DE2223218A1

DE2223218A1 - Elektromagnetische kraftsteuereinheit fuer eine magnetische radiallagerung

Info

Publication number: DE2223218A1
Application number: DE19722223218
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl-Ing Klimek
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1972-05-12
Filing date: 1972-05-12
Publication date: 1973-11-22

Description

Elektromagnetische Kraft steuereinheit für eine magnetische Radiallagerung Die Erfindung betrifft die elektromagnetische Kraft steuereinheit für eine magnetische Radiallagerung kleinerer bis mittlerer Wellen.
Derartige Lagerungen sind aufgrund ihrer Verschleiß- und Wartungsfreiheit gut geeignet für hohe Drehzahlen auch im Bereich ungünstiger Umgebungseinflüsse (Vakuum). Für eine große Steifigkeit der Lagerung gegenüber Störbeschleunigungen wird eine elektromagnetische Kraftsteuereinheit erforderlich, die bei guter Linearität zwischen erzeugter Kraft und Magneterregung einen weiten Aussteuerbereich aufweist. Außerdem sollte sie Störkräfte kompensieren können, die aus allen Richtungen der Radialebene an der Welle angreifen.
Es ist bekannt, daß ferromagnetische Körper mit Hilfe einer Lageregelung frei schwebend aufgehängt werden können (Zeitschrift: Regelungstechnik 16, 1968, S. 10). Dabei wird die Lage des Körpers gegenüber seinem Gehäuse meßtechnisch erfaßt. Dieses Lagesignal wird geeignet dynamisch verformt, verstärkt und zur Steuerung eines Elektromagneten herangezogen. Dessen Erregung ist so gerichtet, daß eine Lageabweichung von einem vorgegebenen Sollwert durch den Einfluß der elektromagnetischen Kräfte rückgängig gemacht wird. Durch den bekannten nichtlinearen Zusammenhang zwischen Magneterregerstrom und erzeugter Zugkraft ist der Aussteuerbereich beim Einsatz von Elektromagneten in den beschriebenen Lageregelungen begrenzt.
Hierdurch werden die charakteristischen Werkstoffdaten des verwendeten Eisens schlecht ausgenutzt. Hinzu kommt, daß bezüglich des zu lagernden, ferromagnetischen Körpers häufig keine zur Nullage symmetrische Kraftsteuerung möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektromagnetanordnung anzugeben, die für die radiale magnetische Lagerung einer Welle besonders geeignet ist. Neben einer guten Ausnutzung des verwendeten Magneteisens (hohe Induktionen) soll bei ausreichender Linearität ein günstiges Großsignalverhalten erreicht werden. Störkräfte sollen aus allen Richtungen der Radialebene an der magnetisch gelagerten Welle angreifen können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Regelkreise in zwei zueinander senkrechten Richtungen einer Radialebene die Lage der Welle gegenüber dem Lagergehäuse kontrollieren.
Die elektromagnetische Krafterzeugung in jeder der beiden Stabilisierungsrichtungen erfolgt durch eine geometrische Differentialanordnung zweier Elektromagnete bezüglich der zu lagernden Welle.
Beide Magnete sind durch eine konstante Erregung etwa bis zur Hälfte der Sättigungsinduktion des Eisens vormagnetisiert. Ihre Steuerung erfolgt im Gegentakt, so daß die Durchflutung in einem Magneten ansteigt, während sie im anderen Magneten in gleichem Maße abnimmt. Durch diese Anordnung und Steuerung erhält man bezüglich der zu lagernden Welle einen symmetrischen Kraftverlauf, Großsignalaussteuerung bei guter Linearität und einen günstigen Ausnutzungsgrad des verwendeten Magneteisens. Die Magnete werden mit Gleichstrom erregt.
Die Kraftsteuereinheit für zwei senkrechte Wirkungsrichtungen ist so aufgebaut, daß die Magneterregerwicklungen auf ein achtpoliges Statorblechpaket aufgebracht werden, wobei jeweils zwei benachbarte Pole einen U-Magneten darstellen. Die elektromagnetischen Kräfte wirken auf ein zylindrisches Rotorblechpaket, das die eigentliche Welle aufnimmt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Das Statorblechpaket 1 ist in ein Lagergehäuse 2 eingepaßt, wobei die Sitzfläche zur elektrischen Isolierung einzelner Bleche teilweise aus nichtleitendem Material 3 besteht.
Über einen Distanzring 4 wird der Stator mit dem Lagerdeckel 5 gegen das Gehäuse gepreßt. Weiterhin enthält das Lagergehäuse Bohrungen 6 für die tastlosen Wegaufnehmer. Die beiden Lagerringe 7 und 8 im Lagerdeckel und im Lagergehäuse verleihen dem Radiallager Notlaufeigenschaften bei Ausfall der Lageregelkreise. Außerdem verhindern sie die Berührungsmöglichkeit von Stator und Rotor. Das Rotorblechpaket 9 ist auf einer Lagerbuchse 10 montiert, wobei die Sitzfläche 11 zur elektrischen Isolation aus nichtleitendem Material besteht. Die eigentliche Welle 12 wird in der Lagerbuchse befestigt, so daß die Justierung der Einheit Radiallager unabhängig vom Ein- und Ausbau der Welle ist Die Fig. 2 zeigt Stator- und Rotorblechpaket 1 und 9 in einem Schnitt, der in Fig. 1 mit A - A bezeichnet ist. Die einzelnen Magneterregerwicklungen sind so zu schalten, daß sich der eingetragene magnetische Hauptfluß ergibt.
Die Aufbringung der einzelnen Wicklungen auf das achtpolige Statorblechpaket ergibt eine sehr geringe Verkopplung und daher eine gute Orthogonalität beider Kraftwirkungslinien. Das Zusammenwirken von Stator und Rotor ermöglicht eine gute Führung des magnetischen Hauptflusses und damit eine geringe magnetische Streuung. Außerdem läßt sich wegen der hohen mechanischen Festigkeit beider Blechpakete ein relativ geringer Luftspalt sehr betriebssicher verwirklichen. Die Gute Linearität zwischen Magnetsteuerstrom und erzeugter Kompensationskraft gestattet die Messung der Lagerreaktionskräfte unddamit eine recht einfache, meßtechnische Überwachung der Lagerung.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Elektromagnetische Kraftsteuereinheit für die magnetische Radiallagerung einer Welle, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß um die zu lagernde Welle vier Elektromagnete in den orthogonalen Richtungen einer Radialebene angeordnet sind, von denen Jeweils zwei gegenüberliegende Magnete über eine Wicklung im Gegentakt angesteuert werden und über eine zweite Wicklung vormagnetisiert werden.

2. Kraftsteuereinheit nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Wicklungen der vier Magnete auf ein achtpoliges Statorblechpaket aufgebracht werden, wobei jeweils zwei benachbarte Pole einen U-Magneten bilden, dessen elektromagnetische Kraft auf ein zylindrisches Rotorblechpaket wirkt, das innerhalb des Statorblechpaketes beweglich angeordnet ist und das die zu lagernde Welle aufnimmt.

L e e r s e i t e