DE2457084A1

DE2457084A1 - Radiales aktives magnetisches lager

Info

Publication number: DE2457084A1
Application number: DE19742457084
Authority: DE
Inventors: Peter Konrad Prof Dr I Hermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-02-09
Filing date: 1974-11-30
Publication date: 1976-06-10
Also published as: NL7501466A; GB1500809A

Description

Pateiaib-Yerwaltungs GmbH 6 JFrankiiirt a.M-, fheodor Stern Kai 1

Lehmann/li B I 74-/69

Radiales aktives magnetisch.es L&₍j;er. (Zusatz zu Patentanmeldung P 24 06 790.1)

Sas Hauptämtern: (Patentanmeldung P 24 G6 790.1) be-

ti-iii't eia radialee aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb, bestehend aus der Kombination eines oder mehrerer Ständer und einem Rotor mit einem von Sensoren überwachten Luftspalt, wobei jeweils dem von der Ständerwicklung durch Speisung mit Drehstrom erzeugten Antriebsdrehfeld ein Steuerdrehfeld überlagert ist, derart, dass einem n-polpaarigen Antriebsdrehfeld ein (n-l)-polpaarides über die Sensoren moduliertes Steuerdrehfeld überlagert ist.

Eine Erfindung vorstehender Art wird dadurch weitergebildet, dass eine in die als Sensoren wirkende Steuerdrehfeldwicklung induzierte, von einer Exzentrizität des Rotors abhängige Spannung den Strom der Steuerdrehfeldwicklungen stellt.

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Es wird also die Steuerdrehfeldwicklung als Sensorwicklung verwendet. Bei vorhandenem Antriebadrsikfeld wiru. in die Steuerdrehfeldwicklung nur bei vorhandener Exzeritrijtitiit des Läufers eine zusätzliche Spannung induziert, die z.2>. beim Kurzschluss der Steuerdrehfeldwicklung einen Strom induziert, der seinerseits ein Steuerdrehfeld hervorruft, das in Verbindung mit dem Antriebsdrehfeld die radialen Stellkräfte vermindert, die bei Exzentrizität der Läuferachse auftreten und diese zu vergrössern suchen.

Bei nicht vorhandenen ohmschen und streuinduktiven Widerständen im Steuerkreis der Steuerdrehfeldwicklungen, ein Zustand, wie er durch aktive, negative Widerstände statt eines Kurzschlusses der Steuerdrehfeldwicklungen bewirkt werden kann, hebt das erzeugte Steuerdrehfeld den Einfluss der Exzentrizität des Läufers auf die Luftspaltinduktionsverteilung der Antriebsdrehfeldwicklungen gerade auf. Das Antriebsdrehfeld hat dann wieder die gleiche Botationssymmetrie wie bei zentrischem Läufer, so dass keine Labilität der Läuferzentrierung wie bei üblichen Motoren und Generatoren verbleibt, die die einmal auftretende Exzentrizität zu vergrössern trachtet.

Der Abschluss der Steuerdrehfeldwicklungskreise mit die ohmschen Widerständegerade kompensierenden aktiven negativen Widerstände besteht aus rückgekoppelten Verstärkern. Dies stellt zwar noch kein aktives magnetisches Lager mit stabiler Zentrierung des Läufers dar, wohl aber eine indifferente Lagerung, die die MaschiBää beispielsweise als Motorantrieb

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für Fahrzeuge vorteilhaft verwendbar macht, bei der Läufer direkt auf die Radsatzachse und der Ständer auf dem elastisch gegen die Lager aufgehängten Wagenkasten oder Drehgestell befestigt wird, so dass die ungefederte Masse an den.Radsätzen erheblich vermindert wird.

Wird den weiteren Möglichkeiten des Erfindungsgedankens entsprechend der aktive negative Abschlusswiderstand so ausgelegt, dass der ohmsche Widerstand des Steuerdrehfeldkreises zu Null ergänzt und der induktive Widerstand auf einen Restwert der Nutzflusskomponente der Wicklungsinduktivität verringert wird, der den Bruchteil l/k von dieser ausmacht, so entsteht eine magnetische, aktive, stabile Lagerung von einer Steifigkeit, die das k~lfache des Betrages der Labilität der magnetischen Läuferstellkräfte bei offenen Steuerdrehfeldwicklungen ausmacht. Die Rückstellkräfte bei Läufer-Exzentrizitäten sind dann rein elastisch, ä.so der vorhandenen Exzentrizität genau entgegengerichtet. Um auch eine Dämpfung etwa entstehender Lagerschwingungen zu erzielen, ist der negative Widerstand so zu dimensionieren, dass auch die ohmsche Komponente nicht ganz bzw. gar nicht kompensiert oder sogar durch zusätzliche ohmsche Abschlusswiderstände erhöht wird.

