DE2537597A1

DE2537597A1 - Elektromagnetische lagerungseinrichtung

Info

Publication number: DE2537597A1
Application number: DE19752537597
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Dr Guse; Dietrich Dipl Ing Dr Scheffer
Original assignee: Padana AG
Current assignee: Padana AG
Priority date: 1975-08-23
Filing date: 1975-08-23
Publication date: 1977-03-03
Also published as: FR2322294B1; JPS5237648A; GB1549324A; FR2322294A1

Description

PATENTANWÄLTE / D J / Q ν) /

CHpl.-lng. EIDENEiER DipL-Chem. Dr. R U FF Dlpl.-lng. J. BEIER

7 STUTTGART 1 Neckaratraße SO Telefon CO711) 22 7O 51 Telex O7-23412 erub d

13. August 1975 JB/S

Anmelder: Institut für Textiltechnik der Institute für Textil- und Paserforschung Stuttgart 7*J1 Reutlingen, Burgetr. 29

A 15 596/7

Elektromagnetische Lagerungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Lagerungseinrichtung für die Lagerung eines beweglichen Teils an einem feststehenden Teil mit wenigstens einem Lagerelement für jede Lagerebene, das wenigstens einen Kern und daraufgewikkelte Lagerspulen enthält, und mit wenigstens einem Regelgerät, das Sensor3tröme in Lagerströme umsetzt, die den Lagerspulen zugeführt werden, wobei die Lagerströme entsprechend der gewünschten Beeinflussung des beweglichen Teils veränderliche Gleichströme sind.

709809/0563

Pootaotieokkonto atutteart 420SO-7OB · Dresdner Bank Stuttgart Konto sott 341

ORIGINAL INSPECTED

A 15 596/7 - 2 -

Eine derartige elektromagnetische Lagerungseinrichtung ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 750 602 bekannt geworden. Das Lagerelement für die radiale Lagerebene besteht dabei aus Elektromagnetspulen, die aus einem Eisenkern und darauf gewickelten Lagerspulen bestehen. Die Sensoren oder Fühler können induktive Wegaufnehmer sein, die dementsprechend Sensorspulen besitzen. Diese Sensoren sind Jedoch gesondert von den Lagerelementen angebracht. Gesonderte Sensoren sind ein Kostenfaktor, vor allem wenn man bedenkt, daß je Lagerebene vier Stück vorhanden sein sollten. Auch ihre Anbringung bereitet oft konstruktive Schwierigkeiten und verursacht, ebenso wie ihr elektrischer Anschluß, Kosten. Es ist ferner aus rein konstruktiven Gesichtspunkten nahezu unmöglich, die Fühler an der Stelle anzubringen, an der die LagerkrMfte wirksam sind, so daß stets ein Versatz in Axial- oder Umfangsrichtung zwischen den Wirkungsebenen der Sensoren und der Lager vorhanden ist. Das führt aber dazu, daß ein ungenau gearbeiteter oder leicht biegsamer Rotor zwar in der Fühlerebene rundlaufen kann, dafür aber in der Lagerebene taumelt, was zu einer unerwünschten Schwingungsanregung führt.

Bei den bekannten induktiven Fühlern sind die Kerne der Lagerspulen und der Sensorspulen sorgsam voneinander getrennt, weil sonst infolge der gegenseitigen Beeinflussung keine Messung möglich wäre. Dies gilt auch für die DT-OS 2 129 018, bei der Sensorspulen vorgesehen sind, die zwischen den Lagerspulen angeordnet sind, jedoch ihren eigenen magnetischen Kreis haben.

Wegen der Aufwendigkeit der induktiven Fühler,sowohl in Größe als auch in bezug auf die Anordnung, ging die Tendenz dahin, andere berührungslose Wegaufnehmer zu verwenden. So ist beispielsweise in der DT-OS 1 933 031 vorgeschlagen worden, Halbleiterbauelemente zu verwenden, deren elektrische

709809/0563

A 15 596/7 - Jf-

Kenngrößen durch Magnetfelder beeinflußbar sind. Derartige z.B. als Feldplatten bezeichnete Bauelemente haben zwar nur eine geringe Baugröße, sind aber gegen Stoß und Temperaturen empfindlich. Es müssen also bei der Konstruktion besondere Maßnahmen ergriffen werden, um sie gegen mechanische und thermische Beeinflussungen zu schützen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Lagerungsei nrichtung zu schaffen, bei der der bauliche Aufwand für die Herstellung und Anbringung der mechanisch und thermisch möglichst unempfindlichen Wegaufnehmer bzw. Sensoren gering ist.

Biese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch die Spule bzw. Spulen, die zu jedem Kern bzw. Kernabschnitt gehören, zusätzlich zu den Lagerströmen die hochfrequenten Sensor ströme fließen, die durch die im Bereich des Lagerelementes wirksamen Bewegungen des beweglichen Teils modulierbar sind.

