DE2400802C2

DE2400802C2 - Meßvorrichtung für die Steuervorrichtung der magnetischen Lagerung eines Rotors

Info

Publication number: DE2400802C2
Application number: DE19742400802
Authority: DE
Inventors: Maurice Brunet; Helmut Vernon Habermann; Jacques Foret de Vernon Leclere
Original assignee: Société Européenne de Propulsion, Puteaux, Hauts-de-Seine
Priority date: 1973-01-18
Filing date: 1974-01-09
Publication date: 1987-01-22
Also published as: NL181686C; NL181686B; JPS49106352A; NL7314553A; DE2400802A1; JPS5829442B2; FR2214890B1; GB1418261A; FR2214890A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für die Steuervorrichtung magnetischen Lagerung eines Rotors, welche die Abweichung der Rotorachse von deren Soll-Lage bezüglich zweier die Rotorachse enthaltende Bezugsebenen ermittelt und das dabei erhaltene Gesamtsignal der Steuervorrichtung zwecks Weiterverarbeitung und Zurückführung der Rotorachse in deren Soll-Lage übermittelt, wobei die Meßvorrichtung mehrere Fühlerpaare aufweist, die mit dem die Magnetlager tragenden Stator verbunden sind, jeweils aus zwei inbezug auf die Rotorachse diametral gegenüberliegenden Fühlern bestehen und als Zweiheiten derart gruppiert sind, daß jeder Bezugsebene vier Fühler zugeordnet sind, die in einer gleichen zur Rotorachse senkrechten Ebene liegen, symmetrisch zur Bezugsebene angeordnet und derart miteinander verbunden sind, daß sich die von zwei Fühlern desselben Paares übermittelten Signale gegenseitig subtrahieren und sich diese Differenzsignale gegenseitig zu dem Gesamtsignal addieren.
Eine solche Meßvorrichtung ist aus der US-PS 34 58 239 bekannt, bei der acht in zwei Gruppen zu je vier zusammengefaßte Fühler verwendet werden, wobei jede dieser beiden Gruppen aus zwei diametral gegenüberliegend angeordneten und in Opposition geschalteten Fühlerpaaren besteht. Die acht Fühler sind in regelmäßigen Abständen über den Umfang des Lagers verteilt, so daß zwei aufeinanderfolgende Fühler durch einen Zentriwinkel von 45° getrennt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Meßvorrichtung so weiterzubilden, daß lediglich radiale Verschiebungen der Rotorachse - unter Ausschluß der periodischen Änderungen des Rotorradius, deren Frequenzen bis zum Drei- bzw. Fünffachen der Rotordrehfrequenz entsprechen - gemessen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Rotorachse enthaltenden Ebenen, die zwei Fühler jedes Paares einer Zweiheit verbinden, mit den zugehörigen Bezugsebenen einen Winkel von 30° bilden.
Aufgrund dieser Ausgestaltung werden aus dem Signal, das von der Meßvorrichtung auf die Steuervorrichtung der magnetischen Lagerung des Rotors übertragen wird, sämtliche wesentlichen Störungen eliminiert, die aus Änderungen des Rotorradius resultieren, da lediglich periodische Änderungen des Rotorradius der drei- bis fünffachen Rotordrehfrequenz eliminiert werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere zur Unterdrückung periodischer Änderungen des Rotorradius der fünffachen Rotordrehfrequenz, ist jeder Fühler in zwei Fühlerteile unterteilt, wobei die Fühlerteile symmetrisch zu den die Rotorachse enthaltenden Ebenen, die zwei Fühler jedes Paares einer Zweiheit verbinden, um einen Winkel von 18° versetzt angeordnet sind.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielshalber erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Vorderansicht auf einen axialen Schnitt eines magnetischen Wellenlagers, das mit einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ausgestattet ist,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Meßvorrichtung des Wellenlagers der Fig. 1 und