Ein spezielles Anwendungsgebiet des Erfindungsgedankens ist die zusätzliche magnetische gedämpfte Lagerung der Läufer von Motoren oder Generatoren mit überkritischer Drehzahl zur Erleichterung des Durchfahrens kritischer Drehzahlen beim Hochlaufen. Die Möglichkeit der magnetischen Läuferlagerung

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kann aber auch bei der Betriebsdrehzahl angewendet werden, um zu Konstruktionen noch grösserer Läuferlänge und mithin kleinerer Durchmesser für gleiche Leistung der Maschinen vorzudringen als bei nur mechanischer Lagerung und labilisierenden magnetischen Feldfcräften möglich, ist. Langgestreckte Motorformen kleinen Durchmessers werden z.B. im Brunnenbau für ,Tiefpumpen benötigt.

Handelt es sich um Massnahmen zum leichteren Durchfahren der kritischen Drehzahlen, so kann die Steuerwicklung mit relativ sehr kleinem zusätzlichen Bedarf anWickelquerschnitt in den Ständernuten auskommen, da sie strommässig nur kurzzeitig belastet wird.

Die Kompensation der Induktivität der Steuerwicklungen durch negative, induktive, aktive Widerstände darf nicht die Gesamtinduktivität der Steuerwicklungsstromkreise negativ machen, was zu selbsterregten ungedämpften Lagerkraftschwingungen führen würde.

Aus diesem Grunde ist auch der Ersatz der aktiven, negativen, induktiven Abschlusswiderstände durch kakapitive Abschlusswiderstände in vielen Anwendungsfällen nicht möglich, weil für evtl. angeregte Frequenzen jedenfalls bei kompensierten ohmschen Widerständen in den Steuerstromkreisen Selbsterregung auftritt.

Bei fester Speisefrequenz kann jedoch auch mit kapazitivem Abschluss der Steuerstromkreise eine gedämpfte stabile magnetische Lagerung erreicht werden, wenn die Eesonanzfre-

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quenz unter der Speisefrequenz liegt und erforderlichenfalls ohmsehe Seihen- oder Parallelwiderstände zu der AbSchlusskapazität hinzugeschaltet werden.

Eine derartige magnetische Lagerung durch Abschluss der Steuerwicklungen mit passiven ohmschen und kapazitiven Widerständen kann auch nur zur Herstellung statischer oder nur langsam veränderlicher Lagerkräfte ausreichen, weil id Steuerstromkreis die Summen- und Differenzfrequenzen von Speisefrequenz und Schwingungsfrequenz der Exzentrizitäten wirksam ist, und die kapazitive Kompensation der Induktivität der S^ euer wicklung frequenzabhängig ist. Ausreichende Dämpfung von Lagerschwingungen mit passivem Widerstands ab Schluss kann insbesondere bei kleinen Motoren nur mit relativ grossem Aufwand an Kupfer und Wickelvolumen für die Steuerwicklung erreicht werden, was aufwendiger sein kann als eine magnetische Lagerung unter Verwendung aktiver negativer ohmscher und induktiver Widerstände mit entsprechenden Verstärkerschaltungen .

Derartige aktive negative Widerstände als Abschluss für beide Steuerwicklungen einer Drehfeldmaschine zum Zwecke der magnetischen, auch für dynamische Beanspruchung geeigneten Lagerung von Drehfeldmaschinen werden im folgenden anhand einer Zeichnung schematisch erläutert.

Nach Fig. 1 wird die Steuerwicklung 1 als Induktivität L, in Reihe mit einem ohmschen Widerstand R-, wirksam. In dieser Wicklung wird vom Speisestrom eine der Exzentrizität proportionale Spannung U₁ induziert, die ebenfalls in Reihe ge-

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schaltet dargestellt ist, so dass die Gesamtspannung an L, , R, und u·, die Spannung an den Anschlussklemmen der Steuerwicklung darstellt. Diese wird In Reihe mit einer Vergleichsinduktivität 2, die auch mit zusätzlicher Sekundärwicklung ausgestattet sein kann, an den Ausgang eines Verstärkers 3 geschaltet, der spannungsmässig so gegengekoppelt ist, dass seine Aus gangs spannung u * zur Eingangsspannungu ■*,. in einea konstanten, nahezu stromunabhängigen Verstärkungsverhältnis steht.

