DE2658692A1

DE2658692A1 - Vorrichtung zur daempfung kritischer frequenzen eines magnetisch gelagerten laeufers

Info

Publication number: DE2658692A1
Application number: DE19762658692
Authority: DE
Inventors: Maurice Brunet; Helmut Habermann; Pierre Joly
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1977-07-14
Also published as: ES454559A1; US4128795A; FR2336603B1; FR2336603A1; DE2658692C2; JPS5293853A; GB1567785A; CA1086842A; BE849837A; CH611395A5; IT1071981B; NL7613747A; JPS6014930B2

Description

Societe Europeenne de Propulsion

Vorrichtung zur Dämpfung kritischer Frequenzen eines magnetisch gelagerten Läufers

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung kritischer Frequenzen eines Läufers, der mittels eines sog. aktiven Lagers magnetisch gehalten ist, wobei das Lager wenigstens ein magnetisches Radiallager mit elektromagnetischen Wicklungen, wenigstens eine Fühleinrichtung zur radialen Erfassung der axialen Stellung des Läufers und eiren an die Fühleinrichtung und die elektromagnetischen Wicklungen angeschlossenen Regelkreis aufweist, der einen Steuerspeisekreis für die magnetischen Wicklungen besitzt, welcher zur Aufrechterhaltung einer vorbestimmten axialen Stellung des Läufers auf Signale der Fühleinrichtung anspricht.

Bei einer solchen aktiven Lagerung führt jede Störung, die sich als Änderung der Radialstellung des Läufers äußert, zu einer Reaktion jedes Radiallagers auf den Läufer. Die Steifheit des Lagers hängt von der Frequenz der erfaßten Störungen und von ihrer Amplitude ab und ist durch den Verstärkungsfaktor des Regelkreises gekennzeichnet, der die Fühleinrichtung mit den elektromagnetischen Wicklungen des Lagers verbindet.

Es ist festgestellt worden, daß dieser Verstärkungsfaktor sich bei bestimmten Störeinflüssen als unzureichend für die wirksame Aufrechterhaltung der gewünschten Stellung des Läufers erweisen kann. Dies ist für sog. synchrone Störeinflüsse der Fall, deren Frequenz gleich der Drehgeschwindigkeit des Läufers ist, und zwar insbesondere dann, wenn die Drehgeschwindigkeit einen kritischen Wert annimmt. Es ist

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bekannt, daß für jedes drehende Teil kritische Drehgeschwindigkeiten existieren, bei denen sich das Teil unter Ausbiegung und unter Ausbildung von Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen verformt. Diese kritischen Drehgeschwindigkeiten liegen in der Regel hoch. Jedoch können bei einem durch Magnetlager abgeschlitzten Läufer außerordentlich hohe Drehgeschwindigkeiten erzielt werden, so daß diese kritischen Drehgeschwindigkeiten überschritten werden müssen.

Um ein solches überschreiten von kritischen Drehgeschwindigkeiten mit guter Schwingungsdämpfung zu ermöglichen, könnte an eine grundsätzliche Erhöhung des Phasenvorlaufs des Regelkreises gedacht werden. Eine solche Erhöhung der Phasenvoreilung und damit des Verstärkungsfaktors würde jedoch für alle Strörungen wirksam und führte zu einer ungerechtfertigten Erhöhung für andere Störeinflüsse, die nicht beim Übersehreiten kritischer Drehzahlen auftreten. Eine solche- Erhöhung des Verstärkungsfaktors hätte daher eine deutliche Erhöhung des Energieverbrauchs der Lager zur Folge.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur magnetischen Lagerung eines Läufers zu schaffen, welche eine wirksame Reaktion des Lagers auf synchrone Störeinflüsse und insbesondere ein problemloses Überschreiten der kritischen Drehzahlen des Läufers unter Vermeidung der vorstehend geschilderten Nachteile gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung·der eingangs bezeichneten Gattung dadurch gelöst, daß der Regelkreis eine Einrichtung zur selektiven Verstärkung der Phasenvoreilung des Kreises in einem Frequenzband um die der Drehzahl des Läufers entsprechende Frequenz herum aufweist. Auf diese Weise wird eine Erhöhung der Phasenvoreilung des Regelkreises in einem Frequenzband erzielt, welches sich zu beiden

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Seiten der der Drehzahl des Läufers entsprechenden Frequenz erstreckt, und somit eine Erhöhung der Steifheit oder der Dämpfung des Lagers für synchrone Störeinflüsse erzielt.