In erster Linie sind derartige Lagerungseinrichtungen für die Lagerung drehbarer oder schwenkbarer Teile gedacht, bei denen das bewegliche Teil ein Rotor und das feststehende Teil ein Stator ist. Daher wird in der Beschreibung der Ausführungsformen von Botor und Stator gesprochen, wenn auch die Erfindung ebenfalls zur Lagerung anders gestalteter oder sich bewegender Teile geeignet ist.

Nach der Erfindung fließen in gleichen oder geson·?- derten Spulen, die zum gleichen magnetischen

Kreis gehören, sowohl die Lagerströme als auch die Sensorströme· Während aber die Lagerströme im wesentlichen Gleichstromcharakter haben und lediglich in ihrer Strom- oder Spannungsamplitude entsprechend den auf den Eotor aufzubringenden Magnetkräften veränderlich sind, so daß man von einem

709809/056 3

A 15 596/7 -H-

relativ niedrigfrequenten Lagerstrom sprechen kann, sind die Sensorströme hochfrequent, d. h. sie haben eine Trägerfrequenz, die wesentlich über der Drehfrequenz des Rotors liegt. Der Trägerstrom wird durch die Bewegung des Rotors innerhalb des Lagerelementes moduliert. Dabei werden nur diejenigen Bewegungen in Sensorströme umgesetzt, die für die Lagerung beachtlich sind, beispielsweise bei einem Radiallager die radialen Bewegungen oder bei einem Axiallager die axialen.

Die in den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen im einzelnen erläuterten weiteren vorteilhaften Merkmale der Erfindung ermöglichen zahlreiche Ausführungsformen, die zusätzlich zu den Hauptvorteilen eines robusten und in das eigentliche Lagerelement einbezogenen Sensorsystems einen wesentlichen technischen Portschritt bieten. Eine sehr sinnfällige und einfache Ausführung besitzt einen achtpoligen Stator, bei dem auf jeden Polkern entweder nur die Lagerspule (die dann von Lager- und Sensorströmen durchflossen ist) oder je eine gesonderte Lager- und Sensorspule gewickelt ist. Bei dieser Ausführungsform ist zwar das magnetische Feld nicht ganz so homogen wie bei der Verwendung von Drehfeldstatoren oder Ringstatoren nach der DT-OS 2 213 Ί65, der einfache und robuste Aufbau mit leichter Wicklungsmöglichkeit kann jedoch Vorteile bieten, wenn es auf extrem geringe Lager-Verlustleistung nicht ankommt. Wenn beispielsweise ein Rotor einer Rotor-Spinnmaschine mit hoher Drehzahl in Luft läuft, so sind die Luftreibungsverluste so groß, daß ein etwas erhöhter Lagerwiderstand kaum ins Gewicht fällt, da er ohnehin nur in der Größenordnung von Prozenten der Luftreibung liegt, wenn das magnetische Lager nach den Erkenntnissen der DT-AS 1 750 602 und der Folgeliteratur aufgebaut ist.

709809/0563

A 15 596/7 - 5 -

Es ist jedoch auch vorteilhaft möglich, die Erfindung bei einem Lagerelement mit Ringkern anzuwenden, wobei als ganz besonders bevorzugte Ausführungsform auch dort keine gesonderten Sensorspulen, sondern lediglich eine Mittelanzapfung der Lagerspulen notwendig ist. Bei dieser Ausführungsform ist am deutlichsten der große Vorteil zu erkennen, denn eine gesamte Baugruppe, nämlich die vier gesonderten empfindlichen und teuren Sensoren, werden durch eine einfache Anzapfung der Lagerspulen ersetzt.

Es ist dabei wesentlich, daß bei den Spulen, die zu einem zu lagernden Freiheitsgrad gehören, beispielsweise die einander gegenüberliegenden Spulen, die bei einem Radiallager eine Querachse des Rotors lagern, derart geschaltet sind, daß die elektromagnetischen Beeinflussungen der Sensorströme durch die Lagerströme und die elektromagnetische Beeinflussung der Lagerströme durch die Sensorströme sich gegenseitig aufheben. Diese Beeinflussungen können beispielsweise in Form von induzierten Spannungen eintreten. Dies kann entweder in einzelnen Teilzweigen dieser Schaltungseinheit erfolgen oder auch in dem gesamten Kreis.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Lagerelementes nach der Erfindung mit acht Polen und gesonderten Lager- und Sensorspulen, in Richtung der Rotorachse gesehen mit geschnittenem Rotor,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild dieser Ausführung, jedoch nur für die Y-Achse in Fig. 1,

709 809/0563

A 15 596/7 - 6 -

Pig- 3 eine Darstellung entsprechend Fig. 1 eines achtpoligen Stators mit kombinierten Lager/Sensorspulen,

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild der gesamten Lagerungseinrichtung für eine Querachse des Rotors,

Fig. 5 ein als zusammengesetzter Ringkern

aufgebautes Lagerelement mit jeweils benachbarten Lager- und Sensorspulen in der Darstellungsweise entsprechend Fig. 1 und

Fig. 6 ein Lagerelement mit einem Ringkern wie Fig. 5_t jedoch mit kombinierten Lager/Sensorspulen.