Fig. 3, 4, 5 und 6 auf verschiedenen graphischen Darstellungen die Grundlage der Erfindung und die aufeinanderfolgenden Harmonischen, deren Überlagerung den Schnitt eines Rotors im Niveau der Meßvorrichtung ergibt.
Gemäß Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung (1) zur Feststellung der Radialverschiebung im Niveau jedes der beiden Enden (2 a und 2 b) eines Rotors (2) angebracht, der mittels magnetischer Lager (3) auf einem Stator ( 4) montiert ist.
Jedes Lager (3) besteht aus Spulen (3 a), die um ein magnetisches Material (3 b) gewickelt sind, welches durch einen Stapel von magnetischen Blechfolien gebildet ist.
Ein Motor (5), der aus um einen magnetischen Körper (5 b) gewickelten Spulen (5 a) besteht, sichert die Mitnahme des Rotors (2) auf Drehung um die Achse (6) durch die Kräfte, welche er auf den mit dem Rotor (2) fest verbundenen magnetischen Körper (5 c) ausübt.
Die axiale Lage des Rotors (2) wird durch eine axiale magnetische Meßvorrichtung (7) kontrolliert, die aus einem U-förmigen magnetischen Stück (7 a), bsp. aus Ferrit, besteht, das fest am oberen Ende (4 a) des Stators (4) sitzt, um welches eine nicht gezeichnete Induktionsspule gewickelt ist. Das Stück (7 a) wirkt mit einem scheibenförmigen Ferritstück (7 b) zusammen, welches gegenüber dem U-förmigen Stück (7 a) derart angeordnet ist, daß es den magnetischen Kreislauf dieses letzteren hervorruft; es ist fest mit dem mittleren Teil des oberen Rotorendes verbunden, welches einen Deckel (2 c) des Rotors ( 6) bildet.
Diese axiale magnetische Meßvorrichtung (7) steuert mittels eines an sich bekannten, nicht dargestellten Steuer- Stromkreises in den beiden Spulen (8 a und 8 b) eines ringförmigen, mit dem Stator (4) fest verbundenen Elektromagneten (8) die Stärke der beiden Spulen (8 a und 8 b). Der Elektromagnet (8) umgibt den Stator (4 ); in dem Spalt zwischen den Spulen (8 a und 8 b) befindet sich eine Krone (8 c) aus magnetischem Material, die mit dem Rotor (2) fest verbunden ist, während die Spulen (8 a und 8 b) fest mit dem Stator (4) verbunden sind.
Jede erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Ermittlung von Werten für die Korrektur von Radialverschiebungen eines Rotors (2) besteht aus einer Scheibe (1 a) mit Mittelpunkt (1 b), der auf der theoretischen Drehachse des Rotors (2) liegt.
Die Scheibe (1 a) ist senkrecht zur Rotationsachse angeordnet und fest mit dem Stator (4) verbunden.
Auf dem Umfang der Scheibe (1 a) befinden sich acht Meßfühler (1 d, 1 e, 1 e, 1 f, 1 g, 1 h, 1 i, 1 j und 1 k), die je aus einem U-förmigen Stück magnetischen Materials (z. B. Ferrit) bestehen. All diese kleinen U-förmigen Stücke sind in der Ebene der Scheibe (1 a) derart angeordnet, daß sie die offene Seite ihres U dem Außenrand der Scheibe (1 a) zukehren und daß die Enden der beiden radial verlaufenden Zweige ihres U auf dem Umfang (1 c) der Scheibe (1 a) liegen.
Die acht Meßfühler arbeiten mit einer ringförmigen Krone (2 d) aus magnetischem Material, bsp. aus Ferrit, zusammen, die in derselben Ebene wie die Scheibe (1 a) angeordnet und mit dem Rotor (2) fest verbunden ist.