Die Vergleichsinduktivität 2, bestehend aus der Reihenschaltung einer Induktivitätsgrösse Lp und einer Widerstandsgrösse Rp, ist in Eeihe mit der Steuerwicklung 1 zum Erdpunkt hin verbunden, und es führt die elektrische Verbindung beider zum Verstärkereingang.';

R, und R2 setzen sich zusammen aus den ohmschen Anteilen von Steuerwicklung 1 und Vergleichsinduktivität 2 sowie bei R,, dem Innenwiderstand des Verstärkerausganges (u ?) und zusätzlichen stellbaren Widerständen bei Hg» ^m^ denen die Lagerschwingungen zusätzlich be- oder entdämpft werden können. Die Lagersteifigkeit ist umso grosser, je kleiner der Induktionswert L-,- (V-I) Lo gemacht wird. Er darf Jedoch nicht negativ werden. Ferner 1st die Schwingungsdämpfung umso grosser, je kleiner der Widerstandswert R,- (V - 1) Rp wird. Auch dieser Wert darf nicht negativ werden.

Da die Induktivität L, der Steuerwicklung mit zunehmender Exzentrizität zunimmt, 1st die Lagersteifigkeit der so er-

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zeugten magnetischen Lagerung degressiv, das Leisst, sie nimmt mit zunehmender Auslenkung ab, die Rückstellkraft steigt weniger als proportional mit anwachsender Exzentrizität. Dem kann dadurch begegnet werden, dass im Rückkopplungsweg des Verstärkers ein vorzugsweise mit dem Quadrat des ausgesteuerten Stromes i zunehmender Verstärkungsfaktor erzeugt wird, wobei die Randbedingung zu erfüllen ist, z.B. durch eine Strombegrenzerschaltung, dass der Strom i der Steuerwicklung im Luftspalt keine Induktion erzeugt, die grosser als die Induktion ist, die durch den Antriebsstrom hervorgerufen wird.

Eine weitere erfindungsgemässe Verbesserungsmöglichkeit der Lagersteifigkeit besteht in der konstruktiven Gestaltung der Vergleichsinduktivität 2 mit einem ferromagnetischen Kern derart, dass die dem maximalen Strom i entsprechende Feldstärke im Kern noch unterhalb derjenigen Feldstärke liegt, an der die Permeabilität des Kernmaterials ihr Maximum erreicht.

Fig. 2 zeigt eine weitere Schaltungsmöglichkeit für aktive negative Widerstände als Abschluss der Steuerwicklungskreise für magnetische Lagerung. Der Verstärker 32 ist bei dieser Schaltung strommässig so gegengekoppelt, dass der Ausgangsstrom i der Eingangsspannung u_e2 mit einem nahezu spannungsunabhängigen Proportionalitätsfaktor I^ ^em in diesem Fall dimensionsbehafteten Verstärkungsfaktor, proportional ist. Die Steuerwicklung 1 ist wie in Fig. 1 durch die Reihenschaltung von Lt* u-, und R-, dargestellt. Sie wird in Reihe mit einem Rückkopplungswiderstand R, an Verstärkerausgang und Erde angeschlossen. Parallel dazu wird ein Vergleichs-

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zweig 22, bestehend aus VergleiehsinduktiiiFitat oh.msch.eia Widerstand derselben einsehillesslieh· susciialtaarem ohmschen Widerstand H22 ^an ^^eH V/erstärkerausgaiig; tirtd Erde (bzw* Sternpunkt} geschaltet_t so dass der Ausgangs—

ström i sich, aufteilt in den Seilstrom i_y ~ der Steuera 12

Wicklung und i^o &^es Vergleichszweiges. Sie Spannung Widerstand R^ dient als Eingangs spannung u ~ ö·⁶² Verstärkers.

Bei dieser Schaltung 1st die Lagerung ussg steifer, je kleiner der Induktionswert L, _o - (V_O2. -11) L₀- ir;*:. Lieser darf jedoch nicht negativ worden. Lie Dämpfung vo^ Lagerschwingungen is i, uotoO grosser, je kleiner der Widerstandswert Rn- (VoRx - 1) Rop i^st· Auch dieser Wert darf nicht negativ ^

/herden. Eine Kompensation der mit der Exzentrizität anwachsenden Induktivität χ,, durch ait anwackstaai.a ^troa i ; i, ρ und ipp zunehmendem Proportionalitätsfaktor L₀ oder zunehmendem Vergleichsinduktivitätswert L₂p ist bei dieser Schaltung noch effektiver als bei der zu Bild 1 beschriebenen. Als weitere Möglichkeit der Linearitätskorrektur der Steifigkeit kommt bei den Schaltungen hinzu, dass man für

2, einen mii> dem Stx'om zunehmenden Widerstand verwenden kann. 3

Vorzugsweise soll diese Stromabhängigkeit trägheitsfrei sein, so dass spannungsabhängige Widerstände solchen vorzu^i,L<in sind, bei denen die Temperaturabhängigkeit durch Strociwärtae wirksam ist.