Zur Darstellung ist zu beachten, daß die Leitungen und Wicklungen, die zur Y-Achse führen, in starken Strichen gezeichnet sind, während die zur·X-Achse gehörenden ζιΓ besseren Übersichtlichkeit der Darstellung mit dünnen Strichen gezeichnet sind. Ferner sind gesonderte Sensorspulen und ihre Zuleitungen nit gestrichelten Linien gezeigt, während Lager- oder kombinierte Lager/Sensorspulen mit durchgezogenen Linien dargestellt sind. Ferner sind sämtliche Luftspalten entsprechend der schematischen Form der Darstellung stark überhöht. Einander entsprechende Wicklungsenden sind mit einem Punkt gekennzeichnet. Die Polung, die von den Lagerströmen herrührt, d. h. das Lagermagnetfeld, ist mit großen Buchstaben N und S für Nord- und Südpol gekennzeichnet, während die Polung, die von den Sensorströmen herrührt, d. h. die Sensorpole, mit kleinen Buchstaben η und s gekennzeichnet sind.

7 0 9809/0563

A 15 596/7

Die gesamte elektromagnetische Lagerungseinrichtung für eine Lagerebene, von der eine Hälfte in Fig. ^ schematisch dargestellt ist, gehört in den dargestellten Ausführungsbeispielen zu einem elektromagnetischen Badiallager. Bei diesem werden die Virkungsprjnzipien besonders deutlich, obwohl die Einrichtung auch für Axial- oder andere Lager geeignet ist. Die Lagerungsei nrichtung 11 besteht aus einem am Stator angebrachten Lagerelement 12, das aus ferromagnetischem Material bestehende Kerne 13 besitzt, auf denen Lager spul en 14- angebracht sind. Ein Eegelgerät 15 setzt Sensorströme, die von einem Oszillator oder Hochfrequenzgenerator 16 kommen und dementsprechend hochfrequent sind, in Lagerströme um, die im wesentlichen Gleichstromcharakter haben und deren Strom- oder Spannungsamplituden der gewünschten Beeinflussung des Botors zu dessen Lagerung entsprechen. Zur Lagerung einer radialen Ebene sind zwei Einrichtungen nach Pig. ¹^ , deren Kerne jeweils um 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind, erforderlich. Beispielsweise können zwei vollständige Lagerelemente zusammen mit einem permanentmagnetischen Axial-Tragmagneten zur berührungsfreien Lagerung eines Hotors zusammenwirken, wie dies in der DT-AS 1 750 602 ausführlich erläutert ist.

In Fig. 1 ist nun schematisch ein Lagerelement 12a dargestellt, das an einem beliebigen Stator ortsfest angebracht ist. Dieses Lagerelement dient zur Lagerung eines Rotors 17) der das bewegliche Teil bildet. Das Lagerelement besteht aus einem aus ferromagnetischen, jedoch nicht ρermanentmagnetischen Material, beispielsweise einem ferromagnetischen Pressmaterial· Es kann auch aus Transformatorenblechen zusammengesetzt sein. Ein ringförmiger Bückschlufikörper oder Joch 18 verbindet insgesamt acht einzelne radial nach innen vorstehende Pole 19» zwischen deren freien Enden 20 und dem Rotor ein

709809/0563

A 15 596/7 -

Luftspalt 21 gebildet wird· Die Pole tragen Elektromagnetwicklungen, und zwar trägt bei der Ausführungsform nach 1 jeder Pol eine Lagerspule 14-a und eine Sensorspule

Die Pole 19 sind derartig bewickelt bzw. geschaltet, daß sich einander gegenüberliegende Polpaare A, B und C, D bilden. Pur jede Achsrichtung χ und y sind zwei dieser Polpaare vorhanden, die in der Zeichnung mit einem entsprechenden Index χ bzw. y gekennzeichnet sind. Die Lagerspulen sind derart gewickelt bzw. gescnaltet, daß die beiden Pole eines Polpaars infolge der Lagerströme gleiche Polarität erhalten, jedoch sind die Sensor spul en 22 so gewickelt bzw. geschaltet, daß durch die Sensorströme die beiden Pole eines Polpaars unterschiedliche "Sensorpolarität" bekommen.

