DE2263096B2

DE2263096B2 - Control circuit of a magnetic bearing of a rotor with two magnetic bearings

Info

Publication number: DE2263096B2
Application number: DE2263096A
Authority: DE
Inventors: Ivan Rueil Malmaison Auber; Helmut Habermann; Pierre Joly; Roger Loyen
Original assignee: Europeenne De Propulsion Sa Puteaux Hauts-De-Seine (frankreich) Ste
Current assignee: Europeenne De Propulsion Sa Puteaux Hauts-De-Seine (frankreich) Ste
Priority date: 1972-12-22
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1979-04-05
Also published as: DE2263096A1; DE2263096C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung einer magnetischen Lagerung eines Rotors mit zwei magnetischen Lagern, in denen der Rotor drehbar längs einer beiden Lagern gemeinsamen Achse ausgerichtet gelagert ist, entsprechend der Gattung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angewiesenen Art.The invention relates to a control circuit of a magnetic bearing of a rotor with two magnetic bearings in which the rotor is rotatable along a both bearings common axis is mounted aligned, according to the generic type in the preamble of claim 1 instructed Art.

Ein Gerätetyp, für den die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet ist ist ein Gyroskop, das bei Fernmeldesatelliten verwandt werden kann. Sie kann jedoch auch bei anderen Anlagen, und insbesondere dann verwandt werden, wenn ein Präzision der Funktion, eine Freiheit von Reibungseinflüssen und eine Rotation mit hoher Drehzahl erforderlich sind, beispielsweise bei Turbo-Molekurlarpumpen und bei Ultrazentrifugen zur Isotpentrennung.One type of device for which the device according to the invention is particularly suitable is a gyroscope, which can be used in communications satellites. However, it can also be used with other systems, and especially when the precision of the Function, a freedom from frictional influences and a rotation at high speed are required, for example in turbo molecular pumps and at Ultracentrifuges for isotropic separation.

Die bekannten Magnetlager haben jedoch einige sieHowever, some of the known magnetic bearings have them

begleitende Nachteile gezeigt Wenn die Rotationsgeschwindigkeit und das Gewicht des Rotationskörpers relativ geringe Werte übersteigen, bildet der Rotationskörper ein Gyroskop. Dann kann der Rotationskörper Präzessions- und/oder Nutationsbewegungen entwikkein. Die Amplitude solcher Bewegungen kann so groß sein, daß «in positiver Kontakt zwischen den rotierenden Teilen und den stationären Teilen der Magnetlager die Folge ist, was zu einem schnellen Verschleiß und dem Bruch der Lager führtaccompanying disadvantages shown when the speed of rotation and weight of the rotating body If the values exceed relatively small values, the rotating body forms a gyroscope. Then the body of revolution can Precession and / or nutation movements do not develop. The amplitude of such movements can be so great be that «in positive contact between the rotating parts and the stationary parts of the magnetic bearings the consequence is what leads to rapid wear and tear the rupture of the bearings

Die Regelkreise der bekannten »aktiven« Magnetlager haben bei der Lösung dieses Problems versagt Die meisten der bekannten Regelkreise liefern eine individuelle Rückkopplung: bei jedem Lager erfaßt eine Anzahl von Detektoren eine Verlagerung der Achse des Rotationskörpers in einer bestimmten radialen Richtung und erregt entsprechende Spulen desselben Lagers, um eine zentralisierende Kraft auszuüben, wobei ein Phasenschieber mit geeignetem Frequenzbereich vorgesehen ist oder jeder Detektor eine Spule steuert, die eine Winkelversetzung von Detektor aufweist um die Stabilität zurückzugewinnen. Tatsächlich treten jedoch deswegen Probleme auf, weil eine große Phasenverschiebung bei hohen Drehzahlen notwendig ist, und die Frequenz der zu hemmenden Nutationsbewegung beträchtlich ansteigt, wenn die Geschwindigkeit von Null auf den Betriebswert steigtThe control loops of the well-known "active" magnetic bearings have failed to solve this problem Most of the known control loops provide an individual feedback: for each bearing one records Number of detectors a displacement of the axis of the rotating body in a certain radial direction and energizes the same corresponding coils Bearing to exert a centralizing force, a phase shifter with a suitable frequency range being provided or each detector a coil controls which has an angular displacement from detector to regain stability. In fact, however, problems arise because a large phase shift at high speeds is necessary, and the frequency of the to be inhibited Nutation motion increases considerably as the speed increases from zero to the operating value

Aus der DE-OS 17 50 602 ist eine Magnetlagerung bekannt bei der der Rotor durch einen Tragmagneten, der ein gleichbleibendes Magnetfeld mit einer veriikalen Komponente erzeugt in einer in vertikaler Richtung stabilen Lage gehalten wird. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind induktive Detektoren 5 vorgesehen, die eine seitliche Versetzung der Enden der Rotorwelle erfassen und Ausgangssignale erzeugen, die jeweils über einen Verstärker und einen Phasenschieber die zugehörigen Elektromagneten der beiden Lager steuern. Durch diese Steuerung soll eine Korrektur bzw. Kompensation einer möglicherweise auftretenden Abweichung der Achse des Rotors von der Normallage erfolgen. Dabei ist für jeden Magneten der Lagerung eine unabhängiger Steuerkreis mit einem derartigen Aufbau vorgesehen. Bei dieser Schaltung ist es jedoch nicht möglich zu unterscheiden, ob die durch den Detektor erfaßte Abweichung der Rotorachse von der Normallage von einer Schwenkbewegung, d. h. von einer Parallelschwingung der Rotorachse zur Normallage oder von einer Drehbewegung durch eine senkrecht zur Normallage der Rotorachse und durch den Schwerpunkt des Rotors führenden Achse, die als Pendelbewegung bezeichnet wird, herrührt In beiden Fällen erfaßt der Detektor dieselbe Abweichung, die über den Verstärker und den Phasenschieber zum Anlegen desselben Korrektursignals führt gleichgültig, ob es sich bei der zu korregierenden Bewegung um eine Schwingbewegung « oder Pendelbewegung handelt Die Steuerfunktion, nach der die Steuerung erfolgt und somit die Beziehung der Abweichung der Rotorachse von der Normallage zu der angelegten Kraft zur Kompensation dieser Abweichung ist bei beiden obengenannten Bewegungsarten die gleiche.From DE-OS 17 50 602 a magnetic bearing is known in which the rotor is supported by a magnet that generates a constant magnetic field with a vertical component in a vertical direction stable position is kept. In this known device inductive detectors 5 are provided, which detect a lateral displacement of the ends of the rotor shaft and generate output signals, each over an amplifier and a phase shifter control the associated electromagnets of the two bearings. By this control is intended to correct or compensate for any deviation that may occur Axis of the rotor take place from the normal position. For each magnet the bearing is independent Control circuit provided with such a structure. With this circuit, however, it is not possible to distinguish whether the deviation of the rotor axis from the normal position detected by the detector a pivoting movement, d. H. from a parallel oscillation of the rotor axis to the normal position or from a Rotary movement through a perpendicular to the normal position of the rotor axis and through the center of gravity of the rotor leading axis, which is referred to as the pendulum motion, originates in both cases the detector detects the same deviation that leads to the application of the same correction signal via the amplifier and the phase shifter, irrespective of whether it is at the corrective movement is a swinging movement or pendulum movement. according to which the control takes place and thus the relationship between the deviation of the rotor axis from the normal position the force applied to compensate for this deviation is for both types of movement mentioned above the same.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt die Regelung einer magnetischen Lagerung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß mögliche auftretende, ihrer Natur nach unterschiedliche Rotorschwingungen, die als Verlagerung der Rotorachse parallel zur Normallage oder als pendelnde Achse um einen Drehpunkt auftreten; unabhängig voneinander kompensiert werden können.The invention has therefore set itself the task of developing the control of a magnetic bearing of the generic type so that possible occurring, by their nature different rotor vibrations, which as a displacement of the rotor axis parallel to the Normal position or occur as an oscillating axis around a pivot point; can be compensated independently of each other.

Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöstThis problem is solved by the characterizing part of the main claim

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden voneinander unabhängige Regelkreise verwandt um Bewegungen zu hemmen, die ihrer Natur nach Schwingungen (bei niedriger Drehzahl) und Präzessionen (bei hoher Drehzahl) sind, und um Pendelbewegungen des Roationskörpers um seinen Schwerpunkt und Nutationsbewegungen zu hemmen.In the device according to the invention, mutually independent control loops are used To inhibit movements which by their nature are vibrations (at low speed) and precessions (at high speed), and to oscillate the body of rotation about its center of gravity and Inhibit nutation movements.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung beispielsweise, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutertIn the following, preferred embodiments of the invention are explained in more detail by way of example with reference to the drawing

F i g. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einiger Bauteile einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.F i g. 1 shows a schematic perspective view of some components of an embodiment of FIG device according to the invention.

Fig.2 ist ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung des Regelkreises der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung.FIG. 2 is a block diagram of the electronic circuitry of the control loop of the FIG. 1 shown Contraption.

F i g. 3 ist ein Blockschaltbild eines Rückkopplungskreises für die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung, der für einen Betrieb bei niedriger Drehzahl bis zu relativ hohen Drehzahlen geeignet istF i g. 3 is a block diagram of a feedback loop for the in FIG. 1 shown device for operation at low speed up to relatively high speeds is suitable

Fig.4 zeigt den Verlauf der Nutations- und Präzessionsfrequenzen, aufgetragen gegenüber der Drehzahl.Fig.4 shows the course of the nutation and Precession frequencies plotted against speed.

F i g. 5 zeigt ein Schaltbild eines Teiles des in F i g. 3 dargestellten Rückkopplungskreises.F i g. 5 shows a circuit diagram of part of the in FIG. 3 shown feedback loop.

Fig.6 zeigt ähnlich wie Fig.3 ein Blockschaltbild, allerdings einer geänderten Ausführungsform der Erfindung, die für einen Betrieb bei sehr hohen Drehzahlen geeignet istFig. 6 shows, similar to Fig. 3, a block diagram, however, a modified embodiment of the invention, which is designed for operation at very high Speeds is suitable

Fig.7 ist ein Schaltbild eines Teiles des in Fig.6 dargestellten Rückkopplungskreises.Fig.7 is a circuit diagram of a portion of the Fig.6 illustrated feedback loop.

F i g. 8 ist ein Schnitt längs einer axialen Ebene eines Schwungrades, das von Magnetlagern gehalten wird, die mit einem Regelkreis der in den Fig.3 oder 6 dargestellten Art verbunden sind.F i g. 8 is a section along an axial plane of a flywheel supported by magnetic bearings, the are connected to a control loop of the type shown in FIG.

Fig.9 ist ein Schnitt eines Gyroskops, dessen Rad von Magnetlagern gehalten wird, die mit einem Regelkreis ausgerüstet sind, der den in den F i g. 3 oder 6 dargestellten Ausführungsformen entsprichtFig. 9 is a section of a gyroscope whose wheel is held by magnetic bearings, which are equipped with a control circuit, the in the F i g. 3 or 6 corresponds to illustrated embodiments

Fig. 10 ist ein axialer Schnitt einer weiteren Ausführungsform.Fig. 10 is an axial section of another Embodiment.

In F i g. 1 ist ein Rotationskörper 1 einer Vorrichtung dargestellt die ein Gyroskop sein kann. Zwei Endabschnitte des Rotationskörpers 1 werden von zwei Magnetlagern P\ und P₂ gehalten. Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausfuhrungsform sind diese Magnetlager so ausgelegt, daß sie Bewegungen des Rotationskörpers I aus seiner normalen axialen und radialen Lage entgegenwirken können.In Fig. 1 shows a rotating body 1 of a device which can be a gyroscope. Two end sections of the rotating body 1 are held by two magnetic bearings P \ and P ₂ . In the case of the in FIG. 1, these magnetic bearings are designed so that they can counteract movements of the rotating body I from its normal axial and radial position.

Zur größeren Übersichtlichkeit wird jedoch nicht auf die Erscheinung der axialen Bewegung und darauf, wie diese Axialbewegungen zu hemmen sind, eingegangen.For the sake of clarity, however, no reference is made to the appearance of the axial movement and how to inhibit these axial movements are received.

Jedes Magnetlager P\ oder P₂ weist Elektromagnete auf, die in der F i g. 1 schematisch durch Pfeile angedeutet sind, deren Richtungen die Richtungen der Kräfte anzeigen, die sie auf den Rotor des entsprechenden Lagers ausüben können. Jedes Lager weist vorzugsweise vier Elektromagnete auf. Die Elektromagnete des Lagers Pi sind mit A₁, A\\ Bu B\' bezeichnet Die Elektromagnete des Lagers Pi sind mit A₂, A₂', B₂, B₂ bezeichnet Zur größeren Übersichtlichkeit wird angenommen, daß die Elektromagnete A\, A\\ Ai, A₂' so angeordnet sind, daß sie vertikal gerichtete Kräfte ausüben, während die Elektromagnete ßi, B\', B₂, B₂' so angeordnet sind, daß sie horizontal gerichteteEach magnetic bearing P \ or P ₂ has electromagnets, which are shown in FIG. 1 are indicated schematically by arrows, the directions of which indicate the directions of the forces that they can exert on the rotor of the corresponding bearing. Each bearing preferably has four electromagnets. The electromagnets of bearing Pi are labeled A ₁ , A \\ Bu B \ ' The electromagnets of bearing Pi are labeled A ₂ , A ₂ ', B ₂ , B _2. For greater clarity, it is assumed that the electromagnets A \, A \\ Ai, A ₂ ' are arranged so that they exert vertically directed forces, while the electromagnets ßi, B \', B ₂ , B ₂ ' are arranged so that they are horizontally directed

Kräfte ausüben. Jeder Elektromagnet kann nur eine Kraft ausüben, die die Neigung hat, den Rotor gegen den Magneten zu drücken, oder mit anderen Worten, nur eine ZugkraftExercise powers. Each electromagnet can only exert one force which has the tendency to oppose the rotor to push the magnet, or in other words just a pulling force

Obwohl es nicht wesentlich ist, kann jedes Lager P₁ oder P₂ acht Spulen 2 aufweisen, die vier Spulenpaare bilden, die in Reihe (F i g. 2) miteinander verbunden sind, wobei jedes Paar einen Elektromagneten bildet.Although not essential, each bearing P ₁ or P _{2 may have} eight coils 2 forming four pairs of coils connected in series (Fig. 2), each pair forming an electromagnet.

