DE2353342C2

DE2353342C2 - Elektromagnetische Einrichtung zum Antrieb und zur zentrierenden Lagerung von Drehkörpern

Info

Publication number: DE2353342C2
Application number: DE2353342A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof. Dr.-Ing. 8012 Ottobrunn Flachenecker; Peter Dr.-Ing. 8061 Grossinzemoos Meinke
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1973-10-24
Filing date: 1973-10-24
Publication date: 1985-08-08
Also published as: DE2353342A1

Description

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wobei sie derart gewickelt sind, daß ihre Windungszahl Jede Spule ist zwischen zwei Phase« eines Drehstromvon —90° bis 0° in sinusförmiger Verteilung zunimmt systems geschaltet, das die Phasen r, s und / aufweist und von dort bis +90° entsprechend wieder abfällt Ein Soweit entspricht die Spulenanordnung dem Stand der Wegiassen einiger weniger Windungen der beiden Technik. Gemäß der Erfindung ist jede Spule in der Randwicklungen bei —90° und +90° löst z.B. bereits 5 Mitte an den Stellen m\, ni2, mi, m\ nnd Jn₃' aufgetrennt die erfindungsgemäße Aufgabenstellung weitgehend; An m\ und an m\ ist gegen Masse die Spannung U tn\

eine Feinkorrektur ist durch Hinzufügen oder Weglas- und L) m\ abgegriffen. Die in den einzelnen Spulenhälf-

sen von Windungen bei den näher zu 0° gelegenen Win- ten fließenden Ströme sind jeweils durch Pfeil und Be-

dungsgruppen möglich. Jeder Durchschnittsfachmann zifferung gekennzeichnet

kann durch Rechnen oder Ausprobieren verschiedener io F i g. 2 stellt das Spannungsdiagramm eines dreiphasi-

Windungsvc^ieilungen und durch Messen an der Auf- gen Drehstroms dar, wie er die Anordnung gemäß

trennungssteile ohne Schwierigkeit eine vorhandene F i g. 1 speist

Windung bis zu einer beliebig kleinen Spannung an der F i g. 3 stellt die Spannungsverhältnisse im Vektordia-Auftrennungsstelle optimieren. Die zweite Variante der gramm dar, die im Spulenpaar 1 vorliegen. Hierbei sind Erfindung hat die gleiche Wirkungsweise wie deren er- 15 die Spannungen U m\ und U m\ direkt ablesbar; es hanste Variante, doch weist sie demgegenüber eine noch delt sich hierbei um die Spannung zwischen der Mittenweitergehende Entkopplung auf. In vielen Fällen kann auftrennung und dem Sternpunkt Bei einer Spannung dann auf einen Tiefpaß oder dergleichen verzichtet wer- rs = 380 V ergibt sich z. B U m\' « 9 V; Um\ » 230 V. den, da eine etwa das Stellsystem störende Wechsel- Zweckmäßigerweise wird m\' als Einspeisungsstelle spannung bis unter die Störgrenze verringert werden 20 für die Stellspannung gewählt

kann. F i g. 4 stellt die Schaltung eines erßndungsgemäßen Auch bei der dritten Variante ist der technische Teil Antriebs dar; an den Stellen m\\ mj und m-ϊ werden die der Aufgabenstellung gelöst Soweit die Aufgabenstel- Stellströme Ai, la und /53 eingespeist die von den hier lung eine wirtschaftliche Lösung fordert, ist die dritte nicht dargestellten Stellgliedern kommen. Ein Transfor-Variante jedoch de» beiden anderen Varianten überle- 25 mator 6 transformiert die Netzphasen R, S, T.
gen: Es ist grundsätzlich von einer vorgegebenen Dreh- Fig. 5 zeigt zwei zusammengehörige Spulenpaare, spannung auszugehen, sowie von einer zu übertragen- wie sie zusammen mit durch einen Ring verbundenen den Leistung. Die Dimensionierung der Spulen, die auch Polschuhen angeordnet sind. Die Verteilung der Winzur Lagesteuerung dienen, ist somit vorgegeben. Ge- düngen folgt hierbei einer Sinusfunktion. An der einen maß der dritten Variante der Erfindung liegt z. B. die 30 der Spulen erfolgt die Einspeisung durch den Steuervolle Dreiecksspannung (bei dreiphasigem DrehstroTi) strom l_s\ über einen Tiefpaß. Bei dieser Anordnung ist es nicht mehr an der Einzelspule, sondern an der Spulen- möglich, durch Weglassen von den Kontakten r, s behälfte. Es muß somit die Gesamtwindungszahl beider nachbarten Windungen die Spannung bei m\' erheblich Spulenhälften um den Faktor ]ß erhöht werden. Bei zu verringern. Den weggelassenen Windungen entspregleicher Kraftwirkung verringert sich der notwendige 35 chen im Vektorendiagramm Spannungsvektoren, deren