Baulich kann der Stator anders ausgebildet sein. So kann er beispielsweise das Magnetfeld vergleichmäßigende Polschuhe und/oder dem Rotor angepaßte Polflächen 20 haben. Die Sensorspulen 22 brauchen auch nicht gesondert aufgewickelt zu sein, sondern können durch Anzapfung einer einzelnen Spule gebildet sein. Es ist hier auch möglich, Lager- und Sensorspulen in verschiedenen Lagen übereinander zu wickeln und aus unterschiedlichen Drahtstärken zu bilden.

Aus Pig. 2 ist die Schaltung einer Lagerrichtung zu erkennen, und zwar derjenigen für die Y-Achse. Wie bereits beschrieben, sind die Lagerspulen 14-a der Polpaare A_v, B sowie C , D so geschaltet, daß alle vier Lagerspulen in Reihe vom Strom Ljdurchflossen werden und die Pole eines Polpaars die gleiche Magnetisierungsrichtung erzeugen, wobei jedoch bei den sich gegenüberliegenden Polpaaren im Luftspalt 21 (siehe Pig. 1) unterschiedliche Polungen vorliegen.

709809/0563

Der Sensorstrom I durchfließt die Sensorspulen 22 der gleichen Pole A bis C in Reihe. Diese sind jedoch so geschaltet, daß, wie bereits erwähnt, jeweils unterschiedliche Sensorpolungen innerhalb eines Polpaares vorliegen. Einander diametral gegenüberliegende Pole haben hierbei gleiche Polungen im Luftspalt 21. Der Lagerstrom I_T fließt vom Anschluß 33 zum Anschluß 3^ durch die Lagerspulen 14a und der Sensorstrom Ig vom Anschluß 30 zum Anschluß 31· Der Punkt 32 ist der Sensormeßpunkt.

Es ist nun aus Fig. 2 zu erkennen, daß der Lagerstrom I- in den Sensofspulen 22 jeweils gleich große einander entgegengerichtete Spannungen ü_r erzeugt und andererseits die Sensor-

Ju

ströme I„ induzierte Spannungen U„ in den Lagerspulen 14a erzeugen, die ebenfalls einander entgegengerichtet und gleich groß sind. Die wechselseitigen induzierten Spannungen heben sich also innerhalb der Polpaare A , B und C , D gegenseitig auf, so daß im Resultat keine gegenseitige Beeinflussung auftritt, obwohl die Spulen 1^a und 22 jeweils auf die gleichen Kerne 19 gewickelt sind. Am Meßpunkt 32 kann also ein Sensorsignal abgenommen werden, das nur von der Größe des Luftspaltes 21 abhängig ist und nicht von den durch die Lagerspulen 14a fließenden Strömen Ij. Andererseits beeinflussen auch die Veränderungen der Sensorströme die Lagerströme nicht direkt induktiv, sondern nur über das Regelgerät 15.

Es ist also zu erkennen, daß die beiden Pole eines Polpaares in bezug auf ihre Lagerwirkung wie ein geteilter Einzelpol wirken, während die Sensorspulen eines Polpaares wie zwei ungleichnamige Einzelpole wirken ,über den Rotor einen geschlossenen Magnetkreis bilden und ein abstandsabhängiges Signal erzeugen.

709809/056 3

In Pig. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Lagerelement 12b die gleiche achtpolige Gestaltung hat wie bei Fig. 1. Auch der Rotor 17, der aus ferromagnetische!!!, jedoch nicht permanentmagnetischem Material besteht, ist gleich wie in Pig. 1. Unterschiedlich ist die Bewicklung der Kerne der Pole. Dort ist anstelle von Sensor- und Lagerspule lediglich auf jedem Kern eine Lagerspule 14bvorhanden. Die Schaltung ergibt sich aus Fig. 4, wo zu erkennen ist, daß die Spulen lAbbezüglich des Lagerstroms I_L in Reihe zwischen den Anschlüssen 35 und 36 geschaltet sind, wobei jedoch im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 2 die Polpaare nicht unmittelbar aneinander angrenzend geschaltet sind, so daß zwei Zweige A , D und B , C entstehen, in denen die Spulen jeweils mit einander entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung geschaltet sind.

Zwischen den beiden mittleren Spulen D und B der Reihen-

rf J

schaltung befindet sich der Anschlußpunkt 37> an den der Oszillator 16 angeschlossen ist. Der hochfrequente Sensorstrom I„ fließt also durch beide Zweige A₁ D und B , C zu den An-Schlüssen 35» 36. Zwischen den beiden Spulen jedes Zweiges befinden sich Sensormeßpunkte 38, 39» die die Abnahme des Sensorsignals im Gegentakt erlauben. Durch eine Änderung der Hintereinanderschaltung der Lagerspulen (z. B. anstelle von B wird C geschaltet und umgekehrt) kann auch ein Gleichtakt-

Jf

signal erzeugt werden.

