden Magnetschenkeln (27, 28) befindlichen Querschenkel (24) enthalten ist und den magnetischen Fluss Φ_M antreibt, welcher sich in zwei Teilflüsse Φ_K – Fluss durch einen kompakten Kompensationszweig (6) im Eisenkreis (21) – und Φ_δ – Fluss durch den variablen Magnetkreis (23) über den Luftspalt (22) und die ferromagnetische Welle (4) – aufteilt,
– aus mindestens einen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der radialen Auslenkung und radialen Auslenkungsgeschwindigkeit von magnetisch gelagerten Wellen.
Derzeit werden für die berührungslose Lagermessung in Magnetlagern vorwiegend induktive, Wirbelstrom-, kapazitive oder optische Sensoren eingesetzt. Jeden der genannten Messprinzipe haften Nachteile an, so dass nicht jeder Sensortyp für alle Anwendungen eingesetzt werden kann. Dies schränkt die Auswahl an Sensortypen besonders im Bereich kleiner Leistungen und Baugrößen stark ein.
Das technische Problem besteht darin, dass aktive Magnetlager ein berührungs- und verlustfreies Lagern und Positionieren von beweglichen Massen ermöglichen. Außerdem ermöglichen sie eine Einstellung der Steifigkeit und Dämpfung während des Betriebes. Da Magnetlager prinzipbedingt eine Instabilität aufweisen, ist eine Lageregelung zur Systemstabilisierung notwendig. Dazu muss die Position des gelagerten Körpers in allen Lagerachsen erfasst werden. Im Allgemeinen werden dafür Lagesensoren eingesetzt, die eine schnelle, hochauflösende und störungsresistente Messung erlauben, um eine stabile und robuste Lageregelung zu ermöglichen.
Eine in 1 gezeigte Einrichtung 2 zur berührungslosen Messung von Abständen x insbesondere zur Messung der Rotorwellenauslenkung aktiver Magnetlager ist in der Druckschrift DE 10 2004 027 039 B3 beschrieben, wobei in der Einrichtung 2 mindestens ein in einem magnetischen Netzwerk angeordneter Permanentmagnet 3 einen magnetischen Fluss erzeugt, welcher seinerseits in Abhängigkeit des Abstandes x (Auslenkung) zur Messspur eines Messobjektes, insbesondere einer Rotorwelle 4 einen magnetischen Spannungsabfall erzeugt, der mittels einer Kompensationsmesseinrichtung 5 bestimmt wird.
Die Kompensationsmesseinrichtung 5 ist in einem magnetischen Kompensationszweig 6 des magnetischen Netzwerkes angeordnet und besitzt ein oder mehrere magnetfeldempfindliche Bauelemente 7, z. B. Hall-Sensoren, welche bei Auftreten eines magnetischen Flusses im betreffenden Magnetkreisschenkel 8 des Kompensationszweiges 6 einen Verstärker 9 ansteuern, der einen Kompensationsstrom I_K derart durch eine zugehörige Kompensationsspule 10 der Kompensationsmesseinrichtung 5 treibt, dass der magnetische Fluss Φ_K in diesem Magnetkreisschenkel 8 gegen Null geht.
Die der Rotorwelle 4 zugeordneten parallel zueinander und endseitig offenen Magnetkreisschenkel 11, 12 der Messeinrichtung 2 sind quer zur Achse 13 der Rotorwelle 4 gerichtet und weisen jeweils dem zylindrischen Umfang der Rotorwelle 4 angepasste konkav ausgebildete endseitige Oberflächen 14, 15 auf.
Das Problem besteht darin, dass die Messenrichtung 2 mit den konkaven Oberflächen 14, 15 nur für die mit dem Durchmesser der Rotorwelle 4 konform ausgebildeten Oberflächen 14, 15 eingesetzt werden kann, wobei bei kleiner werdendem Durchmesser die gleiche Messeinrichtung 2 schließlich überhaupt nicht angebracht werden kann und demzufolge keine Messergebnisse geliefert werden können. Es fehlt damit eine auf den Durchmesser der Rotorwellen 4 bezogene universelle Anwendbarkeit.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der radialen Auslenkung und radialen Auslenkungsgeschwindigkeit von magnetisch gelagerten Wellen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass die Messeinrichtung für Wellen jeglichen Durchmessers eingesetzt werden können.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Schutzanspruchs 1 gelöst.
