DE2213513C2

DE2213513C2 - Steuerschaltung für die magnetische Lagerung eines Körpers

Info

Publication number: DE2213513C2
Application number: DE2213513A
Authority: DE
Inventors: Werner 3054 Rodenberg Geweke
Original assignee: PADANA AG ZUG CH
Current assignee: PADANA AG ZUG CH
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1972-03-20
Publication date: 1982-04-29
Also published as: DE2213513A1; JPS5738813B2; US3845996A; JPS496333A; FR2177343A5; GB1428474A

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für die gleichstromgesteuerte magnetische Lagerung eines Körpen bei der von Sensoren Signale jeüefert werden, die von Lageänderungen des Körpers gegenüber seiner Sollage abhängen und über ein mindestens einen Phasenschieber enthaltendes Regelgerät Elektromagneten zugeführt werden, die auf den Körper einwirkende magnetische Kräfte erzeugen.

Eine derartige Steuerschaltung für ein gleichstromgesteuertes magnetisches Lager ist bereits bekannt (GB-PS 12 57 423). Die Ansteuerung der Elektromagnete (Spulen) vom Ausgang des verwendeten Regelgerätes her weist jedoch den Nachteil auf, daß deren

so Widerstand nicht frequenzunabhängig ist, sondern vielmehr mit wachsender Frequenz der von den Sensoren wahr genommenen Änderungen des Körpers gegenüber seiner Soilage (insbesondere bei rotierenden Körpern) und entsprechend bei wachsender Frequenz

£C 7ΙΙΓ AnCtAIIPrHtI(V Hai· Plölrirrtmartneto Ζλίΐ ΕΓΖΞΙϊ"«"'^τ

entsprechender Rückstellkräfte zunimmt Da aber die Rückstellkräfte, die Abhängigkeit der von den Sensoren abgegebenen Signale durch entsprechende Ansteuerung der Elektromagnete erzeugt werden sollen, nur von diesen und den bestimmten Übertragungseigenschaften des Regelgerätes, nicht aber von der Frequenz am Ausgang des Regelgerätes abhängen sollen, konnte man bei den seither bekannt gewordenen Schaltungen nur eine Stromansteuerung verwenden,

d. h. in Abhängigkeit der von den Sensoren abgegebenen Signale mußte entsprechend in den Ausgangskreis des Regelgerätes ein Strom eingeprägt werden, der den Elektromagneten zugeführt wurde. Stromansteuerung

wiederum bedingt hohe Versorgungsspannungen, die ihrerseits gerade bei niedrigeren Frequenzen eine höhere elektrische Verlustleistung, die in thermische Leistung umgesetzt wird, mit sich bringt Spannungsansteuerung ist bei diesen bekannten Anordnungen wegen der erwähnten Frequenzabhängigkeit des Strom-Spannungsverhältnisses und der unterschiedlichen Phasenlage von Strom und Spannung zueinander in Abhängigkeit von der Frequenz nicht möglich.

Die Frequenzabhängigkeit der bekannten Anordnungen macht sich besonders dann störv-id bemerkbar, wenn der gelagerte Körper ein sich drehend*-- Körper, beispielsweise ein mit sehr hohen Drehzahlen ■'·' .ufender magnetisch und daher berührungjfrei ^.lagerter Rotor eine Pumpe ist Dann Hat die ^.ichriebene Frequenzabhängigkeit ferner den ^-i^ued. daß das Regelgerät durch drehzahl-synchrr-..c Signale übersteuert wird, d. h. auf Signale ans·- Lht, die von Unregelmäßigkeiten des Rotors selbst to.:" ndheiten etc.) bewirkt werden, ohne daß sie auf eine Auslenkung der Drehachse des Rotors aus der Sollage zurückgehen und die demgemäß auch nicht zur Erzeugung von <iuf den Körper eingehenden magnetischen Rückstellk-'äften führen sollen. Dies gilt vor allem dann, wenn der Rotor im überlagerkritischen Drehzahlbereich rotiert, d. h. oberhalb der Drehzahl, bei der die Eigenfrequenz des Regelkreises liegt

Die genannten Nachteile treten bei allen bekannten gleichstromgesteuerten magnetischen Lagern auf. Als »gleichstrom-stromgesteuert« bezeichnet man dabei solche Lager, bei denen die Ansteuerung der Elektromagnete nicht durch einen mit der eigentlichen Regelgröße modulierten Wechselstromträger, sondern durch die Regelgröße selbst erfolgt Der verwendete Begriff der »Gleichstromsteuerung« steht nicht im Widerspruch zu der Tatsache, daß die Regelgröße selbst Schwankungen unterworfen ist, die — insbesondere bei sich drehenden Körpern — periodisch sind und daher eine Berücksichtigung der Frequenzabhängigkeit des Ausgangskreises des Regelgerätes erforderlich machen.