Aus Fig. ¹I ist zu erkennen, daß in jedem Teilzweig A , D

Jr Jr

bzw. B , C die Magnetspulen mit umgekehrter Polungsrichtung geschaltet sind, da die beiden Spulen jedes Teilzweiges zu einander gegenüberliegenden Polpaaren gehören, die unterschiedliche Polung haben. Da sowohl der Oszillator l6 als auch die Endverstärker 45 sehr geringe Innenwiderstände haben, stellen

709809/0563

die Punkte 35, 36 für die Trägerfrequenz fiktive Nullpunkte (mit Nullpontential) dar. Pur die Lagerströme hingegen bildet der Punkt 37 einen Mittel- bzw. Nullpunkt, an dem die Sensorströme eingespeist werden, so daß dort kein Sensor-signal abgenommen werden kann. Dieses liegt jedoch in der Mitte jedes Teilzweiges an den Punkten 38, 39 vor. An diesen Punkten treten zwar niederfrequente (maximal mit Rotorfrequenz) Potentialänderungen auf, die jedoch durch die Filter Ml von den hochfrequenten Sensorsignalen abgetrennt werden. Beeinflussungen der Lager-Magnetfelder durch die Sensorströme treten wegen der Gegeneinanderschaltung der Spulen nicht als Störung in Erscheinung.

Während im oberen Zweig zwischen den Punkten 35 und 37 die Ströme I, und 1/2 I„ gegeneinander gerichtet sind, fließen sie im unteren Zweig zwischen den Punkten 37 und 36 parallel. Die Spulen eines Zweiges A , D sowie B , C sollten in bezug auf ihre induktiven Eigenschaften gleichgroß sein, damit keine nachteiligen Störspannungen auftreten können.

Der Aufbau des Lagerelementes und des Regelgerätes für die hier nicht beschriebene X-Richtung ist identisch mit dem für die Y-Richtung. Die dabei aneinander angrenzenden Sensorpole können gleichnamig oder ungleichnamig sein. Es hat sich gezeigt, daß die gleichnamige Anordnung bei bestimmten Ausführungen Vorteile bringt.

Anhand der Fig. M wird das Regelgerät im einzelnen erläutert. Die an den Sensormeßpunkten 38, 39 abgenommenen, im Gegentakt auftretenden Sensorsignale werden über Filter Ml den Gegentakt-Eingängen eines Wechselspannungsvorverstärkers zugeführt. Die Filter ¹JO, kl sind Hochpaßfilter und als Kondensatoren dargestellt und bestehen auch im wesentlichen aus solchen.

709809/0563

Der Wechselspannungsvorverstärker 42 kann ein besonders einfacher und billiger Verstärker sein, weil er temperaturbedingte Potentialverschiebungen nicht zu berücksichtigen braucht

Die Filter 40, 4l, die nur hochfrequente Signale durchlassen, dienen einem doppelten Zweck. Sie verhindern, wie beschrieben, einerseits, daß der als Gleichstrom mit nur niederfrequenten Amplitudenschwankungen vorliegende Lagerstrom I.. an den Punkten 37, 38, 39 abfließt und verhindert ferner eine Niederfrequenz-Querverkopplung zwischen der X- und Y-Richtung. Während die zuerst genannte Punktion, d. h. die Verhinderung des Abfließens der Lagerströme, nur bei zusammengefaßter Lager- und Sensorspule erforderlich ist, sind Filter auch bei der Ausführung nach Fig. 2, d. h. mit getrennten Lager- und Sensorspulen, vorteilhaft, weil auch dort eine NF-Querverkopplung auftreten kann, wobei zur gewollten amplitudenmodulierten Trägerfrequenz noch die NF-Frequenz der Querrichtung addiert wird.

Das im Wechselspannungsvorveratärker 42 verstärkte Signal wird über einen Kondensator 44, der die Benutzung des vorteilhaften Wechselspannungsvorverstärkers 42 erlaubt, einem Demodulator 43 zugeführt, der ähnlich einem Gleichrichter wirkt und die niederfrequente Signalfrequenz von der hochfrequenten Trägerfrequenz abhebt. Das niederfrequente, verstärkte Sensorsignal wird dann zweien im Gegentakt arbeitenden Niederfrequenzverstärkern 45 zugeführt, die an die Anschlußpunkte 35, 36 des Lagerelementes 12 angeschlossen sind. An die NF-Verstärker 45 sind an sich bekannte Phasenglieder 46 angeschlossen, die die notwendige Frequenzcharakteristik und Phasenverschiebung für den Ausgleich der Rotorbewegungen zur Erzeugung einer Dämpfung sicherstellen.