Jedes Lager P\ oder P₂ weist ebenfalls wenigstens ein Paar von Detektoren auf, um radiale Versetzungen der Achse des Rotationskörpers in zwei Richtungen von einer normalen, im entsprechenden Lager zentrierten Lage aufzunehmen. Es sind jedoch zwei diametral gegenüberliegende Detektoren vorgesehen, da eine geeignete Kopplung der diametral gegenüberliegenden Detektoren es möglich macht. Signale auszuschalten, die geometrischen Fehlern des Rotors entsprechen. Das Lager P\ enthält zwei Detektoren X\, X\, die längs eines vertikalen Durchmessers des Lagers diametral gegenüber angeordnet sind, und zwei Detektoren Yy, Y\, die ähnlich entlang eines horizontalen Durchmessers des Lagers diametral gegenüberliegen. Ähnlich enthält das Lager P₂ vier Detektoren X₂, X₂, Y₂, Y₂. Each bearing P 1 or P ₂ also has at least one pair of detectors for detecting radial displacements of the axis of the rotating body in two directions from a normal position centered in the corresponding bearing. However, two diametrically opposed detectors are provided, since a suitable coupling of the diametrically opposed detectors makes it possible. Switch off signals that correspond to the geometrical errors of the rotor. The bearing P \ includes two detectors X \, X \ diametrically opposed along a vertical diameter of the bearing and two detectors Yy, Y \ similarly diametrically opposed along a horizontal diameter of the bearing. Similarly, the store P _{2 contains} four detectors X ₂ , X ₂ , Y ₂ , Y ₂ .

Als letztes sind zwei Detektoren vorgesehen, die ein Signal liefern können, das den Betrag der axialen Ablenkung des Rotationskörpers von seiner normalen Lage, in der er zwischen den Lagern zentriert ist, anzeigt Die zwei axklen Detektoren sind mit Z_u Z₂ bezeichnet und den Lagern Pi, P₂ jeweils zugeordnetThe last two detectors are provided which can supply a signal indicative of the amount of axial deflection of the rotary body from its normal position in which it is centered between the bearings indicates the two axklen detectors are with Z _u Z ₂ and the bearings Pi, P ₂ each assigned

Jedes Paar von Elektromagneten ist mit einem Steuerverstärker 4 der in der F i g. 2 dargestellten Art verbunden. Jeder Verstärker 4 enthält eine Wählschaltung 5, die ein Ausgangssignal an ihren beiden Ausgängen liefert, das von der Polarität des Eingangssignals abhängt Einer der Ausgänge, der beispielsweise dann angesprochen wird, wenn positive Signale empfangen werden, ist mit einem Linearisierungskreis 6 und einer Leistungsstufe 7 verbunden. Der !.inearisierungskreis ist dazu bestimmt, die Steifigkeit des ' -agers für geringe Ablenkungen zu verstärken. Er kann aus einem Verstärker bestehen, der mit einer Diode in einem Gegenrückkopplungskreis versehen ist Die quadratische Form des Anfangsteils der Arbeitskennlinie der Diode gleicht das quadratische Ansprechvermögen der Elektromagneten aus. Die Leistungsstufe kann aus einem Gegentaktverstärker bestehen und einen Ausgangsstrom liefern, der direkt proportional der Steuerspannung ist, die an seinen Eingang gelegt ist Der von der Leistungsstufe 7 abgegebene Strom fließt durch einen der Elektromagnete Au B\, A₂, B₂. Each pair of electromagnets is connected to a control amplifier 4 of the type shown in FIG. 2 type shown connected. Each amplifier 4 contains a selection circuit 5, which supplies an output signal at its two outputs, which depends on the polarity of the input signal. One of the outputs, which is addressed, for example, when positive signals are received, is connected to a linearization circuit 6 and a power stage 7 . The linearization circle is designed to increase the rigidity of the bearing for small deflections. It can consist of an amplifier provided with a diode in a negative feedback circuit. The square shape of the initial part of the working characteristic of the diode compensates for the square response of the electromagnets. The power stage can consist of a push-pull amplifier and deliver an output current that is directly proportional to the control voltage applied to its input. The current delivered by the power stage 7 flows through one of the electromagnets Au B 1, A ₂ , B ₂ .

Ähnlich bewirken negative Signale, daß die Wählschaltung den Zweig erregt, der aus dem Erregerkreis 8, der Leistungsstufe 9 und einem der Elektromagnete A₁', B₁', A₂', B₂' besteht Similarly, negative signals cause the selector circuit to excite the branch consisting of the excitation circuit 8, the power stage 9 and one of the electromagnets A ₁ ', B ₁ ', A ₂ ', B ₂ '

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß jeder Verstärker 4 und der zugehörige Elektromagnet ein lineares System bilden, das irgendein Signal oder eine Kombination von Signalen empfangen kann, ohne auf ein anderes System ruckzuwirken.From the above description it can be seen that each Amplifier 4 and the associated electromagnet form a linear system, which any signal or a Combination of signals can be received without affecting another system.

Bevor eine Beschreibung der Regelkreise gegeben wird, werden zum leichteren Verständnis der Funktionsweise kurz die möglichen zu hemmenden Bewegungen beschrieben.Before a description of the control loops is given, the possible movements to be inhibited are briefly described to facilitate understanding of the functionality described.

Unter der Annahme, daß der Rotationskörper vom Ruhezustand bis zur Drehzahl Ω des Hochdrehgeschwindigkeitsbetriebes beschleunigt wird, können folgende Bewegungen auftreten:Assuming that the rotating body is accelerated from the state of rest to the speed Ω of high-speed operation, the following movements can occur:

1. bei niedriger Drehzahl während des Anfahrens verhält sich der Drehkörper wie ein Gewicht, dessen Enden von Paaren gekreuzter Federn festgehalten werden.
Der Rotationskörper kann Schwingbewegungen mit der Drehachse durchführen, indem er sich im Wechsel zu beiden Seiten der gemeinsamen Achse der Lager bewegt, während er parallel zur gemeinsamen Achse der Lager bleibt. Die Resonanzfrequenz solcher Bewegungen, die als Schwingungsbewegungen bezeichnet werden, ist von der Drehzahl unabhängig. 1. At low speed during start-up , the rotating body behaves like a weight, the ends of which are held in place by pairs of crossed springs.
The rotary body can perform oscillating movements with the axis of rotation by alternately moving to both sides of the common axis of the bearings while remaining parallel to the common axis of the bearings. The resonance frequency of such movements, known as oscillatory movements, is independent of the speed.

Der Rotationskörper kann um eine Achse schwingen, die quer zur Rotationsachse und quer durch den Schwerpunkt des Körpers führt. Wenn der Körper vollständig symmetrisch ist, dann ist die Resonanzfrequenz o>o solcher Bewegungen dieselbe, um welche Querachse auch immer er schwingt Solche Bewegungen, die als Pendelbewegungen bezeichnet" werden, führen zu von den Detektoren in den Lagern P\ und P₂ gelieferten Signalen, die dieselben Amplituden aufweisen, jedoch um 180° versetzt sind.The body of revolution can oscillate about an axis which runs transversely to the axis of rotation and transversely through the center of gravity of the body. If the body is completely symmetrical, then the resonance frequency o> o of such movements is the same, whichever transverse axis it oscillates. Such movements, which are referred to as pendulum movements, result in signals supplied by the detectors in the bearings P 1 and P ₂ that have the same amplitudes but are offset by 180 °.

2. Wenn die Drehzahl über einen Wert steigt, der von dem Gewicht und dem Trägheitsmoment des Rotationskörpers abhängt treten Nutations- und Präzessionsbewegungen auf. Wie in Fig.4 dargestellt, fällt die Resonanzfrequenz der Präzessionsbewegung stetig bis auf einen Wert ω_ρ bei der Drehzahl Ωο des normalen Betriebs, während die Nutationsfrequenz bis zu einem Wert ω,, bei der Drehzahl Ωο ansteigt2. If the speed rises above a value that depends on the weight and the moment of inertia of the rotating body, nutation and precession movements occur. As shown in FIG. 4, the resonance frequency of the precession movement falls steadily down to a value ω _ρ at the speed Ωο of normal operation, while the nutation frequency rises to a value ω ,, at the speed Ωο

Die Detekoren in beiden Lagern werden auf die Translationsbewegungen ansprechend Signale in Phase und auf die Nutations- und Präzessionsbewegungen ansprechend um 180° phasen verschobene Signale abgeben.The detectors in both camps are signals in phase in response to translational movements and signals shifted 180 ° in phase in response to the movements of nutation and precession hand over.