Stellstrom um den Faktor -J=. Somit ist eine erhebli- R«^rende an Betrag der Ratspannung U „„' nahe-

-/T kommt, aber entgegengerichtet ist (siehe F1 g. 3: Es ver-

ehe Verbilligung des sogenannten Stellsystems, speziell schiebt sich gewissermaßen das gesamte Spannungsdia-

bezüglich der Leistungs-Endstufen, gegeben. gramm mit seinem linken Eck in den Sternpunkt).

Eine Ausgestaltung der dritten Variante der Erfin- 40 Fig.6 stellt die erfindungsgemäße Anordnung mät dung besteht darin, daß beide Spulenhälften für den separat eingespeisten Spulenhälften dar. Einspeisespan-Stellstrom in Serie geschaltet sind. Hierdurch verringert nungen r', s', t' entsprechen den vorherigen Dreieckssich der Gesamtstrom für eine Stelleinheit auf die Hälfte spannungen, sind aber demgegenüber um 30° phasendes in den vorgenannten Varianten notwendigen Stell- verschoben. Es ergibt sich somit eine neue Windungsstroms. Durch Tiefpässe wird verhindert, daß bei ge- 45 zahl W = W 2 · cos 30° =3 W, mit W = ursp.ünglimeinsamer Stromversorgung mehrerer Stellglieder je- ehe Windungszahl. Während für die resultierende Stellne untereinander unerwünschten Wechselwirkungen kraft Pfrüher der Strom I_s nötig war, ist nunmehr für die unterworfen sind. Eine weitere Ausgestaltung dieser gleiche Stellkraft nur noch der Strom
Lösung besteht darin, daß die Einspeisung der Stellströme über die Sekundärwicklung eines Drehstromtrans- 50 /> - ^ . /
forrnators oder über die Ausgangswicklung eines Um- ' -/3
richters vorgenommen wird. Es entfällt somit die Not-

wendigkeit, über Tiefpässe die einzelnen Stellsysieme nötig. Die Phasenzuleitungen sind vom Stellsystem

3; zu separieren. durch Tiefpässe getrennt. Der Antriebsstrom, der das

K Natürlich können auch Einzelheiten der verstehen- 55 Umlauffeld erzeugt, ist hinsichtlich der Lösung gemäß

?J den Erfindungen miteinander kombiniert werden, so- F i g. 1 gleichgeblieben.

weit sie nicht gegensätzlicher Natur sind. F i g. 7 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung; die

In den in der Zeichnung dargestellten Schaltskizzen volle Dreiecksspannung liegt an jeder Spulenhälfte an;

und Vektordiagrammen sind die erfindungsgemäßen der Stellstrom durchfließt die beiden Spulen jedoch in

Merkmale in Form von Beispielen näher erläutert. Alle 60 Serie. Somit ist nur noch ein Stellstrom halber Stärke an

nachfolgenden Beispiele beziehen sich auf dreiphasigen der Stellspule nötig, deren beide Hälften nach wie vor in

Drehstrom. gegenläufiger Richtung vom Stellstrom durchflossen F i g. 1 stellt in sinnbildlicher Darstellung den Dreh- sind. Der Stellstrom I₀ wird durch einen Transistor ana-

körper 4 dar, der von den Spulenpaaren 1, 2 und 3 log zur Stellspannung £Λ, über einen Tiefpaß auf die

umgeben ist. Jedes dieser Spulenpaare umspannt zu- 65 Wechselstromspule eingespeist. In Fig.7 ist in zwei

sammen 360°, wobei die Windungszahl in sinusförmiger Phasen durch Kondensatoren verhindert, daß über eine

Verteilung angeordnet ist. Jeweils in der Mitte einer gemeinsame Stromversorgung 5 von einem Stellsystem Einzelspule ist die höchste Windungsdichte anzutreffen. Stellströme ein Nachbarsystem beeinflussen können.