709809/0563

Ea ist zu erkennen, daß der Aufbau des Regelgerätes 15 besonders einfach und insbesondere auch nicht komplizierter ist, als der bei Benutzung gesonderter Halbleitersensoren ο. dgl. Der Oszillator 16 zur Erzeugung der Sensor-Hochfrequenz kann insbesondere bei größeren Anlagen, die zahlreiche Magnetlager umfassen, für alle Magnetlager gemeinsam sein, so daß er kostenmäßig kaum ins Gewicht fällt. Das Regelgerät für die Ausführungsform nach Pig. 1 und 2 kann entsprechend aufgebaut sein wie das nach Fig. 4.

Die Ausführungen der Lagerelemente nach den Pig. I und 3 sorgen für eine relativ gute Homogenität des Magnetfeldes im Luftspalt, erfordern jedoch die Anbringung von acht verschiedenen Spulen bzw. Spulenkernen. Dies ist zwar weniger unwirtschaftlich als es aussieht, da die Bewicklung von gesonderten Kernen wesentlich einfacher ist als beispielsweise die Bewicklung eines Ringes. Trotzdem kann es aber sehr vorteilhaft sein, ein Magnetlager mit der vorteilhaften Ringgestaltung zu verwenden, wie es in der DT-OS 2 213 465 beschrieben ist. In Fig. 5 ist eine solche Ringwicklung dargestellt. Im Prinzip besteht dieses Lagerelement 12c aus einem ferromagnetischen Ringkern, der den Rotor 17c, der hier als ferromagnetischer Ringkern ausgebildet ist, umgibt. Die Spulen sind dann auf den Ringkern so gewickelt, daß sie diesen umgeben und ihre Wicklungsachse in Beziehung zur Rotordrehachse 23 in Umfangsrichtung bzw. in tangentialer Richtung verläuft.

Bei dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Ringkern jedoch aus vier einzelnen Abschnitten 24, die einzeln hergestellt und nach der Bewicklung mit den Spulen zusammengebaut sind. Diese Abschnitte bestehen aus einem Kernabschnitt 25, der die für ein Viertel des Urafanges vorgesehenen Spulen trägt, und einem Polabschnitt 26, der den

709809/056 3

Anschluß zum nächsten Kernabschnitt überbrückt und vorzugsweise durch eine nach innen ragende, polechuhartige Ausbildung so gestaltet ist, daß der Luftspalt 21 in diesem Bereich gering gehalten wird. Bei den Ausführungsbeispielen haben die Abschnitte 24 einen geradlinigen, tangential verlaufenden Kernabschnitt 25* an den sich der unter ^5° dazu verlaufende, die Ecke des sich anderenfalls bildenden Quadrates überbrückende Polabschitt 26 mit seiner nach innen weisenden Polschuhausbildung 27 anschließt. An die Endfläche des PoI-abschitts 26 schließt dann der Kernabschnitt des nächsten Abschnitts an. Diese Ausführung ermöglicht es, die Abschnitte einzeln in einfacher Weise mit herkömmlichen Transformatorenwickelmaschinen zu bewickeln, was die Kosten für die Herstellung der Ringwicklung wesentlich erniedrigt. Es sind jedoch auch andere Formen der Zusammensetzung der Ringwicklung aus mehreren Teilen denkbar.

Die im folgenden anhand der Fig. 5 und 6 beschriebenen Bewicklungen sind bei allen Arten von Ringwicklungen anzubringen, auch bei solchen mit geschlossenem Ring.

Die Aueführungsform der Bewicklung nach Fig. 5 sieht jeweils in der Mitte eines Kernabschnitts 25 eine Lagerspule 14c vor, an die nach außen angrenzend je eine Sensorspule 22c aufgewickelt ist. Hierbei ist darauf zu achten, daß die Spulen tatsächlich auch räumlich im wesentlichen voneinander getrennt liegen. Es ist zwar möglich, daß beispielsweise die Sensorspulen die Lagerspule übergreifen, jedoch ist es beispielsweise nicht möglich, die beiden Sensorspulen 22c als zwei übereinanderliegende Wicklungslagen vorzusehen, die keine räumliche Trennung in Längsrichtung des Kerns voneinander haben.