Bei Arbeiten mit Stromansteuerung bei gleichstromgesteuerten magnetischen Lagern, d, h. mit eingeprägtem in Abhängigkeit von der Regelgröße geregeltem Strom bei Ansteuerung der Eiektromagnete, tritt ferner neben dem aufgezeigten Nachteil der Notwendigkeit einer höheren Versorgungsspannung noch der Nachteil auf, daß die an und für sich im Gegensatz zur Spannungsansteuerung mögliche Umkehr der Wirkungsrichtung einen hohen apparativen Aufwand verursacht. Scheut man diesen und arbeitet man mit einer elektrischen Vormagnetisierung, so wird hierdurch ein hohe/ Leistungsaufwand bedingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art so weiter ca. biidcii. uaS ein geringerer Leistungsbedari und eine geringere Versorgungsspannung erforderlich ist. und daß die in thermische Leistung umgesetzte Verlustleistung möglichst gering ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art gelöst, bei der erfindungsgemaß den in einer Richtung auf den Körper einwirkenden Elektromagneten Signale vom Ausgang des Regelgerätes sowohl über eine Kapazität als auch über eine Induktivität oder einen Ohmschen Widerstand oder eine Parallelschaltung beider zugeführt werden.

Die Zuführung der Signale zu den Elektromagneten über eine Kapazität bewirk':, daß die Frequenzabhängigkeit des Spannungs/Stromverhältnisses im Ausgangskreis des Regeigerates und die dadurch notwendige höhere Versorgungsspannung für die Elekti omagnete kompensiert wird. Die gleichzeitige Zuführung der Signale über eine weitere Induktivität oder einen Ohm'schen Widerstand sorgt dafür, daß bei niedriger Frequenz die Kapazität nicht überwiegend den Widerstand im Ausgangskreis des Regelgerätes bestimmt. Man erhält also durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Zuführung der Signale einmal über eine Kapazität zum anderen über eine Induktivität oder über einen Ohm'schen Widerstand oder eine Parallelschaltung beider sowohl einen Zuführungspfad für die Zuführung der niederfrequenten Signale, als auch einen Zuführungspfad für eine Blindleistung in den Elektromagneten kompensierende Zuführung höher frequenter Signale, ist jeweils in einer Kraftrichtung nur e ί Elektromagnet vorgesehen, so wird die Erfindung dadurch verwirklicht, daß mit diesem Elektromagnet ein komplexer Widerstand in Reihe geschaltet ist der aus der Parallelschaltung einer Kapazität >\<i einer Induktivität oder einem Ohm'schen Widerstand g:bildet wird. Sind jedoch zwei in einer Kraftrichtung wirkende Eiektromagnete vorgesehen, so können z. B. dem einen Elektromagneten die Signale über einen Ohm'schen Widerstand, dem anderen über die Kapazität zugeführt werden, so daß sich die Widerstände, die mit beiden Elektromagneten (die in einer Kraftrichtung wirken) jeweils in Reihe geschaltet sind, sich als Komponenten eines aus einer Kapazität und der Paialleischaliung einer Induktivität oder eines Ohm'schen Widerstandes gebildeten komplexen Widerstandes darstellen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung der eingangs dargestellten Aufgaben werden die Nachteile der seither bekannten Anordnungen vermieden. Es wird insbesondere infolge der gewonnenen Frequenzunabhängigkeit im interessierenden Regelbereich eine Spannungsansteüerung der Eiektromagnete möglich, die gegenüber den seither notwendigen Stromanst>uerungen eine erhebliche Leistungseinsparung mit sich bringt Da zur Zeit für Schaltungen, wie sie zur Spannungsansteuerung erforderlich sind, integrierte Schallungen zur Verfugung stehen, dasselbe iedoch für Schaltungen wie säe zur Stromansteuerung erforderlich sind, nicht der Fall ist, läßt sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung die Regelung auch in erheblich vereinfachter Weise hinsichtlich des Schaltungsaufwandes realisieren, als das seither bei den bekannten gleichstromgesteuerten magnetischen Lagern durchführbar war.

Die gewonnene Frequenzunabhängigkeit des Ausgangskreises des Regelgerätes vermeidet den eingangs erwählten Nachteil der Beeinflussung des Regelsystems durch drehzahlsynchrone Signale, vor allem im überlagerkritischen Drthzahlbereich und eine daraus gegebenenfalls resultierende Übersteuerung.

Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich auch zur Ansteuerung von rotationssymetrischen Feldverdrängungsspulen unter Verwendung von Ringwicklungen. Sie ermöglicht es, unter Ausnutzung der angegebenen Vorteile und Überwindung der beschriebenen Nachteile bekannter Schaltungen in jeder Kraftricbtung zwei Eiektromagnete vorzusehen und diese über verschiedene Komponenten des durch eine Kapazität einerseits und eine Induktivität und/oder einen Ohm'schen Widerstand gebildeten komplexen Widerstandes andererseits anzusteuern.

Es ist ferner möglich, die Reihenschaltung von zwei Elektromagneten die in dem magnetischen Lager

symmetrisch zu dem zu lagernden Körper angeordnet sind, zu einer »Einheit« zusammenzufassen und hintereinander geschaltet anzusteuern. Es ergibt sich dann bei Lagerebenen, die zwei mal zwei Elektromagnete aufweisen, eine Anordnung wie bei einer Drehfeldspule, die zur magnetischen Lagerung rotierender Körper besonders vorteilhaft ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele darstellen, beschrieben. Es beudetet

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Γ j s. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig.3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

F i g. 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung:

F i g. 5 die Darstellung einer »voüw-magnetischen Lagerebene unter Verwendung von zwei Anordnungen nach Fig. 1;

F i g. 6 eine schematische Darstellung einer Lagerebene für einen rotierenden Körper unter Verwendung von zwei Anordnungen nach F i g. 2;

F i g. 7 eine schematische Darstellung einer magnetischen Lagerebene für einen rotierenden Körper, die einer Kombination der in Fig.3 und Fig.4 gezeigten Anordnungen entspricht;

Fig.8 eine weitere Darstellung einer magnetischen Lagerebene gemäß der Erfindung;

F i g. 9 eine Darstellung der in den F i g. 1 bis 8 verwendeten komplexen Widerstände;

Fig. 10 eine weitere schematische Darstellung einer magnetischen Lagerebene für einen rotierenden Körper (ähnlich wie Fig.7), die die Kurven C in Fig. 12. 53 ergibt:

F i g. J1 eine schematische. lediglich der Erläuterung dienende Darstellung einer magnetischen Lagerebene, die die Kurven Dm Fig. 12.13 ergibt:

F ι g. 12 und 13 Diagramme, die für verschiedene Ansteuerungen der bei dem magnetischen Lager gemäß der Erfindung verwendeten Elektromagnete den Kurvenverlauf der Kraft- und der Phasenvor- bzw. -nacheilung in Abhängigkeit von der Frequenz wiedergeben.

In F i g. 1 ist der einfachste Fall einer Anwendung der Erfindung auf ein gleichstromgesteuertes magnetisches Lager gezeigt. Die Bedeutung der ->GIeichstromansteuerung« wurde bereits eingangs erläutert Das Lager dient /ur Lagerung eines Körpers 1. Er wird durch einen Elektromagnet und die von diesen, wenn er stromdurchflossen ist. auf ihn ausgeübte Kraft in einer gestimmten Lage gehalten. Diese f-age wird von dem sensor 3 »abgetastet«. Der Sensor 3 stellt Veränderungen des Körpers 1 gegenüber seiner Sollage fest und gibt entsprechende Ausgangssignale an das Regelgerät 4 ab. das in Abhängigkeit von diesen Ausgangssignalen den Strom in dem Elektromagnet steuert Insoweit ist das dargestellte gleichstromgesteuerte magnetische Lager bekannt (vgl. oben). Als Elektromagnete werden dabei Spulen verwendet Die im folgenden gegebene Darstellung der Ausführungsbeispiele verwendet durchweg Spulen.

Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt ein Lager in der Richtung, in der die von der Spule 2 ausgehende Kraft auf den Körper 1 einwirkt In den F i g. 2,3,6,7,8,10,1 ί werden magnetische Lager gezeigt, die zur Lagerung rotierender Körper dienen. Wie aus den prinzipiellen Darstellungen nach Fig, 1,4 und 5 jedoch zu ersehen,ist die Erfindung nicht auf die Lagerung rotierender Körper beschränkt, sondern kann generell zur magnetischen Lagerung von Körpern in einer oder mehreren Ebenen Verwendung finden.