In der theoretischen Ideallage des Rotors muß der Mittelpunkt (2 e) der ringförmigen Krone (2 d) auf der Rotationsachse liegen und mit dem Mittelpunkt (1 b) der Meßvorrichtung (1) zusammenfallen. Letztere ist nun dazu bestimmt, die Radialverschiebungen des Mittelpunkts (2 e) gegenüber dem Mittelpunkt (1 b) zu messen.
Wenn die Scheibe (1 a) bezüglich der beiden senkrecht zueinander stehenden Achsen (X'X und Y'Y) derart markiert ist, daß sie den Mittelpunkt (1 b) der Scheibe (1 a) durchlaufen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so sind die Meßfühler (1 d, 1 e, 1 f und 1 g) dazu bestimmt, die Verschiebungen des Mittelpunkts (2 e) in Richtung einer zu (X'X) parallelen Richtung festzustellen, während die Meßfühler (1 h, 1 i, 1 j und 1 k) dazu bestimmt sind, die Verschiebungen des Mittelpunkts (2 e) in einer zu (Y'Y) parallelen Richtung festzustellen. Zu diesem Zweck sind die beiden Meßfühler (1 d und 1 e) auf der Scheibe (1 a) derart befestigt, daß ihre Symmetrieebene im Mittelpunkt (1 b) durch die zur Scheibe (1 a) Senkrechte geht und daß die Schnittlinien der radialen Symmetrieebenen mit der Ebene (X&min;X, Y&min;Y) zur Geraden (X&min;X) Winkel von 30° bilden. Die Halbgerade jeder dieser Schnitte, die vom Mittelpunkt (1 b) ausgeht und den Meßfühler (1 d) oder den Meßfühler (1 e) schneidet, bildet mit der Halbgeraden (1 b-X) einen algebraischen Winkel von minus 30° oder entsprechend von plus 30°.
Die beiden Meßfühler (1 f und 1 g) sind auf der Scheibe (1 a) in bezug auf die durch deren Mittelpunkt (1 b) gehende Senkrechte symmetrisch zu den Meßfühlern (1 d und 1 e) befestigt.
Die vier Fühler (1 h, 1 i, 1 j und 1 k) sind in derselben Stellung zur Achse (Y&min;Y) befestigt wie die vier Meßfühler (1 d, 1 e, 1 f und 1 g) zur Achse (X'X); anders ausgedrückt, leitet sich ihre Stellung von derjenigen jeder der vier vorhergehenden durch eine Drehung von 90° um den Mittelpunkt (1 b) der Scheibe (1 b) ab.
Ein Draht (1 l) ist nacheinander um jeden der beiden Arme der vier Meßfühler (1 d, 1 e, 1 f und 1 g) gewickelt, und zwar in Serie in der Reihenfolge (1 e, 1 d, 1 g und 1 f). Die beiden Enden des Drahtes (1 l) sind an einen nicht dargestellten Generator an sich bekannter Art angeschlossen. Die Spulen des Drahtes (1 l) um jeden der Arme des Meßfühlers sind derart gewickelt, daß beim Anschluß an den Generator ein Nordpol auf einem Arm und ein Südpol auf dem anderen Arm jedes Meßfühlers entstehen. Dabei sind der Nordpol und der Südpol symmetrisch zur Achse (X'X) und zur Achse (Y'Y) angeordnet, wie es in Fig. 2 durch die Buchstaben N und S gezeigt ist.
Ebenso ist ein Draht (1 m) nacheinander um jeden der beiden Arme der vier Meßfühler (1 h, 1 i, 1 j und 1 k) gewickelt, und zwar in Serie in der Reihenfolge (1 j, 1 k, 1 h und 1 i). Die beiden Drahtenden (1 m) sind an einen nicht dargestellten Generator an sich bekannter Art angeschlossen. Die Spulen des Drahtes (1 m) um jeden der Arme des Meßfühlers sind derart gewickelt, daß beim Anschluß an den Generator ein Nordpol auf einem Arm und ein Südpol auf dem anderen Arm jedes Meßfühlers entstehen. Ein Nordpol und ein Südpol sind symmetrisch zur Achse (X'X) und zur Achse (Y'Y) angeordnet, wie es in Fig. 2 durch die Buchstaben N und S gezeigt ist.
Ein Draht (1 n), der dazu bestimmt ist, das den Verschiebungen des Mittelpunkts (2 e) parallel zur Achse (X'X) entsprechende Signal zu übertragen (wobei die Verschiebungen durch die aus den Fühlerpaaren (1 d-1 f und 1 e-1 g) gebildete Zweiheit gemessen werden), ist mit einem seiner Enden an den Draht (1 l) zwischen den Meßfühlern (1 d und 1 g) und mit seinem anderen Ende an eine Steuerkette angeschlossen, die an sich bekannt und nicht dargestellt ist.