In F i g. 8 ist der Einzelumrichter 6 einer Antriebseinheit dargestellt. Durch zyklische Vertauschung der Kondensatoren und der Ansteuerung können alle drei Spulensysteme dieser Antriebseinheit mit Stellstrom versorgt werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 erreicht werden kann. Dieses wird mit der Erfindung des Patentansprüche: Hauptpatentes dadurch erreicht, daß die für den An trieb des Drehkörpers vorgesehenen Magnetspulen

1. Elektromagnetische Einrichtung zum Antrieb bzw. Teile der Wicklungen diese·· Magnetspulen zu- und zur zentrierenden Lagerung von mit magneti- 5 gleich von einem Regelsystem angesteuert werden, das sierbarem Material versehenen Drehkörpern mit mit einem Meßsystem zur Erfassung der radialen Lage vertikaler Drehachse, wobei die für den Antrieb des des Drehkörpers verknüpft ist.

Drehkörpers vorgesehenen Magnetspulen bzw. Tei- Mit dieser Lösung ist ein in der Praxis ohne großen

Ie der Wicklungen dieser Magnetspulen zugleich Aufwand realisierbarer Weg aufgezeigt, wie mit der

von einem Regelsystem angesteuert werden, das mit 10 gleichen Vorrichtung sowohl der Antrieb als auch die

einem Meßsystem zur Erfassung der radialen Lage berührungslose Lagerung und Zentrierung des Dreh-

des Drehkörpers verknüpft ist, nach Patent körpers bewirkt werden kann.

23 38 307, dadurch gekennzeichnet, da bei Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den

an ein Antriebsdrehstromsystem angeschlossenen Grundgedanken des Hauptpatentes in eine besonders

Magnetspulen des feststehenden Teiles zumindest 15 zweckmäßige und praktische Form zu bringen, wozu

zwei der Magnetspulen etwa in der Mitte aufge- insbesondere gehört, daß ein möglichst wirtschaftliches

trennt sind, beide Spulenhälften vom Stellstrom in Ansteuern der Spulen n?it Antriebs- und Steuerstrom

gegenläufiger Richtung durchflossen werden und zugleich ohne schädliche Wechselwirkungen ermöglicht

entweder ist

20 Bei der ersten Variante der erfindungsgemäßen Lö-

a) beide Spulen mit ungefähr sinusförmigem Win- sung durchlaufen die Drehströme in bekannter Weise dungsverlauf versehen sind oder die Gesamtspulen, die an der Stelle der Auftrennung

b) beide Spulen eine derart korrigierte Sinus-Win- hierzu einen überbrückenden Strompfad besitzen. Ein dungsverteilung aufweisen, daß die jeweils an Stellstrom durchfließt gleichzeitig zwischen der Stelle der Auftrennung einer Spule eines Spulcr.paa- 25 der Auftrennung und den Spulenenden die beiden Spures auftretende und aus der zum Antrieb des lenhälften in jeweils entgegengesetzter Richtung, wobei Drehkörpers dienenden Ansteuerung resultie- die angegebenen Stromrichtungen für glekhen Wickrende Wechselspannung vernachlässigbar ge- lungssinn der Spulenhälften gelten; hierdurch entsteht ring ist, oder ein resultierender Kraftvektor, der von der Achse des

c) jede Spulenhälfte an das speisende Antriebs- 30 Rotationskörpers etwa zur Stelle der Auftrennung hin drehstromsystem angeschlossen ist. gerichtet ist Dieser Kraftvektor resultiert aus kontinuierlich verteilten Kraftkomponenten, wie sie dem Induk-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, Alternative a), tionsverlauf des Magnetfeldes im Luftspalt zwischen dadurch gekennzeichnet, daß der Stellstrom der dem ruhenden und dem umlaufenden Teil entsprechen. Auftrennungsstelle über einen Tiefpaß zugeführt ist 35 Ein Optimum der Kraftwirkung ist bei möglichst enger