Die Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der radialen Auslenkung und radialen Auslenkungsgeschwindigkeit einer magnetisch gelagerten Welle besteht

– aus einem geblechten Eisenkreis mit zwei Magnetkreisschenkeln und
– aus einem zur Welle gerichteten, mit einem Spalt versehenen geblechten variablen Magnetkreis, dessen magnetischer Widerstand aufgrund von Auslenkungsänderungen Δx des Luftspalts variabel ist und der mit dem Eisenkreis in Verbindung steht sowie der zwei offene, zur Welle gerichtete freie Schenkel hat,
– aus einem Permanentmagnet, der in einem inneren, zwischen den beiden Magnetkreisschenkeln befindlichen Querschenkel enthalten ist und den magnetischen Fluss Φ_M antreibt, welcher sich in zwei Teilflüsse Φ_K – Fluss durch einen kompakten Kompensationszweig im Eisenkreis – und Φ_δ – Fluss durch den variablen Magnetkreis über den Luftspalt und die ferromagnetische Welle – aufteilt,
– aus mindestens einem im kompakten Kompensationszweig befindlichen megnetfeldempfindlichen Bauelement, das vom magnetischen Teilfluss Φ_K durchflutet wird,
– aus mindestens einem Verstärker, der mit einem magnetfeldempfindlichen Beuelement elektrisch verbunden ist und vom Bauelement angesteuert wird, der den Kompensationsstrom I_K durch eine zugehörige Kompensationsspule treibt, die eine magnetische Durchflutung, die dem Fluss Φ_K des Kompensationszweiges entgegengerichtet ist, erzeugt und die mit Masse über einen Widerstand R verbunden ist, an dem eine der Auslenkung x des Luftspalts proportionale Messspannung U_M(x) abgegriffen wird,

Auf mindestens einem freien Schenkel des Blechpakets kann mindestens eine Wicklung oder Spule aufgebracht sein, an der bei einer Auslenkung Δx der Welle eine induzierte Spannung U_I(Δx/Δt) abgreifbar ist, wobei Δx/Δt die radiale Auslenkungsgeschwindigkeit der Welle ist.
Die endseitigen Stirnflächen der freien Schenkel können als gerade ebene Oberflächen ausgebildet sein.
Die Dicke des Blechpakets des Eisenkreises und des variablen Magnetkreises ist im Vergleich zu den Durchmessern der Wellen gering.
Das mit dem Verstärker verbundene magnetfeldempfindliche Bauelement kann ein Hall-Sensor sein.
Die Messeinrichtung stellt somit einen skalierbaren magnetischen Lagesensor dar.
Als die von der erfindungsgemäßen Messeinrichtung überwachten Wellen sind vorzugsweise Rotorwellen vorgesehen.
Mit der Erfindung kann zusätzlich zur Auslenkung x der radialen Wellenlage auch die radiale Auslenkungsgeschwindigkeit Δx/Δt der Welle gemessen werden. Eine externe Differentiation des Lagesignals wird dadurch überflüssig und das Auslenkungsgeschwindigkeitssignal kann als Hilfsregelgröße genutzt werden, wodurch das Regelverhalten bezüglich Rechenaufwand, Stabilität und Rauschen verbessert wird. Durch die gegenüber dem Stand der Technik durchgeführte Drehung der freien Schenkel um 90° zur Achse der Welle und den achsenparallelen Einbau der Schenkel mit den weitgehend ebenen stirnseitigen Oberflächen ist die Messeinrichtung unabhängig vom Durchmesser der Welle und damit für verschiedene Maschinengrößen skalierbar.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der radialen Auslenkung und radialen Auslenkungsgeschwindigkeit von magnetisch gelagerten Wellen nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der radialen Auslenkung und radialen Auslenkungsgeschwindigkeit von magnetisch gelagerten Wellen,
3 eine schematische Anordnung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung an einer Welle mit einem größeren Durchmesser und
4 eine schematische Anordnung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung an einer Welle mit einem in Bezug auf 3 kleineren Durchmesser.