Ebenso ist ein Draht (10), der dazu bestimmt ist, das den Verschiebungen des Mittelpunkts (2 e) parallel zur Achse (Y'Y) entsprechende Signal zu übertragen (wobei die Verschiebungen durch die aus den Fühlerpaaren (1 h-1 j und 1 i-1 k) gebildete Zweiheit gemessen werden), mit einem seiner Enden an dem Draht (1 m) zwischen den Meßfühlern (1 k und 1 h) und mit seinem anderen Ende an eine Steuerkette angeschlossen, die an sich bekannt und nicht dargestellt ist.
Die in Fig. 2 erkennbaren Ebenen (S ₁, S ₂, S ₃ und S ₄) veranschaulichen die Lehre des Anspruchs 2. Bei dieser Ausführungsform ist jeder Meßfühler (1 d, 1 e, 1 f, 1 g, 1 h, 1 i, 1 j und 1 k) in zwei Fühlerteile (1 d&min;, 1 d&sec;; 1 f&min;, 1 f&sec;; 1 e&min;, 1 e&sec;; 1 g&min;, 1 g&sec;; 1 i&min;, 1 i&sec;; 1 k&min;, 1 k&sec;; 1 h&min;, 1 h&sec;; 1 j&min;, 1 j&sec;) unterteilt, wobei die Fühlerteile (1 d&min;, 1 d&sec;; 1 f&min;, 1 f&sec; und 1 e&min;, 1 e&sec;; 1 g&min;, 1 g&sec; bzw. 1 i&min;, 1 i&sec;; 1 k&min;, 1 k&sec; und 1 h&min;, h&sec;; 1 j&min;, 1 j&sec;) symmetrisch zu den die Rotorachse enthaltenden Ebenen (S ₂ und S ₁ bzw. S ₃ und S ₄), die zwei Fühler jedes Paares einer Zweiheit verbinden (1 d mit 1 f und 1 e mit 1 g bzw. 1 i mit 1 k und 1 h mit 1 j), um einen Winkel von 18° versetzt angeordnet sind.
Es ergibt sich also aus dem Vorhergehenden folgende Wirkungsweise:
Wird der Rotor (2 f) als vollständig rund um einen in Fig. 3 mit (2 h) bezeichneten Festpunkt (X-Y) angenommen, in welchem auf der Abszisse (X) der Polarwinkel (x), der irgendeinen Radius (y) mit einem bestimmten, als Ursprung gewählten Radius (y ₀) bildet, und auf die Ordinate die Länge dieses Radius aufgetragen, wie in Fig. 3 dargestellt, dann wird die erhaltene Kurve (10) einen Abschnitt parallel zu O-X einer Ordinate ergeben, die gleich dem Radius des Rotors (2 f) ist. Zu beachten ist, daß die Kurve (10) die Kurve (y) (Länge des Radius) = (y(x)) darstellt, wobei (x) der Polarwinkel ist, und daß der bestimmte Radius genau derjenige ist, der X = 0 entspricht.
Wird weiter angenommen, daß der Rotor (2 g) leicht oval, bsp. elliptisch mit einem Mittelpunkt (2 i) ist, so lehrt die Theorie, daß die Abweichungen y ( y ist dabei y-y mittel) des Rotorradius (2 g) (in Funktion des dem erwähnten Radius entsprechenden Polarwinkels) durch eine Sinusoidale (11) mit einer Periode gleich 180°, d. h. der Hälfte der Länge der Kurve (10) dargestellt sind.
Schließlich wird irgendeine Veränderung des erwähnten Radius y (als Funktion des entsprechenden Polarwinkels) als die Überlagerung einer sehr großen Zahl von Sinusoiden von Perioden betrachtet werden können, die gleich den gesamten aufeinander folgenden ganzen Bruchteilen von 360° sind, bsp. die Kurven (12 und 13) von Perioden entsprechenden 360° : 3 = 120° und 360° : 4 = 90°.
Man versteht also, daß diese periodischen Veränderungen des Radius (y) entsprechende periodische Veränderungen der Größe des Spalts der magnetischen Meßvorrichtung bei der Rotation des Rotors zur Folge haben, wobei die Frequenz der Veränderungen ein Vielfaches derjenigen des Rotors sein wird, woher ihre Bezeichnung "Harmonische" kommt.