3. Einrichtung nach Anspruch 1, Alternative c), Nachbarschaft beider Einzelspulen erreicht, wie sie gedadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulenhälf- maß der Erfindung gegeben ist, wenn beide Einzelsputen für den Stellstrom in Serie geschaltet sind. len aus den aufgetrennten Hälften einer einzigen Spule

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- gebildet werden. Hierbei ist zweckmäßigerweise von zeichnet, daß die Einspeisung der Steli.ströme über 40 einander gegenüberliegenden Spulen jeweils die Spule die Sekundärwicklung eines Drehstromtransforma- aufzutrennen, an deren Auftrennung die geringere tors oder über die Ausgangswicklung eines Umrich- Wechselspannung gegenüber dem Bezugspotential des ters vorgenommen ist. Drehfelds auftritt um nachteilige Beeinflussungen und

unerwünschte Randbedingungen für Steil- und Drehsy-

45 stern möglichst klein zu halten. Es tritt zum Beispiel bei

einer Ausführung mit dreiphasigem Drehstrom der Spannung Uj und drei sinusförmig verteilten Spulen-

Die Erfindung des Hauptpatentes bezieht sich auf ei- paaren jeweils an einer Spule eines Spule.npaares an der ne elektromagnetische Einrichtung zum Antrieb und Mittenauftrennung eine Spannung von etwa 0,03 Uj, an zur zentrierenden Lagerung von mit magnetisierbarem 50 der zugehörigen gegenüberliegenden Spule eine Span-Material versehenen Drehkörpern mit vertikaler Dreh- nung von etwa 0,666 Uj auf. Die als Variante 1 aufgeachse. zeigte Lösung hat den Vorteil, daß, von der Auftren-

Eine solche Einrichtung ist durch die DE-OS nung abgesehen, zur Verwirklichung der Aufgabenstel-14 040 bekannt, bei der das Antriebs- und Lagersy- lung keinerlei baulicher Sonderaufwand vonnöten ist.
stern von einer Magnetischen Lagerung eines Rotors 55 Zur weiteren Entkopplung von Stell-und Drehsystem mit ferromagnetischen Teilen, Tragmagneten, Magnet- sieht eine Ausgestaltung der ersten Variante der Erfinfeldern, Steuergeräten und berührungslosen Fühlern dung vor, daß der Stellstrom der Auftrennungsstelle ausgeht und wobei diese elektromagnetische Lagerung über einen Tiefpaß zugeführt wird, wenn etwaige Stellauch zum Antrieb des Rotors herangezogen wird, wozu frequenzen unterhalb der Frequenzen des Drehfeides elektromagnetische Mittel der Stabilisierungseinrich- 60 liegen. Da jedoch schnellaufende Drehkörper, wie z. B. tung zur Aufnahme eines Mehrphasenwechselstromes Gyroskope, mit einer Drehfrequenz von einigen taumit einer der gewünschten Drehzahl des Rotors ent- send Hertz betrieben werden, wobei die Mindestfresprechenden Frequenz ausgebildet sind und der Rotor quenz beim Anlauf bereits einige hundert Hertz beträgt, so nach Art eines Hysteresemotors angetrieben wird. und da die vom Stellsystem zu bekämpfenden Siör-

Durch die Erfindung des Hauptpatentes wird die be- 65 schwingungen in der Frequenz wesentlich tiefer liegen, kannte Einrichtung dahingehend verbessert, daß unter wird diese Ausgestaltung vielfach möglich sein,
einem fertigungstechnischen Mindestaufwand eine ra- Bei der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Lösche und zuverlässige Stabilisierung des Drehkörpers sung umspannen die Spulen zum Beispiel jeweils 180".