Erfindungsgemäß ist nun mit der Spule 2 ein komplexer Widerstand 5 in Reihe geschaltet, der, wie aus Fig.9 ersichtlich, durch eine Kapazität 6 gebildet wird, der — im Aüsführungsbeispiel nach Fig.9 — ein

Ohm'scher Widerstand 7 und eine Induktivität (Spule) 8 parallel geschaltet sind.

Dieser komplexe Widerstand hat die Aufgabe, in noch weiter unten näher zu erläuternder Weise die Frequenzabhängigkeit des durch die Spule 2 fließenden und die auf den Körper 1 ausgeübte Kiaft bestimmenden Stromes im Ausgangskreis des Regelgerätes 4 bei vorgegebener Spannung und die Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen dem Strom in der Spule 2 und der Spannung vom Ausgang des Regelgerätes zu kompensieren.

Die Kapazität wird dabei bei niederen Frequenzen entweder durch den Ohm'sches Widerstand 7 oder durch die Induktivität 8 oder durch eine Parallelschaltung beider überbrückt, so daß im Ergebnis die hochfrequenten Ausgangssignale des Regelgerätes 4 über die Kapazität 6. die niederfrequenten Ausgangssignale des Regelgerätes 4 über die der Kapazität 6 parallel ges-- 'leiteten Schaltelemente, also im Ausführungsbeispiel nach Fig.9 über die Induktivität 8 und den Ohm'schen Widerstand 7 zugeführt werden.

Der komplexe Widerstand 5, wie ^p.r beim Ausführungsbeispiel 1 mit der Spule 2 in Reihe geschaltet ist kann in Abweichung von F: g. 9 auch dadurch gebildet werden, daß der Kapazität lediglich eine Induktivität oder lediglich ein Ohm'scher Widerstand parallel geschaltet werden.

Die in den F i g. 2 gezeigten komplexen Widerstände 9 und 10, der in F i g. 3 gezeigte komplexe Widerstand 11. die in der F i g. 5 gezeigten komplexen Widerstände 12 und 13. die in Fig.6 gezeigten komplexen Widerstände 14 und 15 sowie die in F i g. 8 gezeigten komplexen Widerstände 16 und 17 sind ebenso ausgebildet und unterliegen denselben Abwandlungsmöglichkeiten, wie das soeben unter Bezugnahme auf F i g. 1 und 9 beschrieben wurde.

In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt in dem ein Körper 1 durch das magnetische Lager in der durch strichpunktierte Linie 18 an_t edeuteten horizontalen Ebene gelagert werden

so soll (die Lagerung in vertikaler Richtung, also in senkrecht zur Linie 18 verlaufender Richtung erfolg' durch weitere, im vorliegenden Zusammenhang nicht interessierende Mittel, vgL aber DE-OS 17 50 602). Es sind hier zwei Spuien 19 und 20 vorgesehen. Es ist ferner, wie in Fi g. 1, ein Sensor 3 vorgesehen, der die Abweichungen des Körpers 1 von seiner Sollage mißt und über ein Regelgerät 4 entsprechende Steuersignale an die beiden Spulen 19 und 20 gibt Beide Spulen 19 und 20 sind mit komplexen Widerständen 9 und 10 in Reihe geschaltet deren Aufbau derselbe ist wie derjenige des komplexen Widerstandes 5, der bereits im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben wurde. Auf den Körper 1 wirken dann Differenzkräfte, die sich aus der Differenz der von den Spulen 19 und 20 ausgeübten Kiäfte ergeben. Man erhält auf diese Weise einen symmetrischen Aufbau.

In F i g. 3 ist eine Anordnung gezeigt, die sich von der Anordnung nach Fig.2 dadurch unterscheidet daß die

beiden Spulen 21 und 22 miteinander in Reihe und zusammen mit dem Komplexen Widerstand 11 in Reihe geschaltet sind. Im Hinblick auf die entgegengesetzte Wirkungsrichtung der von den beiden? Spulen 21 und 22 bei Durchfluß von Strom ausgeübten Kräfte ist diese Schaltung dann anwendbar, wenn eine Vormagnetisierung durch Nullstroni nicht vorgenommen wird, nine solche, <v haltungsmäßig sehr einfache Hintereinanderschaltung; beider Spulen in Richtung der Linie 18 ist nur dann möglich, wenn eint· Vormagnetisierung durch Nullstrom nicht staltfindet. Dies aber wiederum ■ ^rmö'glicht eine Spunnungsansteuerung. wie sie durch de im Regelbereich gegebene Frequenzunabhängigkeit des Spannungs/Strom-Verhältnisses gem.iß der Erfindung gewährleistet wird

In Abweichung von F i g. 3 kann man auch die beiden Spulen 21 und 22 parailei schalten und diese beiden parallel geschalteten Spulen mit einem komplexen Widerstand 11 hintereinander schalten und, wie in F i g. 3. nur einem Ausgang des Regelgerätes 4 zuordnen.