Am Verstärkereingang kann auch,wie aus Fig. 3 ersichtlich, ein Spannungsteiler, bestehend aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes R^ und eines durch antiparalieli Dioden gebildeten, mit zunehmendem Strom abnehmenden Gleichrichter-

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Widerstandes B^, zu eines mit zunehmendem Stroa. sur.c-r^s&nden Verstäriciiingsfaktor benutzt v/erden (v«rgl..Fig. 3).

Eine Anwendung der vorstehenden Erfindung ist beispielsweise auch bei der modernen Gestaltung eines Lüfters möglich. Diese erfolgt dann derart, dass in einem Ständer berührungsfrei ein Läuferring magnetisch gelagert ist, in dem die zur Bewegung der Luft bzw. eines Gases erforderliche: Plügel befestigt sind.

9 S, Beschreibung I^ PatentacBprüche 1 Zeichnung m. 3

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Claims

Licentia Patent-Verwaltungs GmbH 6 Frankfurt a.M., Theodor Stern Kai 1 lehmann/li 3 I 74-/59, Patentanspräche

1.) Radiales aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb, bestehend aus der Kombination eines oder mehrerer Ständer und einem Rotor mit einem von Sensoren Liberwachten Luftspalt, wobei jeweils dem von der S-zar.aar— wicklung durtn Speisung mit Drenstrora erzeugten Antriebsdrehfeld ein Steuerdrehfeld überlagert ist, derart:, dass einem n-polpaarigen Antriebsdrehfeld ein n- 1—polpaariges über Sensoren moduliertes Sfeuerdrehfeld überlagert ist nach Parent (Patentanmeldung P 24 06 730.1),

dadurch gekennzeichnet, dass eine in die als Sensoren wirkenden Steuerdrehfeldwicklungen induzierte von einer Exzentrizität des Rotors abhängige Spannung den Strom der Steuerdrehfeldwicklungen stellt.

2.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Steuerwicklungen induzierten Spannungen an den Wicklungsenden der Steuer- · wicklungen abgegriffen werden.

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3.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Steuerwicklungen induzierten Spannungen kurzgeschlossen sind.

4.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 2, . dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwicklungsenden über RC-Glieder verbunden sind.

5.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwicklungsenden über aktive negative Widerstände verbunden sind.

6.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven negativen Widerstände aus Verstärkern und einer Rückkopplungsschaltung aufgebaut sind.

7.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsschaltungen aus der Reihenschaltung der Steuerwicklungen und je einer Vergleichsinduktivität aufgebaut sind.

8.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang der Verstärker mit der Vergleichsinduktivität und der Ausgang mit der Reihenschaltung von Steuerwicklung und Vergleichsinduktivität verbunden ist.

9.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungsschaltung aus der Reihenschaltung der Steuerwicklungen mit ohmschem

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Widerständen aufgebaut ist, wobei jeder Verstärjcereingang mit einem dieser Widerstünde verbunden vr.a der Ausgang mit-der Reihenschaltung von.Steuerwicklunc und- Widerstand verbunden ist..

10.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum■Verstärkerausgang und zur Rückkopplungs-schaltung eine Vergleichsinduktivität mit ohmschern Feihenwiderstsnd angeordnet ist.

11.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zum Verstärkereingang über einen nichtiineacen Spannungsteiler erfolgt.

12.) Radiales aktives magnetisches Lager nach -»nspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler aus der Reihenschaltung- von antiparallelen Dioden und einem ohmschen Widerstand aufgebaut ist.

13.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsinduktivität mit einer Sekundärwicklung versehen ist, die in Reihe mit der elektrischen Verbindung der Steuerwicklung und der Primärwicklung der Vergleichsinduktivität einerseits und dem Verstärkereingang andererseits geschaltet ist.

14.)Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsinduktivität mit einem ferromagnetischen Kern ausgeführt ist,

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15.) Radiales aktives magnetisches Lager nach Anspruch 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass es zur berührungsfreien Aufhängung des Läufers eines Lüfterantriebes in pi.nom Ständer verwendet wira.

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