Die Erfindung betrifft insbesondere auch Lagerungen mit zwei Fühlern für die Fühleinrichtung zur Erzeugung zweier Eingangssignale, die der radialen Stellung des Läufers im Vergleich zu zwei festen Vergleichsachsen entsprechen, die zueinander und zur vorbestimmten Drehachse des Läufers senkrecht stehen, wobei der Steuerkreis zwei Eingänge aufweist, die an die beiden Fühler und die Verstärkerkreise für die elektromagnetischen Wicklungen angeschlossen sind. In diesem Falle weist die Einrichtung zur selektiven Verstärkung in besonders bevorzugter Weise zwei Addiervorrichtungen mit zwei Eingängen auf, deren erste Eingänge jeweils an die beiden Fühler und deren Ausgänge an die Verstärkungseinrichtung angeschlossen sind und weist weiterhin eine Zweigschaltung auf, die zwischen den beiden Fühlern und den beiden zweiten Eingängen der Addiervorrichtungen angeschlossen ist. Die Zweigschaltung besitzt einen ersten Umformungskreis zur Umformung der festen Bezugskoordinaten gemäß den festen Vergleichsachsen in ein bewegliches Bezugssystem auf, welches aus zwei beweglichen Achsen besteht, die zueinander und zur Drehachse des Läufers senkrecht stehen und mit dem Läufer umlaufen. Dieser erste Umwand-lungskreis weist zwei Eingänge auf, die mit je einem der beiden Fühler verbunden sind und ein drittes und ein viertes Signal an einem ersten und einem zweiten Ausgang erzeugen, wobei ein erster Summenbildner oder Integrator am ersten Ausgang des ersten Umwandlungskreises zur Aufnahme und zur Integration des dritten Signales und ein zweiter Integrator am zweiten Ausgang des ersten Umwandlungskreises zur Aufnahme und zur Integration des vierten Signales angeschlossen ist. Die Zweigschaltung weist weiterhin einen zweiten Umwandlungskreis zur Umwandlung der beweglichen Bezugskoordinaten in ein festes Bezugssystem auf,

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wobei der zweite Umwandlungskreis zwei je an einen der beiden Integratoren angeschlossene Eingänge zur Umwandlung der Ausgangssignale der Integratoren in ein fünftes und ein sechstes Signal aufweist und wobei die beiden Eingänge der beiden Addiervorrichtungen zur Aufnahme des fünften und des sechsten Signales an den zweiten Umwandlungskreis angeschlossen sind.

Diese Zweigschaltung ermöglicht eine selektive Erhöhung des Verstärkungsfaktors des Regelkreises in einem Frequenzband, welches um eine Frequenz zentriert ist, die ständig und automatisch der Drehzahl des Läufers entspricht.

In bevorzugter Weiterbildung weist die Zweigschaltung einen ersten und einen zweiten Zweigkreis auf, von denen einer vor dem ersten und ein anderer vor dem zweiten Eingang des ersten Umwandlurpkreises liegt.

Dadurch, daß der Zweigschaltung nicht nur die der Abweichung der Radialstellung der Achse der Welle gegenüber ihrer vorbestimmten Stellung entsprechenden Signale zugeführt werden, sondern auch die Ableitungen dieser Signale, wird eine selektive Verstärkung der Phasenvoreilung und damit eine Dämpfung der synchronen Störeinflüsse in diesem Frequenzband erzielt, wodurch ein Überschreiten der kritischen Drehzahlen des Läufers mit verminderten Schwingungsausschlagen möglich ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbedspiels anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Ansprüchen. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Halbschnitt durch die Lagerung eines Läufers in zwei magnetischen Radiallagern,

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Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine schaltbildliche Darstellung des Regelkreises einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verstärkung der Zweigschaltung des Regelkreises gemäß Fig. 4 als Funktion der Frequenz der Störeinflüsse und

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Steifheit des erfindungsgemäß ausgeregelten Lagers als Funktion der Frequenz der Störeinflüsse.

In den Fig. 1 bis 3 ist mit 1 ein Läufer bezeichnet, der an einem Stator 2 mittels zweier magnetischer Radiallager 3 gelagert ist. Jedes Lager weist elektromagnetische Wicklungen auf, die auf einem festen Kern 5 gewickelt sind, der mit einem Anker 6 zusammenarbeitet, welcher wiederum am Läufer 1 befestigt ist.