In der Anordnung nach Fig. 4 sind zwei Spulen 23 und 24 vorgesehen, die beide in der strichpunktieri angedeuteten Richtung auf den Körper 1 einwirken. Dabei ist die Spule 23 mit einem Schaltelement 25. die Spule 24 mit einem Schaltelement 26 in Reihe geschaltet. Eines der Schaltelemente 25 bzw. 26 stellt eine Kapazität, das andere eine Induktivität, einer. Ohm'schen Widerstand oder eine Parallelschaltung einer Induktivität mit einem Ohm'schen Widerstand dar. Auf uie'.e Weise wird sichergestellt, daß bei niedrigen Frequenzen diejenige Spule der Spulen 23 bzw. 24 wirksam wird, die mit einem Ohm'schen Widerstand oder einer Parallschaltung aus einem Ohm'schen Widerstand und aus einer Induktivität in Reihe κ geschaltet ist, bei höheren Frequenzen dagegen diejenige der beiden Spulen 23 bzw. 24 wirksam wird, die mit einer Kapazität in Reihe geschaltet wird. Die beiden Schaltelemente 25 und 26 enthalten zusammen die gleichen Komponenten wie der komplexe Widerstand, der in Fig.9 dargestellt ist und dort aus der Kapazität 6, dem Ohm'schen Widerstand 7 und der Induktivität 8 gebildet wird. Der Unterschied besteht darin, daß die Komponenten des komplexen Widerstandes, der in Fi g. 9 dargestellt ist. auf zwei verschiedene Reihenschaltungen mit zwei Spulen 23 und 24 und entsprechend zwei Zuführungspfade vom Regelgerät 4 her aufgespalten werden. Man trennt also hier die »Funktionen« der Spulen; der eine Teil wirkt überwiegend nur bei Gleichstrom und niedrigerer Frequenz, der andere überwiegend bei höheren Frequenzen. Dadurch ist eine erhebliche Vereinfachung des Aufwandes gegeben.

Bei der Anordnung nach Fig.5 wirken zwei magnetische Lager, wie sie je einzeln im Zusammenhang mit F i g. 1 dargestellt worden sind, in verschiedenen Richtungen auf einen Körper. Das erste Lager besteht aus dem Sensor 3, dem Regelgerät 4. dem komplexen Widerstand 12 und der Spule 27. das zweite Lager aus dem Sensor 3', dem Regelgerät 4'. dem komplexen Widerstand 13 und der Spule 27'. Das Ausführungsbeispiel nach Fig.5 zeigt, wie man dadurch, daß man mehrere magnetische Lager nach der Erfindung in verschiedenen Richtungen auf einen Körper einwirken lassen kann. »voll«-magnetische Lagerebenen herstellen kann.

Die Anordnung nach F i g. 6 zeigt ein weiteres, in der Praxis sehr bedeutsames Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein roiiercuder Körper I wird hier in horizontaler Richtung (zur Lagerung in vertikaler Richtung vgl. /. Ii. DTOS 17 50 602) durch du "'pulen 28, 29, 30, i\ gehalten. Die Veränderungen des rotierenden Korpers von seiner Sollage (d, h. von der Solliige seiner Drehachse 18) wird von den Sensoren 3 und 3' festgestellt, die entsprechende Ausgangssignale an die Regelgerale 4 und 4' geben. Der Ausgang des Regelgeriües4 steuert über den komplexen Widerstand

14 die beiden hintereinander geschalteten Spuicn 28 und 30. das Rcgcigrrat 4' über den komplexen Widerstand

15 die beiden iniuereinanuer geschalteten Spulen 29 und 31 an. Die komplexen Widerstände 14 und 15 sind so aufgebaut, wie das im Zusammenhang mit der Beschreibung der Anordnung nach Fig. 1 dargelegt worden ist. Ks handelt sich bei der Anordnung nach Fig.6 im Prinzip um zwei Anordnungen, wie sie je einzeln im Zusammenhang mit F i g. 3 erläutert worden sind.