Man begreift auch, daß das diametrale Gegenüberstellen der Meßfühler und das Verbinden einander gegenüberstehender Meßfühler, wie es eben auf die beiden ein Paar bildenden Meßfühler zutrifft, derart, daß sie die von ihnen ausgesandten Signale algebraisch zerteilen, sofort alle geraden Harmonischen des sich ergebenden Signals ausschließen. In der Tat ist auch aus den Figuren ersichtlich, daß die beiden Meßfühler, die für alle diese geraden Harmonischen stehen, und die durch eine ganze Zahl der Wellenlänge der Sinusoiden der genannten Harmonischen geteilt sind, dasselbe anzeigen und infolgedessen zwei identische Signale aussenden werden, deren Differenz also Null betragen wird.
Man erkennt jedoch außerdem - und auch darin besteht die Erfindung -, daß zwei um 60° versetzte und in Serie angeschlossene Meßfühler algebraisch die von ihnen ausgesandten Signale addieren, wie es jeder Meßfühler eines Paares gegenüber einem der Meßfühler des anderen Paares derselben Zweiheit ist, um eine Wellenhalblänge gegenüber der dritten Harmonischen versetzt sind, daß sie also einander entgegengesetzte Größen messen und dann entgegengesetzte Signale, deren Summe natürlich Null sein wird, übertragen. Dieses Phänomen zeigt sich für jede ungerade Harmonische und, um es zu eliminieren, wird es daher genügen, jeden der Meßfühler, die notwendig sind, um die ungerade vorhergehende Harmonische zu eliminieren, durch zwei Meßfühler zu ersetzen, deren Signale man addieren wird und die symmetrisch zur alten Position des von ihnen ersetzten Meßfühlers angeordnet sein werden, indem sie um eine halbe Wellenlänge für die erwähnte Harmonische, anders ausgedrückt von π, versetzt sind.
Fig. 6 zeigt auf einundderselben graphischen Darstellung die vier Kurven (14, 11, 12 und 13), die je nachdem denjenigen Signalen entsprechen, die bei einer Verschiebung der Rotorachse gegenüber derjenigen der Meßfühler entstehen, wobei die Verschiebung die erste Harmonische darstellt (Kurve 14), bzw. denjenigen Signalen entsprechen, die bei einer Nichtrundheit elliptischer Art des Rotors um seine Achse (zweite Harmonische, Kurve 11), birnenförmiger oder dreieckiger Art (dritte Harmonische, Kurve 12), oder quadratischer Art (vierte Harmonische, Kurve 13) entsprechen.
Die Meßfühler (1 d, 1 e, 1 f und 1 g), die eine Zweiheit der Paare darstellen, welche die Messung der Rotorbewegung entsprechend (X'X) sicherstellen, sind schematisch auf dieser Figur in Positionen dargestellt, die denjenigen entsprechen, welche sie auf dem Stator (4) einnehmen. Die Pfeile und die angegebenen Zeichen stellen die Transmissionen und die Operationen sinnbildlich dar, die bewirkt werden, sobald Signale durch die Meßfühler mithilfe der oben beschriebenen Verbindungen übertragen werden.
Gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung können die acht Meßfühler (1 d, 1 e, 1 f, 1 g, 1 h, 1 i, 1 j und 1 k) und die Scheibe (1 a), auf der sie befestigt sind, aus wirtschaftlichen Gründen durch einen einfachen Stapel von Blechen ersetzt werden, die nach der gleichen Form geschnitten sind wie die in Fig. 2 angegebene und also eine Folge von radialen Nasen bzw. Rippen oder Klammern darstellen, welche die Meßfühler ersetzen und um welche die Drähte (1 l und 1 n) gemäß obigen Angaben gewickelt sind.
Ebenso und aus den gleichen Gründen kann die ringförmige Krone (2 d), die mit dem Rotor (2) einstückig ist, auch aus einem einfachen magnetischen oder nichtmagnetischen Leiterring bestehen.