709809/0563

Aus Pig. 5 ist zu erkennen, daß jeder Kernabschitt 25 die Aufgabe eines Polpaares A, B bzw. C, D übernimmt· Die Schaltung ist im Prinzip gleich wie die in Pig. I. Hierbei sind die zur Y-Richtung gehörenden Spulen im Bereich der X-Achse angeordnet, da die Magnetwirkung infolge der Feldverdrängung an den jeweiligen Enden der Spulen auftritt. Dabei messen die Sensorspulen 22c die bei Rotorbewegungen auftretenden Induktivitätsänderungen zwischen den beiden Spulen auf einem Kernabschnitt 25. Die Sensoren für die Y-Richtung liegen also angrenzend an die X-Achse. Sie könnten jedoch bei entsprechender Beschaltung auch auf den Kernabschnitten für die X-Richtung, d. h. den oberen und unteren Kernabschnitten, angeordnet sein. Diese Möglichkeit ergibt sich auch bei den bereits beschriebenen Achtpol-Ausführungen und bei der im folgenden noch zu beschreibenden Ausführung nach Fig. 6. Aufgrund der Ausbildung als Ringwicklung kann bei den Lagerspulen eine Trennung in zwei gesonderte Spulen entfallen.

Es ist zu erkennen, daß hier jeweils in der Mitte eines Kernabschnittes 25 ein Sensorpol gebildet wird. Dort treten Feldlinien durch den Luftspalt 21 in den Rotor 17c über, so daß auch hier bezüglich der Sensorwirkung eine achtpolige Aufteilung vorliegt. Für ein Lagerelement, mit dem zwei Achsen Y, X gelagert werden sollen, sind also vorzugsweise acht als Sensorpole wirkende Stellen vorhanden. Da es theoretisch auch möglich,jedoch nicht besonders vorteilhaft, wäre, anstelle der insgesamt vier Wirkrichtungen (je zwei für die X- und Y-Achse) nur drei Wirkrichtungen vorzusehen, um in einer radialen Ebene zu lagern, müßten also mindestens sechs als Sensorpole wirkende Stellen vorhanden sein. Es ist ferner noch zu bemerken, daß die vorteilhafte gegenseitige Aufhebung von Induktionsspannungen der beiden Stromarten, die insbesondere

709809/0563

ein Sensorsignal zu erhalten gestattet, das tatsächlich der Annäherung oder Entfernung des Rotors von seiner Sollage entspricht, auch dann beibehalten werden kann, wenn eine Rotorbewegung nicht in der genauen Richtung der X- oder Y-Achse, sondern in einer beliebigen Richtung erfolgt. An den entsprechenden Meßpunkten werden nur Sensorsignale abgefühlt, die den Wegkomponenten in den jeweiligen X- oder Y-Richtungen entsprechen.

Die baulich einfachste Ausführungsform ist diejenige nach Fig. 6, die bezüglich des Aufbaus des Ringkerns genau der nach Fig. 5 entspricht. Dieses Lagerelement 12d besitzt jedoch auf den Kernabschnitten 25 nur noch je zwei Lagerspulen l4d und I¹Id¹, die, wie dargestellt, auch zu einer einzigen auf dem Kernabschnitt 25 angebrachten Spule zusammengefaßt sein können, die in der Mitte zur Bildung eines Sensormeßpunktes 38d, 39d angezapft ist. Es ist jedoch darauf zu achten, daß durch die Anzapfung zwei räumlich in Längsrichtung des Kernabschnitts 25 voneinander getrennte Spulen entstehen, d. h. eine Anzapfung nur in der elektrischen Mitte reicht dann nicht aus, wenn dadurch nicht zwei Spulen entstehen, deren Magnetfelder in Richtung der Spulenachse keine verschiedenen Wirkungsbereiche haben. Die Schaltung ist ähnlich wie die nach den Fig.3 und b. Auch hier heben sich die Induktivitätsänderungen so gegeneinander auf, daß die Lagerströme nicht beeinträchtigt werden und an den Punkten 38d und 39d Sensorsignale im Gegentakt entstehen. Am Punkt 37d ist der Oszillator angeschlossen und die Anschlußpunkte 35d und 36d dienen zur Zuführung des Lagerstroms. Auch hier gilt wieder entsprechendes für die X-Achse.

In Fig. 6 sind die beiden Teile l4d und I¹Id¹ jeder Lagerspule bezüglich ihrer Sensorwirkung so geschaltet, daß in der Mitte

709809/0563

jedes Kernabschnitts ungleichnamige Pole aneinanderstoßen, und kein magnetisch ausgeprägter Pol entsteht. Die Sensorwirkung wird in diesem Ausführungsbeispiel hauptsächlich durch das magnetische Streufeld der Spulen erzeugt.

Es ist zu erkennen, daß durch die Erfindung eine Lagerungseinrichtung geschaffen wird, die bei einfachem und mechanisch wie elektrisch zuverlässigem und unempfindlichem Aufbau eine einwandfreie Lagerung gestattet. Durch die vorteilhafte Verwendung zweier verschiedener "Stromsorten" für die Erzeugung der magnetischen Lagerkräfte einerseits und die Sensorwirkung andererseits kann ein sehr verlustarmer Aufbau des Lagerelements beibehalten werden. Die Lagerspulen sind beispielsweise nicht durch in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände belastet.