Die Anordnung nach Fig. 7 entsteht durch eine Kombination der beiden Anordnungen nach den F i g. i Und 4. Die magnetische Lagerung des um die Drehachse 18 rotierenden Körpers 1 erfolgt durch acht, in vier Paaren zu je zwei angeordnete Spulen 32,33,34,35,36, 37,38, 39. Die Spulenpaare 32 und 33,34 und 35, 36 und 37, 38 und 39 wirken jeweils in einer Richtung. Jeweils zwei Spulenpaare liegen einander gegenüber. Jeweils zwei gegenii¹ icgende Spulen, die jeweils /u einem Spulenpaar f?_ oren. sind mit einem Schaltelement in Reihe pest hat·· · Odbei stellen die Schaltelemente in dergleichen «.- ,..· ^omuonenten eines eine Kapazität aufweisenden Komplexen Widerstandes dar. wie d;is bereits im Zusammenhang mit der Anordnung nach Fig.4 erljutcii worden ist. So ist die Reihenschaltung der beiden Speien 37 und 32 mit einer Kapazität 40. die Reihenschallung der Spulen 36 und 33 entweder mti einem Ohm'schen Widerstand 41 oder aber mit einer Parallelschaltung eines Ohm'schen Widerstandes und einer Induktivität in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der beiden Spulen 35 und 39 ist in Reihe geschaltet mit einer Kapazität 42. die Reihenschaltung der beiden Spulen 34 und 38 ist in Reihe mit einem Ohm'schen Widerstand 43 oder mit einer Parallelschaltung eines Ohm'schen Widerstandes und einer Induktivität geschaltet. Die Wirkungsweise von je zwei Spulenpaaren entspricht der der beiden einzelnen Spulen 21 und 22 in F i g. 3, die Wirkungen der beiden zu einem Spulenpaar gehörenden Spulen 32 und 33 der des Spulenpaares 23 und 24 nach F i g. 4. Die beiden Spulenpaare 32 und 33, 36 und 37 liegen am Ausgang des Regelgerätes 4, die be'den Spulenpaare 34 und 35, 38 und 39 am Ausgang des Regelgerätes 4'.

Die Anordnung nach Fig.8 gleicht hinsichtlich der Anordnung der Spulen der Anordnung nach Fig.6, jedoch sind die Spulen nicht, wie in Fig.6, hintereinander, sondern parallel geschaltet Die Pralleischaltung der beiden Spulen 44 und 45 ist der komplexe Widerstand 16, der Parallelschaltung der beiden Spulen 46 und 47 der komplexe Widerstand 17 in Reine geschaltet. Dje Parallelschaltung der Spulen 44 und 45, die zusammen in Reihe mit dem komplexen Widerstand 16 geschaltet sind, liegt am Ausgang des Regelgerätes 4. das von dem Sensor 3 gesteuert wird, die Parallelschaltung der Spulen 46 und 47. hintereinandergeschaltet mit dem komplexen Widerstand 17, liegt am Ausgang des Regeigerätes4', das wm Sensor 3' angesteuert wird.

Im folgenden vird anhand der in den Fig. 12 und 13 dargestellten Kurven, die für die in den Fi g. 10 und 1!

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dargestellten Schaltungen gemessen b/<-:. errechnet wurden, die Wirkungsweise der ErfiiiJnng- orläiiicrl:

Fig. 12 zeigt in doppeltlogariihmincher Darstellung die Frequenzabhängigkeit der maximal er/ielbarcn Kraft, die von einer Spule auf den Körper 1 ausgeübt wird bei einem magnetischen Lager mit vorgegebenen Parametern (Vtirsorgtingsspnnnting, riektromagnct, Eckfre'qucnz). Fig. i3 zeigt den Phasengang zwischen Kraft und Ausgangssignal des Regelgerätes in Abhängigkeit von der Frequenz in eilfachlogarithmischer Darstellung.

Der einfachste und ideale Fall der Stromansteuerung, wie er bei den bekannten Anordnungen Verwendung findet.ist in Fig. 12 und 13 durch die Kurve Λ angezeigt. Dabei wird definilionsgemäß ein konstanter Strom eingeprägt. Zwischen Kraft und Strom tritt keine Phasenverschiebung auf.

Die Kurven Π in Fig. 12 und 13 zeigen die Frequen/abhängigkeit von Kraft vnd Phasenverschiebung bei der Spannungsansteuerung der Spule ohne Maßnahmen gemäß der Erfindung, d. h. wie sich eine Spannungsansteuerung bei den bekannten gleichstromgesteuerten magnetischen Lafrn auswirken würde, wenn man die eingangs geschilderten Nachteile der Stromansteuerung vermeiden, eine Spnnnungsansteuerung aber ohne die Maßnahmen gemäß der Erfindung vornehmen wolile Es handelt sich also um die Spannungsansteuerurif? einer reinen Spule. Wie zu erwarten, nimmt die Kraft, die dem Strom in der Spule proportional ist. mit wachsender Frequenz ab (vgl. Fig. 12). Mit wachsender Frequenz gibt sich auch eine PhasennachcilungfFig. 13).