Claims

1. Meßvorrichtung für die Steuervorrichtung der magnetischen Lagerung eines Rotors, welche

1. die Abweichung der Rotorachse von deren Soll-Lage bezüglich zweier die Rotorachse enthaltende Bezugsebenen ermittelt und

2. das dabei erhaltene Gesamtsignal der Steuervorrichtung zwecks Weiterverarbeitung und Zurückführung der Rotorachse in deren Soll-Lage übermittelt, wobei

3. die Meßvorrrichtung mehrere Fühlerpaare aufweist, die

3.1 mit dem die Magnetlager tragenden Stator verbunden sind,

3.2 jeweils aus zwei inbezug auf die Rotorachse diametral gegenüberliegenden Fühlern bestehen;

3.3 als Zweiheiten derart gruppiert sind, daß jeder Bezugsebene vier Fühler zugeordnet sind, die

3.3.1 in einer gleichen zur Rotorachse senkrechten Ebene liegen;

3.3.2 symmetrisch zur Bezugsebene angeordnet sind;

3.3.3 derart miteinander verbunden sind, daß sich

3.3.3.1 die von zwei Fühlern desselben Paares übermittelten Signale gegenseitig subtrahieren und sich

3.3.3.2 diese Differenzsignale gegenseitig zu dem Gesamtsignal addieren;

dadurch gekennzeichnet, daß

4. die die rotorachse enthaltenden Ebenen (S ₂ und S ₁; S ₃ und S ₄), die zwei Fühler jedes Paares einer Zweiheit verbinden (1 d mit 1 f und 1 e mit 1 g; 1i mit 1 und 1 h mit 1 j), mit den zugehörigen Bezugsebenen (X'X; Y'Y) einen Winkel von 30° bilden.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fühler (1 d; 1 f; 1 e; 1 g; 1 i; 1 k; 1 h; 1 j) in zwei Fühlerteile (1 d&min;, 1 d&sec;; 1 f&min;, 1 f&sec;; 1 e&min;, 1 e&sec;; 1 g&min;, 1 g&sec;; 1 i&min;, 1 i&sec;; 1 k&min;, 1 k&sec;; 1 h&min;, 1 h&sec;; 1 j&min;, 1 j&sec;) unterteilt ist, wobei die Fühlerteile (1 d&min;, 1 d&sec;; 1 f&min;, 1 f&sec; und 1 e&min;, 1 e&sec;; 1 g&min;, 1 g&sec; bzw. 1 i&min;, 1 i&sec;; 1 k&min;, 1 k&sec; und 1 h&min;, 1 h&sec;; 1 j&min;, 1 j&sec;) symmetrisch zu den die Rotorachse enthaltenden Ebene (S ₂ und S ₁ bzw. S ₃ und S ₄), die zwei Fühler jedes Paars einer Zweiheit verbinden (1 d mit 1 f und 1 e mit 1 g bzw. 1 i mit 1 k und 1 h mit 1 j), um einen Winkel von 18° versetzt angeordnet sind.