Die hier beschriebenen Radiallager besitzen vorzugsweise eine Vormagnetisierung durch Permanentmagneten o. dgl.. Die Sensor-Trägerfrequenz kann beispielsweise bei einer Rotordrehzahl von 1 kHz und entsprechender "Frequenz" der Lagerströme in der Größenordnung von 20 kHz, d. h. deutlich über der Rotorfrequenz liegen.

709809/0563

Claims

Ansprüche

(Ij Elektromagnetische Lagerungseinrichtung für die Lagerung eines beweglichen Teils an einem feststehenden Teil mit wenigstens einem Lagerelement für jede Lagerebene, das wenigstens einen Kern und daraufgewickelte Lagerspulen enthält, und mit wenigstens einem Regelgerät, das Sensorsträme in Lagerströme umsetzt, die den Lagerspulen zugeführt werden, wobei die Lagerströme entsprechend der gewünschten Beeinflussung des beweglichen Teils veränderliche Gleichströme sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Spule bzw. Spulen (14, 22) die zu jedem Kern (19) bzw. Kernabschnitt (25) gehören, zusätzlich zu den Lagerströmen (I_T) die hochfrequenten Sensorströme (I₀) fließen, die durch die im Bereich des Lagerelementes (12) wirksamen Bewegungen des beweglichen Teiles (17) modulierbar sind.
2. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager- und Sensorströme (Ir> Ig) durch die Lagerspulen (14) fließen.
3. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorströme (Iq) durch Sensorspulen (22) fließen, die auf dem selben Kern (19, 25) angeordnet sind, wie die Lagerspulen (14).
4. Lagerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß je Lagerelement (12) wenigstens sechs Spulen bzw. als unterschiedliche Spulen geschaltete und angeordnete Spulenteile vorgesehen sind.

709809/056 3
5. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß je Lagerelement (12) acht Spulen (I¹J, 22) bzw. als unterschiedliche Spulen geschaltete und angeordnete Spulenteile vorgesehen sind.
6. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (19) für jedes Lagerelement (12) wenigstens sechs Pole bilden, die mit wenigstens je einer Lagerspule (1*0 bewickelt sind.
7. Lagerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (I¹I, 22) derart angeschlossen sind, daß sich in dem jeweils zu einem zu lagernden Preiheitsgrad gehörenden Zweig die elektromagnetischen Beeinflussungen (OV ) der Sensorströme (Ig) durch die Lagerströme d_L) und die elektromagnetische Beeinflussung (U₃) der Lagerströme (It) durch die Sensorströme (Iq) gegeneinander aufheben.
8. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (12) eine achtpolige Anordnung hat, bei der jedem Pol (A - D , A - D) eine Lagerspule

y y χ χ

(14) zugeordnet ist.
9. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole Polpaare·(A_y, B_y; C , D_y; Α_χ, Β_χ; ϋ_χ> Ώ_χ) bilden, die durch die Lagerströme (I-) zur Bildung von gleichnamigen Lagerpolen (N,S) und durch die Sensorströme (Ig) zur Bildung von ungleichnamigen Sensorpolen (n,s) beeinflußt werden.
10. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (12) Einzelpole besitzt.

709809/0563

a 15 596/7 -20- 2 53/bo/
11. Lagerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (12c, 12d) einen als Ring ausgebildeten Kern hat, dessen Querschnitt von der Wicklung wendelförmig umgeben ist und daß die Wicklung so im Bereich unterteilt ist, daß Lagerspulen (I¹Ic, I¹Id) gebildet werden, die unterschiedliche und/oder einander entgegengesetzt gerichtete magnetische Flüsse erzeugen.
12. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung jeder Lagerspule (I¹Id) so unterteilt und/oder angezapft ist, daß zwei bezüglich der Sensorwirkung unterschiedlich gepolte, räumlich nebeneinanderliegende Bereiche abgetrennt sind.
13. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Lagerspule (I¹Ic) zwei Sensorspulen (22c) auf dem Ring angeordnet sind.
I¹I. Lagerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern aus einzelnen Umfangsabschnitten (26) zusammengesetzt ist.
15. Lagerungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen auf im wesentlichen geraden Kernschenkeln (25) angeordnet sind und der Ringkern zwischen den Wicklungen eine polschuhartige Ausbildung aufweist.
16. Lagerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis der Sensor und/ oder Lagerspulen (22, I¹I) Filter (¹IO, ¹Il, ¹I¹I) zur Trennung der hochfrequenten Sensorströme (Iq) von den Lagerströmen (I_T) niedriger Frequenz enthalten sind.

709809/0563
17. Lagerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelgerät (15) einen Wechselspannungsvorverstärker (*I2) aufweist, der die hochfrequenten Sensorströme (L) vorverstärkt.

709809/0563

XL

Leerseite