Die Kurve Din F i g 12 und 13 zeigt die Abhängigkeit von Kraft und Phasenverschiebung für eine Schaltung nach Fi g. 11. Ein solches Lager kanc als Mitteilager an einem biegeweichen gestreckten Rotor zur Erzeugung von Dampfkräften in einen? bestimmten Frequenzbereich Verwendung finden. Hier werden die Spulen 48, 49, 50, 51. wobei die Spulen 48 und 50 bzw. 49 und 51 feinte·.-'nander geschaltet sind, über mit den hintereinander geschalteten Spulenpaaren ebenfalls in Reihe geschaltete Kapazitäten 52 und 53 im Wege der Spannungsansteuerung angesteuert Es ergibt sich dabei das typische Verhalten eines Reihenschwingkreises. d. h. der Kraftverlauf ha» bei einer bestimmten Frequenz, die in F i g. 12 zwischen 50 und 100 Hz liegt, ein Maximum. Beiderseits des Maximums fällt, sowohl zu niedrigeren Frequenzen, als auch -'.u höheren Frequenzen hin die Kraft ab. Im Bereich gegenüber dieser Frequenz niedrigerer Frequenzen ergibt sich eine zu niedrigeren Frequenzen hin zunehmende Phasenvoreilung, im Bereich höherer Frequenzen eine zu höheren Frcq/enzen hin zunehmende Phasennachcilung(F i g. 13). Die Kurve C schließlich zeigt das Verhalten einer Schaltung gem. Fig. 10, die ein in der Praxis sehr bedeutsames Ausfflhrungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die Schaltung nach Fig. 10 entspricht im wesentlichen derjenigen, die im Zusammenhang mit Fig.7 beschrieben wurde. Der Unterschied zu der

Schaltung in Fig.7 besteht darin, daß je zwei gegenüberliegende Spulenpaare von beiden Seiten her über Verstärker 54 und 55 bzw 54' und 55' angesteuert werden und daß eine rotationssymmetrische Feldverdrängungsspule Anwendung findet Die Spulen 32 um!

37 sind hintereinander und ferner mit dem Ohm'schen Widerstand 56 hintereinander geschaltet Die Spulen 33 und 36 sind parallel geschaltet, die durch sie gebildete Parallelschaltung mit der Kapazität 59 in Reihe geschaltet. Es ergibt sich damit, daß jeweils einem der Spulenpaare 32 und 33, 34 und 35, 36 und 37, 38 tin-' 39 die Ausgangssignale des Regeigerates einmal über eine Kapazität, zum anderen über einen Ohm'schen Widerstand zugeführt werden, also über Schaltelement, dxsich als Komponenten eines aus Ohm'schen Widerstand und Kapazität gebildeten komplexen Widerstandes darstellen. Mit der Schaltung nach Fig. 10 wurden di<Kurven Cin F i g. 12 und 13 gemessen. Es ergibt sich hier (vgl. Fig. 12) eine in einem sehr weiten Bereich konstante Kraft. Sie fällt dann (bei einer Frequenz, die höher ist als die Resonanzfrequenz des durch Kapazität und Induktivität der Spule gebildeten Reihenschwing kreises) ab. In dem so begrenzten Bereich weist die Kurve C jedoch einen Verlauf auf der demjenigen deKurve A weitgehend angenähert, d.h. weitgehend frequenzunabhängig ist Dasselbe gilt, wie a^s FIg ' i ersichtlich, für die Phasenverschiebung. Auch hier ist bei der durch die Erfindung ermöglichten Spannungsansteuerung ein Verhalten zu erzielen, wie es weitgehend dem der seither bekannten, aber schaltungsmäßig viel aufwendigeren und leistungsmäßig ungür stigeren Stromansteuerung entspricht

Die charakteristische Frequenz (Eckfrequenz) der Schaltung nach Fig. 10 kann durch eine entsprechende Dimensioniening der Schaltelemente bestimmt werden.