In 1 ist schematisch eine Messeinrichtung 1 zur berührungslosen Erfassung der radialen Auslenkung x und radialen Auslenkungsgeschwindigkeit dx/dt einer magnetisch gelagerten Rotorwelle 4 dargestellt, wobei die erfindungsgemäße Messeinrichtung 1 im Wesentlichen aus einem geblechten Eisenkreis 21 mit zwei Magnetkreisschenkeln 27, 28 und einem zur Rotorwelle 4 gerichteten, mit einem Spalt 22 versehenen variablen Magnetkreis 23, dessen magnetischer Widerstand aufgrund von Auslenkungsänderungen Δx des Luftspalts 22 veränderlich ist, besteht und der zwei parallel zueinander gerichtete freie Schenkel 25, 26 besitzt. In einem inneren Querschenkel 24 treibt ein Permanentmagnet 3 den magnetischen Fluss Φ_M an, welcher sich in zwei Teilflüsse Φ_K – Fluss durch einen kompakten Kompensationszweig 6 – und Φ_δ – Fluss durch den variablen Magnetkreis 23 über den Luftspalt 22 und die ferromagnetische Rotorwelle 4 – aufteilt. Im kompakten Kompensationszweig 6 erfasst ein Hall-Sensor 7 den magnetischen Teilfluss Φ_K, wobei der Hall-Sensor 7 den Verstärker 9 ansteuert, der den Kompensationsstrom I_K durch die Kompensationsspule 10 treibt. Die Kompensationsspule 10 erzeugt eine magnetische Durchflutung, die wiederum dem Fluss Φ_K des Kompensationszweiges 6 entgegengerichtet ist. Es stellt sich dann in der Kompensationsspule 10 ein Kompensationsstrom I_K ein, so dass der Fluss Φ_K im Kompensationszweig 6 zu Null wird. Die Kompensationsspule 10 ist mit der Masse über einen Widerstand R 20 verbunden, an dem eine der Auslenkung x des Luftspalts 22 proportionale Messspannung U_M(x) abgegriffen wird. Über dem Widerstand R 20 fällt am zugehörigen Messabgriff 31 somit die Messspannung U_M(x) ab. Ändern sich die magnetischen Widerstände R_δ des Luftspaltes 22 infolge einer Auslenkungsänderung Δx des Rotorwelle 4 gegenüber den Stirnseitenflächen 16, 17 der Messeinrichtung 1, so hat das eine Änderung des Kompensationsstromes I_K(x) und damit der Messspannung U_M(x) zur Folge. Zur gleichzeitigen Messung der Auslenkungsgeschwindigkeit v = Δx/Δt der Auslenkung x der Rotorwelle 4 sind zwei spezielle Wicklungen 18, 19 an den freien Schenkeln 25, 26 des Blechpakets 2 befestigt. Die Endbereiche der freien Schenkel 25, 26 haben stirnseitige Oberflächen 16, 17, die weitgehend ebene Flächen darstellen, wobei die Endbereiche der freien Schenkel 25, 26 nebeneinander und parallel ausgerichtet zur gegenüberliegenden Mantellinie 29 und zur Achse 13 der Rotorwelle 4 angeordnet sind. Dadurch ist auch das gesamte Blechpaket des Eisenkreises 21 und des variablen Magnetkreises 23 längs und parallel zur Mantellinie 29 und Achse 13 der Rotorwelle 4 ausgerichtet.
Durch eine mögliche Auslenkungsänderung Δx der Rotorwelle 4 ändert sich der magnetische Fluss Φ_δ im Kern der Wicklungen 18, 19, was eine zur Auslenkungsgeschwindigkeit v = Δx/Δt proportionale Induktionsspannung U_I(v) am Messabgriff 30 zur Folge hat.
Die Messeinrichtung 1 stellt somit einen skalierbaren magnetischen Lagesensor dar, der zur Achse 13 der Rotorwelle 5 parallel gerichtet angeordnet ist und im Endbereich der freien Schenkel 25, 26 parallel zur Rotorwelle 4 gerichtet ausgebildete Stirnflächen 16, 17 aufweist, die gleichzeitig rotorwellendurchmesserunabhängig ausgebildet sind, so dass eine wesentlich größere Anzahl von Rotorwellen 4 unterschiedlichen Durchmessers mit dieser Messeinrichtung 1 ausgestattet und überwacht werden können.
In den 3 und 4 sind in perspektivischen schematischen Darstellungen die vorgesehene Anordnung der mit den Wicklungen bzw. Spulen 18, 19 versehenen freien Schenkel 25, 26 (durch beide Spulen 18, 19 verdeckt) der Messeinrichtung 1 angegeben, wobei die jeweilige Anordnung der freien Schenkel 25, 26 parallel gerichtet zur Achse 13 der Rotorwellen 41 oder 42 ausgerichtet ist, wobei für die Rotorwellen 41, 42 unterschiedlichen Durchmessers universell dieselbe Messeinrichtung 1 eingesetzt werden kann.
Deshalb ist es auch zweckmäßig, dass die Dicke des Blechpakets im Eisenkreis 21 gering ist im Vergleich zu den Durchmessern der Rotorwellen 4, 41, 42, aber dennoch ausreichend um den benötigten magnetischen Fluss zu führen. Die Messeinrichtung 1 zeichnet sich durch ein geringes Eigenrauschen sowie durch eine hohe Messgenauigkeit und Dynamik aus und ist unempfindlich gegenüber Feuchte und nichtferromagnetische Verschmutzungen. Es arbeitet ohne Trägerfrequenz und ist im Vergleich zu herkömmlichen Anwendungen der Messeinrichtung 1 durch eine Einsparung einer aufwändigen Signalauswertung deutlich kostengünstiger herstellbar. Das Prinzip der Messeinrichtung 1 ist nicht nur in aktiven Magnetlagern, sondern auch in einer breiten Palette mechatronischer Systeme sowie bei der Maschinenüberwachung und Maschinendiagnose einsetzbar.