In Fig.3 ist ein Regelsystem 3 dargestellt das getrennte Rückkopplungskreise aufweist um die Schwingbewegungen und die Pendel- oder konischen Bewegungen zu hemmen.In Figure 3, a control system 3 is shown Has separate feedback loops around the oscillating movements and the pendulum or conical ones To inhibit movements.

Zum Erfüllen des zuerst genannten Zweckes sind zwei identische Kreise vorgesehen. Ein erster Kreis wirkt gegenüber Bewegungen in der X\X₂-X\ '^'-Ebene. Er umfaßt zwei Summierungsschaltungen 20 und 20a, von denen jede einem Detektorpaar X_TX\' oder XiX-i jeweils zugeordnet und damit so verbunden ist daß die Summierungsschaltung ein Signal liefert dessen Amplitude mit der Ablenkung ansteigt und dessen Polarität die Richtung der Ablenkung anzeigt Die Summierungsschaltung kann aus einem Verstärker bestehen, dessen Eingang die Signale von den Detektoren über Widerstände gleicher Größe empfängt To achieve the first mentioned purpose, two identical circles are provided. A first circle acts against movements in the X \ X ₂ -X \ '^' plane. It comprises two summing circuits 20 and 20a, each of which is assigned to a pair of detectors X _T X \ ' or XiX-i and is connected to it in such a way that the summing circuit supplies a signal whose amplitude increases with the deflection and whose polarity indicates the direction of the deflection Summing circuit can consist of an amplifier, the input of which receives the signals from the detectors through resistors of the same size

Die Signale von beiden Summierungsschaltungen 20 und 20a werden an eine Summierungsschaltung 21 gelegt Der Ausgang von 21 liefert eine Kennzeichnung der Größe der mittleren radialen Versetzung in den zwei Lagern, d. h. ein Signal das im wesentlichen nur für die Amplitude der Schwingungs- oder Präzessionsbe wegungen repräsentativ ist Das Signal wird einem Phasenschieber 22 zugeleitet, der aus einem Integrier- Differenzierverstärker bestehen kann, dessen Zeitkon- stante so gewählt sind, daß die Phasenverschiebung in einem Frequenzband auftritt, das den wahrscheinlich auftretenden Resonanzfrequenzen entspricht The signals from both summing circuits 20 and 20a are applied to a summing circuit 21. The output of 21 provides an indication of the size of the mean radial displacement in the two bearings, ie a signal which is essentially only representative of the amplitude of the vibratory or precessional movements The signal is fed to a phase shifter 22, which can consist of an integrating-differentiating amplifier, the time constants of which are selected so that the phase shift occurs in a frequency band which corresponds to the likely resonance frequencies

In Gyroskopen zur Verwendung in Satelliten, bei denen die Masse des Rotationskörpers etwa 10 kg In gyroscopes for use in satellites, where the mass of the rotating body is about 10 kg

es beträgt, kann das Frequenzband 20 bis 80 Hz mit einer maximalen Phasenverschiebung von etwa 30° betragen. Das Signal vom Phasenschieber wird gleichzeitig durch die Summierungsschaltungen 23 und 28, deren Zweckit is, the frequency band can be 20 to 80 Hz with a maximum phase shift of about 30 °. The signal from the phase shifter is through at the same time summing circuits 23 and 28, their purpose

später erläutert wird, an die Steuerverstärker 4 der Elektromagnete AtA\' und A2A2 gelegt, um eine parallele Wirkung der zwei Lager in der XiAyA₂AV-Ebene auf den Rotationskörper zu erreichen.will be explained later, applied to the control amplifier 4 of the electromagnets AtA \ ' and A2A2 in order to achieve a parallel effect of the two bearings in the XiAyA ₂ AV plane on the body of revolution.

Ein ähnlicher Regelkreis, der den Detektoren ViVVK₂VV zugeordnet ist, besteht aus den Summierungsschaltungen 30, 30a und 31, dem Phasenschieber 32 und den Summierungsschaltungen 33 und 38, um die Verstärker zu betätigen, die den Elektromagneten B]B)'B2B2' zugeordnet sind.A similar control loop associated with detectors ViVVK ₂ VV consists of summing circuits 30, 30a and 31, phase shifter 32 and summing circuits 33 and 38 to operate the amplifiers associated with electromagnets B] B) 'B2B2' are.

Die untere Grenze des Frequenzbandes der Phasenverschiebung sollte niedrig genug, um ω_ρ einzuschließen und hoch genug liegen, um ω_ο einzuschließen.The lower limit of the frequency band of the phase shift should be low enough to include ω _ρ and high enough to include ω _ο .

Zusätzlich ist für den Verstärkungsfaktor der Regelkreis bei sehr niedrigen Frequenzen vorzugsweise ein hoher Wert gewählt, um das Auftreten einer langsamen Abweichung, die zu einer Verlagerung führen würde, zu vermeiden.In addition, the control loop is preferred for the gain factor at very low frequencies a high value chosen to avoid the occurrence of a slow deviation leading to a displacement would lead to avoid.

Folglich sind einige Schaltkreise mit unterschiedlichen RC Zeitkonstanten vorzugsweise in Serie geschaltet, um ein erstes enges Phasenverschiebungsband bei sehr niedrigen Frequenzen und ein zweites enges Band im Bereich der Schwingungs- und Präzessionsfrequenzen zu liefern.Thus, some circuits having different RC time constants are preferably connected in series to provide a first narrow band of phase shift at very low frequencies and a second narrow band in the range of oscillation and precession frequencies.

Zwei Rückkopplungskreise sind zum Bremsen der Pendel- und Nutationsbewegungen vorgesehen. Der Kreis, der dazu bestimmt ist, Dämpfungskräfte in der X\XVX₂XY-Ebene auszuüben, umfaßt eine Summierungsschaltung 25, die die Signale von der Summierungsschaitung 20a der Detektoren X₂X₂' direkt und die Signale von der Summierungsschaltung 20 der Detektoren X\X\ über einen Inverter 24 empfängt. Das Ausgangssignai der Summierungsschaltung 25 wird an eine Breitbandphasenverschiebungsschaltung 26 gelegt, die von einem in der F i g. 5 dargestellten Typ sein kann und später beschrieben wird. Die Phasenverschiebungsschaltung 26 sollte von der Frequenz ω_ο bis zur Resonanzfrequenz a>„ stabilisierend wirken.Two feedback loops are provided to brake the pendulum and nutation movements. The circuit, which is intended to exert damping forces in the X \ _{XVX 2} XY plane, comprises a summing circuit 25 which directly converts the signals from the summing circuit 20a of the detectors X ₂ X ₂ 'and the signals from the summing circuit 20 of the detectors X. \ X \ receives via an inverter 24. The output of the summing circuit 25 is applied to a broadband phase shift circuit 26 which is provided by a circuit shown in FIG. 5 and will be described later. The phase shift circuit 26 should have a stabilizing effect from the frequency ω _o up to the resonance frequency a>".