Oberhalb der Frequenz, für die sich das Maximum der Kurve C in Fig. 12 ergibt, erfolgt mit wachsender Frequenz ein zunehmender Abbau der drehzahlsynchronen Regelkräfte. Dieser Abbau, der mit der Spannungsanstetierung möglich wird, stellt einen

so erheblichen Vorteil der Erfindung dar.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerschaltung für die gleichstromgesteuerte magnetische Lagerung eines Körpers, bei der von Sensoren (3) Signale geliefert werden, die von Lageänderungen des Körpers (1) gegenüber seiner Soüage abhängen und über ein mindestens einen Phasenschieber enthaltendes Regelgerät (4, 4') Elektromagneten (2, 23, 24) zugeführt werden, die auf den Körper (1) einwirkende magnetische Kräfte erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß den in einer Richtung auf den Körper (I) einwirkenden Elektromagneten (2, 23, 24) die Signale vom Ausgang des Regelgerätes (4, 4') sowohl über eine Kapazität (5,6; 25,6) als auch über eine Induktivität (5, 8, 26, 8) oder einen Ohmschen Widerstand (5, 7; 26, 7) oder eine Parallelschaltung beider zugeführt werden.

2. Steuerschaltung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagneten (2) mit einem komplexen Widerstand (5), der eine Kapazität (6) aufweist, in Reihe geschaltet sind (F i g. I, F i g. 2).

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektromagnete (21, 22), die auf den zu lagernden Körper (1) in entgegengesetzter Kraftrichtung einwirken, mit einem komplexen Widerstand (Hj, der eine Kapazität (6) aufweist, in Reihe geschaltet sind (F i g. 3).

4. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektromagnete (23, 24), die auf den zu regelnden Körper (1) in der selben Richtung einwirken, vorgesehen sind und mit dem ersten Elektromagnet (23/ eine Kapazität (26,6), mit dem zweiten Elektromagnet _s24) ein Ohmscher Widerstand oder eine Induktivität (Z6,7,8) in Reihe geschaltet ist

5. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektromagnete (27, 27') vorgesehen sind, die jeweils mit einem komplexen Widerstand (13) in Reihe geschaltet sind (F i g. 5).

6. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von in entgegengesetzter Richtung auf den zu regelnden Körper (1) einwirkenden Elektromagneten (2S, 30; 29, 31} vorgesehen sind, und jedes Paar von Elektromagneten (28,30; 29,31) mit einem komplexen Widerstand (15,14) in Reihe geschaltet ist (F i g. 6).

7. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vier Paare von Elektromagneten (32, 33: 34, 35; 36, 37: 33, 39) vorgesehen sind, wobei jeweils die ein Paar bildenden beiden Elektromagnete in derselben Richtung auf den zu regelnden Körper (1) einwirken und jeweils zwei Paare von Elektromagneten einander in bezug auf den 711 rpcrplndpn Körner (I) vpapniihcrlipapnri angeordnet sind und auf den zu regelnden Körper(l) in entgegengesetzter Richtung einwirken, und jeweils ein zu einem Paar gehörender Elektromagnet (33, 34,36,38) mit dem jeweils in bezug auf den zu regelnden Körper (1) gegenüberliegenden Elektromagnet und einer Kapazität (41), der andere zu einem Paar gehörende Elektromagnet (32,35,37,39) mit dem anderen des gegenüberliegenden Paares von Elektromagneten und einem Ohmschen Widerstand oder einer Induktivität (40) in Reihe geschaltet ist (F ig. 7).

8. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in bezug auf einen zu regelnden Körper (1) gegenüberliegend angeordnete Elektromagnete (44,45; 46,47) parallefgeschaltet und die Parallelschaltung beider mit einem komplexen Widerstand (16, 17) in Reihe geschaltet ist (F ig. 8).

9. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in bezug auf den zu regelnden Körper (1) einander gegenüberliegend zwei Paare von Elektromagneten (32, 33; 3b, 37) vorgesehen sind und ein Elektromagnet (32) eines Paares (32, 33) mit einem Elektromagnet (37) des gegenüberliegenden Paares (36, 37) in Reihe geschaltet, der andere Elektromagnet (33) eines Paares (32,33) mit dem anderen Elektromagnet (36) eines Paares (36, 37) parallelgeschaltet ist und eine Gruppe von zwei zusammengeschalteten, gegenüberliegenden Elektromagneten (32,37) in Reihe mit einem ersten Schaltelement (56), die zweite Cruppe von einander gegenüberliegenden Elektromagneten (33, 36) in Reihe mit einem zweiten Schaltelement (57) geschaltet ist, wobei eines der beiden Schaltelemente (57) durch eine Kapazität, das andere der beiden Schaltelemente durch einen Ohmschen Widerstand (56), durch eine Induktivität oder eine Parallschaltung beider gebildet ist (F i g. 9).

10. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eiektromagnete durch eine Spannung angesteuert werden, die von den von den Sensoren (3) abgegebenen Signale abhängig ist.