1: Messeinrichtung
2: Messeinrichtung nach dem Stand der Technik
3: Permanentmagnet
4: Welle
5: Kompensationsmesseinrichtung
6: Kompensationszweig
7: Magnetfeldempfindliches Bauelement
8: Erster Magnetkreisschenkel
9: Verstärker
10: Kompensationsspule
11: Magnetkreisschenkel
12: Magnetkreisschenkel
13: Achse der Welle
14: Konkav ausgebildete Oberfläche
15: Konkav ausgebildete Oberfläche
16: Freie Stirnfläche
17: Freie Stirnfläche
18: Erste Spule
19: Zweite Spule
20: Widerstand
21: Geblechter Eisenkreis
22: Spalt
23: Variabler Magnetkreis
24: Innerer Schenkel
25: Freier Schenkel
26: Freier Schenkel
27: Magnetkreisschenkel
28: Magnetkreisschenkel
29: Mantellinie
30: Messabgriff
31: Messabgriff
v = Δx/Δt: Geschwindigkeit der Rotorwelle
U_M: Messspannung
U_I: Induzierte Spannung
Φ_M: magnetischer Fluss
Φ_K: erster magnetischer Teilfluss
Φ_δ: zweiter magnetischer Teilfluss
I_K: Kompensationsstrom
R: Widerstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004027039 B3 [0004]

Claims

Messeinrichtung (1) zur berührungslosen Erfassung der radialen Auslenkung und radialen Auslenkungsgeschwindigkeit einer magnetisch gelagerten Welle (4), bestehend – aus einem geblechten Eisenkreis (21) mit zwei Magnetkreisschenkeln (27, 28) und – aus einem zur Welle (4) gerichteten, mit einem Spalt (22) versehenen geblechten variablen Magnetkreis (23), dessen magnetischer Widerstand aufgrund und von Auslenkungsänderungen Δx des Luftspalts (22) variabel ist und der mit dem Eisenkreis (21) in Verbindung steht und der zwei offene, zur Welle gerichtete freie Schenkel (25, 26) besitzt, – aus einem Permanentmagnet (3), der in einem inneren, zwischen den beiden Magnetschenkeln (27, 28) befindlichen Querschenkel (24) enthalten ist und den magnetischen Fluss Φ_M antreibt, welcher sich in zwei Teilflüsse Φ_K – Fluss durch einen kompakten Kompensationszweig (6) im Eisenkreis (21) – und Φ_δ – Fluss durch den variablen Magnetkreis (23) über den Luftspalt (22) und die ferromagnetische Welle (4) – aufteilt, – aus mindestens einen im kompakten Kompensationszweig (6) befindlichen magnetfeldempfindlichen Bauelement (7), das vom magnetischen Teilfluss Φ_K durchflutet wird, – aus mindestens einem Verstärker (9), der mit einem magnetfeldempfindlichen Bauelement (7) elektrisch verbunden ist und von Bauelement (7) angesteuert wird, der den Kompensationsstrom I_K durch eine zugehörige Kompensationsspule (10) treibt, die eine magnetische Durchflutung, die dem Fluss Φ_K des Kompensationszweiges (6) entgegengerichtet ist, erzeugt und die mit Masse über einen Widerstand R (20) verbunden ist, an dem eine der Auslenkung x des Luftspalts (22) proportionale Messspannung U_M(x) abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die endseitigen Stirnflachen (16, 17) der freien Schenkel (25, 26) längs der gegenüberliegenden Mantellinie (29) der Welle (4) angepasst sind, wobei die endseitigen Stirnflächen (16, 17) der freien Schenkel (25, 26) nebenein ander und parallel ausgerichtet zur Achse (13) der Welle (4) angeordnet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem freien Schenkel (25, 26) des Blechpakets (21, 23) mindestens eine Wicklung (18, 19) oder Spule aufgebracht ist, an der bei einer Auslenkung Δx der Welle (4) eine induzierte Spannung U_I(Δx/Δt) abgreifbar ist, wobei Δx/Δt die radiale Auslenkungsgeschwindigkeit der Welle (4) ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die endseitigen Stirnflächen (16, 17) der freien Schenkel (25, 26) gerade ebene Oberflächen (16, 17) sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Blechpakets des Eisenkreises (21) und des variablen Magnetkreises (23) gering ist im Vergleich zu den Durchmessern der Welle (4, 41, 42).
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Verstärker (9) verbundene magnetfeldempfindliche Bauelement (7) ein Hall-Sensor ist.
Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen skalierbaren magnetischen Lagesensor darstellt.