Das Ausgangssignal von der Schaltung 26 wird dem Elektromagneten A_x oder A\ und nach einer Phasenver- «0 Schiebung um 180° dem Elektromagneten Λ₂ oder Ai geliefert, um Bewegungen zu bremsen, die aus in den zwei Lagern um 180° versetzten Verlagerungen resultieren. Zu diesem Zweck ist der Ausgang der Schaltung 26 mit einem Eingang 23 direkt und mit einem *⁵ Eingang von 28 über einen Inverter 27 verbunden.The output signal from the circuit 26 is supplied to the electromagnet A _x or A \ and, after a phase shift by 180 °, to the electromagnet Λ ₂ or Ai , in order to brake movements resulting from displacements in the two bearings displaced by 180 ° . For this purpose, the output of circuit 26 is connected with and directly to an input 23 an input of ⁵ * 28 via an inverter 27th

Ähnlich enthält der zum Entgegenwirken gegen Bewegungen in der Vi VyViVy-Ebene bestimmte Rückkopplungskreis eine Summierungsschaltung 35, die von 30a direkt und von 30 über einen Inverter 34 gespeist wird, einen Phasenschieber 36 und einen Inverter 37 im Ausgangszweig zur Summierungsschaltung 38.Similarly, the one designed to counteract movements in the Vi contains VyViVy Feedback circuit includes a summing circuit 35 which is supplied by 30a directly and from 30 via an inverter 34 is fed, a phase shifter 36 and an inverter 37 in the output branch to the summing circuit 38.

Die Phasenschieber 26 und 36 sind vorzugsweise eher aktive als passive Netzwerke und können wie in Fig. 5 dargestellt aufgebaut sein. Die in Fig.5 dargestellte Schaltung soll aus einem /?C-Eingangsnetz 40 und einem Integrier-Differenzier-Ausgangsverstärker 44 bestehen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die für die Verhältnisse repräsentativ ist, die tätsächlich bei der ^m Gyroskoptechnik für den Weiteraum gefunden werden, mit Ω = 200 bis 250 Hz, sollten ÄC-Netzwerke vorgesehen werden, um eine Phasenverschiebung zwischen 20 und 30° im gesamten Bereich zwischen 10 Hz bis 300 Hz zu verursachen, ein Bereich, der sich von der untersten Präzessionsfrequenz bis zur höchsten Nutationsfrequenz, die gefunden werden kann, er-Zu diesem Zweck besieht das Eingangsnetzwerk 40 aus zwei parallelen Zweigen, von denen einer aus einem Widerstand 41 und der andere aus einem Widerstand 42 und einem Kondensator 43 besteht, die in Serie geschaltet sind. Die Ausgangsschaltung 44 besteht aus einem Verstärker 45 und einem Rückkopplungskreis, der ein T-Glied aus zwei Widerständen 46, 47 aufweist, deren Verbindungspunkt durch einen Kondensator 48 geerdet ist.The phase shifters 26 and 36 are preferably active rather than passive networks and can be constructed as shown in FIG. The circuit shown in FIG. 5 should consist of a /? C input network 40 and an integrating-differentiating output amplifier 44. In an embodiment of the invention, which is representative of the relationships that are actually found in the ^m gyroscope technology for the wider space, with Ω = 200 to 250 Hz, should be provided C networks to a phase shift between 20 and 30 ° in the entire To cause a range between 10 Hz to 300 Hz, a range that extends from the lowest precession frequency to the highest nutation frequency that can be found, he-To this end, the input network 40 consists of two parallel branches, one of which consists of a resistor 41 and the other consists of a resistor 42 and a capacitor 43 connected in series. The output circuit 44 consists of an amplifier 45 and a feedback circuit which has a T-element made up of two resistors 46, 47, the connection point of which is grounded by a capacitor 48.

Abhängig davon, ob die Magnetlager eine axiale Gegenkraft ausüben können oder nicht, können unterschiedliche Regelkreise verwandt werden, um axiale Bewegungen des Rotationskörpers von einer Lage, die zwischen den Lagern zentriert ist, zu bremsen.Depending on whether the magnetic bearings can exert an axial counterforce or not different control loops are used to achieve axial movements of the rotating body from one Position that is centered between the bearings to brake.

Wenn konische Lagerroloren der in F i g. 1 schematisch dargestellten Art verwandt werden, ist es ausreichend, einen Summierungsverstärker 13 zum Empfang der Signale von den Detektoren Z\ und Z₂ und einen Phasenschieber 14 mit einem engen Band vorzusehen. Der Ausgang von 14 ist mit den Summierungsschaltungen 23 und 33 direkt und mit den Summierungsschaltungen 28 und 38 über einen Inverter 15 verbunden, wie es in nicht der unterbrochenen Linien in F i g. 3 dargestellt ist.When conical storage rollers of the type shown in FIG. 1, it is sufficient to provide a summing amplifier 13 for receiving the signals from the detectors Z 1 and Z ₂ and a phase shifter 14 with a narrow band. The output of 14 is connected directly to summing circuits 23 and 33 and to summing circuits 28 and 38 through an inverter 15, as shown in non-broken lines in FIG. 3 is shown.

Wenn im Gegensatz dazu die Lagerotoren zylindrisch sind, sollten getrennte Elektromagnete G und C₂ die axial gerichtete Gegenkräfte ausüben, vorgesehen und von getrennten Verstärkern 4' mit Energie versorgt werden, die wechselweise, wie in Fig.3 durch die strichpunktierten Linien dargestellt, versorgt werden.If, in contrast, the bearing rotors are cylindrical, separate electromagnets G and C ₂ should exert the axially directed opposing forces, provided and supplied with energy by separate amplifiers 4 'which are alternately supplied, as shown in FIG. 3 by the dashed lines .

In Fig.6 ist ein Regelsystem dargestellt, das zusätzliche Kreise enthält, die die Vorrichtung zur Verwendung bei sehr hohen Drehzahlen geeignet machen. Bei so hohen Drehzahlen, wie beispielsweise einer Drehzahl ßi in F i g. 4, liegt die Nutationsfrequenz bei weitem höher als die Pendelfrequenz im Ruhezustand ωο Um bei dem in F i g. 3 dargestellten System bei so hohen Drehzahlen die Stabilität beizubehalten, müßte sich das Frequenzband der Phasenschieber 26 und 36 bis zu so hohen Frquenzen erstrecken, was zur Folge hätte, daß es sehr rauschempfindlich würde.In Figure 6, a control system is shown which contains additional circles that the device for Make it suitable for use at very high speeds. At such high speeds as for example a speed ßi in F i g. 4, is the nutation frequency far higher than the pendulum frequency in the idle state ωο To with the in F i g. 3 system shown To maintain the stability at such high speeds, the frequency band of the phase shifter 26 and 36 to such high frequencies that it would be very sensitive to noise.

Zusätzlich können Instabilitäten bei hohen Drehzahlen infolge der Tatsache auftreten, daß der Rotationskörper und die stationären Teile der Lager nicht vollständig starr sind.In addition, instabilities can occur at high speeds due to the fact that the rotating body and the stationary parts of the bearings are not completely rigid.

LIm die Schwierigkeiten zu überwinden, enthält die in Fig.6 dargestellte Schaltung zu denen von Fig.3 zusätzliche Elemente.To overcome the difficulties, the circuit shown in Fig.6 contains those of Fig.3 additional elements.

In F i g. 6 ist ein Regelsystem 3 dargestellt, das alle in F i g. 3 dargestellten Komponenten lediglich mit dem Unterschied enthält, daß die Phasenschieber 26 und 36 enge Bänder aufweisen. Beispielsweise ist in F i g. 4 ein Frequenzband b\ dargestellt, das sämtliche Frequenzen enthält für die die Phasenverschiebung, die vom Kreis 22 oder 32 geliefert wird, 20° übertrifft. Es ist ebenfalls ein Frequenzband bz dargestellt das dasjenige Band ist für das die Kreise 26 und 36 eine Phasenverschiebung von wenigstens 20° liefern, wenn die Drehzahl Ω nahe 0 ist Es ist anzumerken, daß zwischen den zwei Bändern eine geringe Überlappung bestehtIn Fig. 6, a control system 3 is shown, all of which are shown in FIG. 3 contains the only difference that the phase shifters 26 and 36 have narrow bands. For example, in FIG. 4 shows a frequency band b \ which contains all frequencies for which the phase shift provided by the circle 22 or 32 exceeds 20 °. A frequency band bz is also shown which is the band for which the circles 26 and 36 provide a phase shift of at least 20 ° when the speed Ω is close to 0. It should be noted that there is a slight overlap between the two bands

Die in Fi g. 6 dargestellte Schaltung enthält zusätzliche Schaltungseinrichtungen, die dazu bestimmt sind, das Band bz fortschreitend zu verschieben, wenn die Drehzahl ansteigt damit die Nutationsfrequenz bei jeder Drehzahl bis zur maximalen Betriebsdrehzahl fii in dem Band enthalten ist Mit anderen Worten, sollte das Frequenzband von bz nach bz in Fig.4 fortschreitend verschoben werden.The in Fi g. Illustrated circuit 6 contains additional circuitry, which are intended, the band bz progressively to move, if the rotational speed thus increases the nutation frequency at any speed up to the maximum operating speed fii in the band is contained In other words, should the frequency band of bz after bz be shifted progressively in Fig.4.

Dieses Ergebnis wird dadurch erreicht, daß ein Kreuznetzwerk 54 vorgesehen wird. Das Netzwerk 54 umfaßt eine Anpaßschaltung 50, die ein Signal mit einer Frequenz ω vom Ausgang der Summierungsschaltung 25 und ein Signal mit der Frequenz Ω von einem Drehzahlmeßkreis 53 empfängt. Das Netzwerk 54 enthält ebenfalls einen Umschalter 51, der zwei Eingangs- und zwei Ausgangsklemmen aufweist. Einer der Eingänge ist mit einem Eingang der Summierungsschaltung 33 verbunden, während die andere Ausgangsklemme mit einem Eingang der Summierungsschaltung 38 verbunden ist. Einer der Eingänge des Umschalters 51 ist direkt und der andere über einen Umpoler 52 mit dem Ausgang der Schaltung 50 verbunden. Die Verbindungen zwischen den Eingängen und den Ausgängen werden von der Polarität eines Signals gesteuert, das in der Leitung 55 von der Meßeinrichtung 53 empfangen wird und die Drehrichtung des Körpers 1 anzeigt.This result is achieved by providing a cross network 54. The network 54 comprises a matching circuit 50 which receives a signal at a frequency ω from the output of the summing circuit 25 and receives a signal with the frequency Ω from a speed measuring circuit 53. The network 54 also includes a changeover switch 51 which has two input and two output terminals. One the input is connected to one input of the summing circuit 33, while the other output terminal is connected to one input of the summing circuit 38. One of the inputs of the switch 51 is connected directly and the other is connected to the output of circuit 50 via a polarity reverser 52. the Connections between the inputs and the outputs are based on the polarity of a signal controlled, which is received in the line 55 by the measuring device 53 and the direction of rotation of the body 1 indicates.

Die Anpaßschaltung 15 kann von der in F i g. 7 dargestellten Art sein, obwohl das keineswegs ausschließlich der Fall sein muß. Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung 50 enthält ein Tiefpaßfilter 60 zweiter Ordnung und einen Differenzierverstärker 64. Das Tiefpaßfilter 60 besteht aus einem Verstärker 63, einem Widerstand 61 — Kondensator 62, Eingangsnetz und Riickkopplungswiderständen. Der Differenzierverstärker umfaßt einen Verstärker 65 hoher Verstärkung, der mit einem Widerstandsrückkopplungskreis und einer Eingangsschaltung verbunden ist, die einen Kondensator 67 und einen Widerstand 66 aufweist.The adapter circuit 15 can be of the type shown in FIG. 7, although this is by no means exclusive must be the case. The circuit 50 shown in Fig. 7 includes a low-pass filter 60 second Order and a differentiating amplifier 64. The low-pass filter 60 consists of an amplifier 63, a Resistor 61 - capacitor 62, input network and feedback resistors. The differential amplifier comprises a high gain amplifier 65 having a resistive feedback circuit and a Input circuit is connected, which has a capacitor 67 and a resistor 66.

Da ein Eingang mit einer Frequenz Ω dem Eingang mit einer Frequenz o) überlagert wird, dämpft das Ausgangssignal, das mit einer geeigneten Polarität den Elektromagnetpaaren geliefert wird, die in einer Ebene angeordnet sind, die um 90° von der Ebene der Detektoren X\ X\ versetzt ist, wirkungsvoll die Nutation und macht es möglich davon abzusehen, einen mechanischen Dämpfer hinzuzufügen.Since an input with a frequency Ω is superimposed on the input with a frequency o) , attenuates the output signal, which is supplied with a suitable polarity to the electromagnet pairs, which are arranged in a plane that is 90 ° from the plane of the detectors X \ X \ offset effectively nutation and makes it possible to dispense with adding a mechanical damper.

In F i g. 8 ist ein Schwungrad zur Verwendung mit einer Ausführungsform des erfindunsgemäßen Regelkreises dargestellt. Das Schwungrad umfaßt einen Rotationskörper, der aus einem äußeren Rotor 90 besteht, der von zwei Magnetlagern P₁ und P2 auf einem inneren Stator 71 getragen wird. Die Luftspalte 72 der Magnetlager sind für diejenigen Elektromagnete konisch, die zum Bremsen des Rotors gegenüber sowohl radialen als auch axialen Bewegungen verwandt werden. Der äußere Rotor 70 wird durch einen herkömmlichen Elektromotor 73 in Drehungen versetzt. Der Rotor ist nicht drehbar mit zwei Licht abdeckenden Scheiben 74 und 75 verbunden, von denen jede einen radial nach innen gerichteten Flansch 76 und einen axial nach innen gerichteten Flansch 77 aufweist Der radiale Flansch 76 arbeitet mit einem ersten Satz von Lichtquellen, die Laserdioden sein können, und einem ersten Satz von Lichtsensoren 79 zusammen, die Phototransistoren sein können. Jeder Lichtsensor 79 und die entsprechende Lichtquelle bilden einen der acht radial angeordneten Detektoren. Der axiale Flansch 77 arbeitet mit einem zweiten Satz von Lichtquellen 80 und Lichtsensoren 81 zusammen, die die Detektoren Z\ oder Z2des Lagers bilden.In Fig. 8 shows a flywheel for use with an embodiment of the control circuit according to the invention. The flywheel comprises a rotating body which consists of an outer rotor 90 which is carried by two magnetic bearings P ₁ and P2 on an inner stator 71. The air gaps 72 of the magnetic bearings are conical for those electromagnets that are used to brake the rotor against both radial and axial movements. The outer rotor 70 is rotated by a conventional electric motor 73. The rotor is non-rotatably connected to two light blocking disks 74 and 75, each of which has a radially inwardly directed flange 76 and an axially inwardly directed flange 77. The radial flange 76 operates with a first set of light sources, which may be laser diodes , and a first set of light sensors 79, which can be phototransistors. Each light sensor 79 and the corresponding light source form one of the eight radially arranged detectors. The axial flange 77 cooperates with a second set of light sources 80 and light sensors 81 which form the detectors Z 1 or Z 2 of the bearing.

In Fig.9 ist ein Gyroskop dargestellt, das auch zusammen mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem verwandt werden kann. Das Gyroskop weist einen Gyroskopmotor 90 auf, der von zwei Magnetlagern Pi, Pi zur Rotation um eine stationäre Achse 91 gehaltenFIG. 9 shows a gyroscope which can also be used together with a control system according to the invention. The gyroscope has a gyroscope motor 90 which is held by two magnetic bearings Pi, Pi for rotation about a stationary axis 91

!5 wird. Die Luftspaltc 92 der Lager sind vorzugsweise zur simultanen, radialen und axialen Wirkung auf den Rotor 90 konisch ausgebildet. Ein luftdichtes Gehäuse 93 umgibt das Gyroskop und macht die Aufrechterhaltung eines Vakuums möglich, das die Reibung und die Erwärmung des Rotors 90 infolge aerodynamischer Effekte verringert. Der Rotor 90 wird von einem Elektromotor 94 angetrieben. Acht Detektoren zur Aufnahme von Signalen, die für die radiale Lage des Rotors repräsentativ sind, und zwei Detektoren zur Erzeugung von Signalen, die für die axiale Lage repräsentativ sind, sind in Form von kapazitiven Sensoren vorgesehen, wobei jeder Kondensator Elektrodenplatten aufweist, die aus Metallüberzügen auf keramischen Platten gebildet werden.! 5 will. The Luftspaltc 92 of the bearings are preferably used simultaneous, radial and axial action on the rotor 90 is conical. An airtight case 93 surrounds the gyroscope and makes it possible to maintain a vacuum that reduces the friction and the Reduced heating of the rotor 90 as a result of aerodynamic effects. The rotor 90 is of a Electric motor 94 driven. Eight detectors for recording signals that are necessary for the radial position of the Rotors are representative, and two detectors to generate signals relevant to the axial position are representative, are provided in the form of capacitive sensors, each capacitor having electrode plates which are formed from metal coatings on ceramic plates.

In Fig. 10 ist ein Gyroskop zur Verwendung bei Satelliten dargestellt. Das Rotationsrad % des Gyroskops wird von einer Welle 97 getragen, deren Achse während der Tests auf der Erde und beim Abschuß vertikal liegt. Folglich sind die axialen Bremskräfte, die auf das Rad während der Tests ausgeübt werden, weit größer als die während des Betriebes und größer als die radialen Bremskräfte. Es ist dann vorteilhaft, nicht konische Magnetlager des in den Fig. 8 und 9 dargestellten Typs zu verwenden, sondern eher zylindrische Lager zur radialen Aufhängung und ebene Lager zur axialen Aufhängung. Die ebenen Lager umfassen ein Spulenpaar 98, das von der Welle 97 getragen wird und eine einstellbare Kraft auf einen radialen Flansch 99 des Rades ausübt, das auf ein Signal, das von einem Magnetdetektor 100 abgegeben wird, einstellbar ist. Ähnlich weisen die radialen Lager 101 und 102 jeweils vier Spulenpaare, beispielsweise 103 und 104 auf. Jedes Lager ist ebenfalls mit zwei Paaren von diametral gegenüberliegenden Magnetdetektoren 105 und 106 ausgerüstet. Das Rad wird von einem von der Achse 97 getragenen Motor 107 angetrieben. Das Regelsystem kann dann dasjenige sein, das in strichpunktierten Linien in F i g. 3 dargestellt ist.Referring to Fig. 10, there is shown a gyroscope for use with satellites. The rotation wheel% of the gyroscope is carried by a shaft 97, the axis of which during tests on earth and when launched is vertical. As a result, the axial braking forces exerted on the wheel during the tests are large greater than that during operation and greater than the radial braking forces. It is beneficial then, not to use conical magnetic bearings of the type shown in Figs. 8 and 9, but rather cylindrical bearings for radial suspension and flat bearings for axial suspension. The level camp include a pair of coils 98 carried by shaft 97 and an adjustable force on one exerts radial flange 99 of the wheel in response to a signal emitted by a magnetic detector 100, is adjustable. Similarly, the radial bearings 101 and 102 each have four pairs of coils, for example 103 and 104 on. Each bearing is also provided with two pairs of diametrically opposed magnetic detectors 105 and 106 equipped. The wheel is driven by a motor 107 carried by the axle 97. That The control system can then be that which is shown in dash-dotted lines in FIG. 3 is shown.

Hierzu 7 Blatt ZeichnungenIn addition 7 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung eines Rotors mit zwei magnetischen Lagern, in denen der Rotor drehbar längs einer beiden Lagern gemeinsamen Achse ausgerichtet gelagert ist, mit wenigstens zwei Detektoren für jedes Lager, die Ausgangssignale erzeugen, die die relative Lage des Rotors zur gemeinsamen Achse der Lager in zwei zu dieser Achse senkrechten Richtung angeben, mit to einer ansteuerbaren Magnetisierungsvorrichtung für jedes Lager, die auf den Rotor Kräfte in beiden zur gemeinsamen Achse der Lager senkrechten Richtungen ausübt und mit einer Rückkopplungsschaltung, die auf die Ausgangssignale der Detektoren anspricht und die Magnetisierungsvorrichtungen steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung (3) für jede der beiden zu der gemeinsamen Achse der Lager (Pu P₂) senkrechte Richtungen (X, Y) eine erste Schaltung (21, 23 oder 28; 31, 33 oder 38), die die Ausgangssignale der Detektoren (X_x, Xi', Xi, X₂', Y_x, Yf, Yi, Y2) beider Lager (P₁, P₂) für die gleiche Richtung (X oder Y) summiert und mit der Signalsumme ansteigende Korrektursignale an die entsprechende Magnetisierungsvorrichtung (Au Ai', B_x, B₂', A₂, A₂', B₂, B₂) legt eine zweite Schaltung (24, 25, 23 oder 27, 28; 34, 35, 33 oder 37, 38), die die Ausgangssignale der Detektoren (X\, X_x, X₂, X₂, Y_x, Y\, Y2, Y₂) beider Lager (P_x, P₂) für die gleiche Richtung (X, Y) subtrahiert und mit der Signaldifferenz ansteigende Korrektursignale an einem Lager (Pi) direkt und am anderen Lager (P₂) über einen Inverter (27, 37) an die entsprechende Magnetisierungsvorrichtung (AuAi',BuBi,A₂,A₂,B₂,B₂)legt, und Phasenschieber (22, 26; 32, 36) aufweist, die jeweils zwischen die Magnetisierungsvorrichtung (Ai, Ai, Bi, B_x, A₂, A₂', B₂, B₂) und die Summierungsund Subtrahierungsschaltungen (21, 23 oder 28; 31, 33 oder 38,24,25,23 oder 27,28; 34,35,33 oder 37, 38) geschaltet sind.1. Control circuit of a magnetic bearing of a rotor with two magnetic bearings in which the rotor is mounted rotatably aligned along an axis common to both bearings, with at least two detectors for each bearing that generate output signals that show the relative position of the rotor to the common axis of the Specify bearings in two directions perpendicular to this axis, with a controllable magnetization device for each bearing, which exerts forces on the rotor in both directions perpendicular to the common axis of the bearings, and with a feedback circuit that responds to the output signals of the detectors and controls the magnetization devices , characterized in that the feedback circuit (3) for each of the two directions (X, Y) perpendicular to the common axis of the bearings (Pu P ₂ ) has a first circuit (21, 23 or 28; 31, 33 or 38) which the output signals of the detectors (X _x , Xi ', Xi, X ₂ ', Y _x , Yf, Yi, Y2) of both bearings (P ₁ , P ₂ ) summed up for the same direction (X or Y) and correcting signals increasing with the signal sum to the corresponding magnetization device (Au Ai ', B _x , B ₂ ', A ₂ , A ₂ ', B ₂ , B ₂ ) is applied by a second circuit (24, 25, 23 or 27, 28; 34, 35, 33 or 37, 38), which the output signals of the detectors (X \, X _x , X ₂ , X ₂ , Y _x , Y \, Y2, Y ₂ ) of both bearings (P _x , P ₂ ) for the same direction (X, Y) is subtracted and correction signals increasing with the signal difference at one bearing (Pi) directly and at the other bearing (P ₂ ) via an inverter (27, 37) to the corresponding magnetizing device (AuAi ', BuBi, A ₂ , A ₂ , B ₂ , B ₂ ) and phase shifters (22, 26; 32, 36), each between the magnetization device (Ai, Ai, Bi, B _x , A ₂ , A ₂ ', B ₂ , B ₂ ) and the summing and subtracting circuits (21, 23 or 28; 31, 33 or 38, 24, 25, 23 or 27, 28; 34, 35, 33 or 37, 38) are connected.

2. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Magnetisierungseinrichtung (Au Ai, A₂, A₂, B_u B_x', B₂, Bi) in jedem Lager (Pi, P₂) zwei Paare diametral gegenüber angeordneter Elektromagnete und zwei Paare diametral gegenüber angeordneter Detektoren in radialer Lage aufweist.2. Control circuit of a magnetic bearing according to claim 1, characterized in that each magnetization device (Au Ai, A ₂ , A ₂ , B _u B _x ', B ₂ , Bi) in each bearing (Pi, P ₂ ) two pairs diametrically opposite arranged electromagnet and two pairs of diametrically opposed detectors in a radial position.

3. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zusätzliche so Detektoren (Zi, Z₂), die Ausgangssignale liefern, die die axiale Lage des Rotors (1) angeben.3. Control circuit of a magnetic bearing according to claim 1, characterized by additional detectors (Zi, Z ₂ ) which provide output signals which indicate the axial position of the rotor (1).

4. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung nach Anspruch 3, wobei konische Lagerrotoren verwandt werden, so daß durch die Magnetisierungsvorrichtungen (Ai, A\', A₂, A₂, Bi, Bi, B₂, B₂') sowohl eine axiale als auch eine radiale Kraft auf den Rotor (1) ausgeübt v.ird, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Detektoren (Zi, Z₂) über einen Phasenschieber (14) gleichzeitig mit den Magnetisierungseinrichtungen (Ai, A\', Bi, Bi'; A₂, A₂, B₂, B₂') für beide zu der gemeinsamen Achse der Lager (Pi und P₂) senkrechten Richtungen verbunden sind.4. Control circuit of a magnetic bearing according to claim 3, wherein conical bearing rotors are used, so that by the magnetization devices (Ai, A \ ', A ₂ , A ₂ , Bi, Bi, B ₂ , B ₂ ') both an axial and a radial force is exerted on the rotor (1), characterized in that the additional detectors (Zi, Z ₂ ) via a phase shifter (14) simultaneously with the magnetization devices (Ai, A \ ', Bi, Bi'; A ₂ , A ₂ , B ₂ , B ₂ ') for both directions perpendicular to the common axis of the bearings (Pi and P ₂ ).

5. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (26, 36), der Subtrahierungsschaltung (24, 25; 34, 35) nachgeschaltet ist, ein breiteres Durehla&band als der Phasenschieber (22, 32)5. control circuit of a magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the Phase shifter (26, 36), the subtraction circuit (24, 25; 34, 35) is connected downstream, a wider one Durehla & band as the phase shifter (22, 32) aufweist, der der Summierungsschaltung (21, 31) nachgeschaltet istwhich is connected downstream of the summing circuit (21, 31)

6. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß jeder Breitbandphasenschieber (26,36) ein Breitband-ßC-Eingangsnetz (40) und eine aktive Ausgangsschaltung (44) aufweist die einen Verstärker (45) mit einem AC-RückkoppIungskreis (46,47,48) enthält6. control circuit of a magnetic bearing according to claim 5, characterized in that each Broadband phase shifter (26,36) has a broadband βC input network (40) and an active output circuit (44) which has an amplifier (45) an AC feedback circuit (46,47,48)

7. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß jede der Magnetisierungsvorrichtungen (Αχ, Ai, Bi, Bi, A₂, A₂', B₁, B₂') verstärke Signale von den Summierungs- und Subtrahierungsschaltungen über zweite Summierungsschaltungen (23, 33, 28, 38) empfängt die mehrere Eingänge aufweisen, von denen jeder mit wenigstens einer der Summierungsschaltungen (21, 31) und mit wenigstens einer der Subtrahierungsschaltungen (24, 25, 34, 35) verbunden ist7. Control circuit of a magnetic bearing according to claim 1, characterized in that each of the magnetization devices (Αχ, Ai, Bi, Bi, A ₂ , A ₂ ', B ₁ , B ₂ ') amplify signals from the summing and subtracting circuits via second summing circuits (23, 33, 28, 38) which have a plurality of inputs, each of which is connected to at least one of the summing circuits (21, 31) and to at least one of the subtracting circuits (24, 25, 34, 35)

8. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß sie zusätzlich eine Kreuzschaltung (54) zum Dämpfen der Nutationsbewegung enthält und der Eingang dieser Kreuzschaltung (54) einer Subtrahierungsschaltung (24, 25) nachgeschaltet ist die den Detektoren (X₁, X\; X₂, X₂) zugeordnet ist die Signale liefern, welche die in einer der beiden zur Lagerachse senkrechten Richtungen in beiden Lagern (Pi, P₂) eingetretenen Ablenkungen angeben und der Ausgang dieser Kreuzschaltung mit den Magnetisierungsvorrichtungen (Bi, B\'; B₂, B₂) geschaltet ist die in den beiden anderen zur Lagerachse senkrechten Richtungen in beiden Lagern (P_x, P₂) wirksam sind.8. Control circuit of a magnetic bearing according to claim 1, characterized in that it additionally contains a cross connection (54) for damping the nutation movement and the input of this cross connection (54) of a subtraction circuit (24, 25) is connected downstream of the detectors (X ₁ , X \; X ₂ , X ₂ ) are assigned to deliver the signals which indicate the deflections occurred in one of the two directions perpendicular to the bearing axis in both bearings (Pi, P ₂ ) and the output of this cross connection with the magnetization devices (Bi, B \ '; B ₂ , B ₂ ) is switched which are effective in the two other directions perpendicular to the bearing axis in both bearings (P _x , P ₂ ).

9. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Kreuzschaltung (54) eine Anpaßschaltung (50) mit einem, mit der Subtrahierungsschaltung (24, 25) verbundenen Eingang und einem weiteren Eingang umfaßt der mit einem Generator (53) verbunden ist, der eine Spannung mit einer für die Drehzahl des Rotors (1) repräsentativen Frequenz liefert wobei die Kreuzschaltung einen engen, mit zunehmender Frequenz ansteigenden Bandpaß aufweist9. control circuit of a magnetic bearing according to claim 8, characterized in that the Cross connection (54) an adapter circuit (50) with one, with the subtraction circuit (24, 25) connected input and a further input which is connected to a generator (53), which supplies a voltage with a frequency representative of the speed of the rotor (1), wherein the cross connection has a narrow bandpass that increases with increasing frequency

10. Regelschaltung einer magnetischen Lagerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzschaltung ein Tiefpaßfilter (60) und eine Differenzierschaltung (64) aufweist (F i g. 7).10. Control circuit of a magnetic bearing according to claim 9, characterized in that the cross connection has a low-pass filter (60) and a Differentiating circuit (64) (Fig. 7).