Die Elektromagnete sind in Paaren Ex, Ex¹ und Ey, Ey¹ gemäß zwei diametralen festen orthogonalen Achsen x'x bzw. y'y angeordnet, die senkrecht zur vorbestimmten Drehachse ζ ¹Z des Lagers liegen, wobei die Elektromagnete desselben Paares einander diametral gegenüberliegen und bei Erregung durch Stromdurchfluß ihrer Wicklungen eine Anziehungskraft auf den Läufer ausüben. Im dargestellten Beispielsfalle weist jeder Elektromagnet zwei Wicklungen 4 auf, die in Serie geschaltet sind.

Jedes Lager ist mit einer radialen Fühleinrichtung 7 verbunden, die zwei Paare von Fühlern Dx, Dx¹ und Dy, Dy¹ aufweist, die gemäß zwei festen, zur Achse x'x bzw. zur Achse y'y parallelen Achsen angeordnet sind, wobei die beiden Fühler eines gleichen Paares einander diametral gegenüberliegen. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht jeder

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Fühler aus mehreren Spulen 8, die auf einem festen Kern 9 gewickelt sind und mit einem ringförmigen Anker 10 am Läufer 1 zusammenarbeiten. Selbstverständlich sind auch andere Arten von Fühlern einsetzbar, beispielsweise kapazitiv oder optisch arbeitende Fühler.

Der Läufer 1 kann durch einen nicht näher dargestellten Elektromotor angetrieben werden, dessen Stator mit dem Stator 2 und dessen Läufer mit dem Läufer 1 fest verbunden ist. .

Es ist bekannt, jedes Lager ausgehend von den Fühlsignalen mittels eines Steuerkreises zu steuern, der zwei Addiervorrichtungen besitzt, wie sie beispielsweise mit dem Bezugszeichen 11 und 12 in Fig. 4 veranschaulicht sind, welche die Summe der Signale jedes Paares der Fühler bilden und an ihren Ausgängen Signale χ und y erzeugen^ die der Abweichung zwischen der tatsächlichen radialen Stellung und der vorbestimmten radialen Stellung der Achse des Läufers des Rotors in Richtung der Achse x°x bzw. y'y entsprechen*

Bei einem bekannten Regelkreis werden die Signale χ und y an die Eingänge von KorrekturJcreisen 13 und 14, beispielsweise Phasenvoreilungskreisen, gelegt ₉ die an ihrem Ausgang Steuersignale χ und y erzeugen., Es ist weiter bekannt, diese Steuersignale χ und y zur Steuerung der Erregungsströme der den Fühlern D_^ D. Dy und Dy' zugeordneten Wicklungen Ex, Ex¹, Ey und Ey' der Elektromagnete des Lagers zu verwenden. Diese Signale werden beispielsweise an Phasenschieber 15 und 16 angelegt, welche Signale x¹ , x" und y· , y" erzeugen, welche nach Verstärkung in Verstärkern Ax, Ax¹, Ay und Ay¹ die Wicklungen mit einer geeigneten Polung speisen. Verschiedene Ausführungsformen für einen solchen Regelkreis sind beispielsweise aus der FR-PS 2 149 644 bekannt.

Erfindungsgemäß wird jedoch eine Zweigschaltung 18 einerseits

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zwischen die Fühleinrichtung und andererseits zwischen die Verstärker zur Speisung der elektromagnetischen Wicklungen des der Fühleinrichtung zugeordneten Lagers eingeschleift, um eine selektive Verstärkung des Verstärkungsfaktors des Regelkreises in einem Frequenzband zu erhalten, das zu beiden Seiten einer der Drehzahl des Läufers entsprechenden Frequenz liegt.

Die Zweigschaltung 1 8 weist einen ersten Umwandlungskreis oder Koordinatenwandler R1 auf, dessen erster Eingang an den Ausgang der Addiereinrichtung 11 über eine Schaltung D1 angeschlossen ist und dessen zweiter Eingang über eine Schaltung D2 an den Ausgang der Addiereinrichtung 12 angeschlossen ist. Die Schaltungen D1 und D2 sind Differenzierschaltungen, die am Ausgang Signale der Form ax + bx und ay + by erzeugen, wobei χ und y die Ableitungen der Signale χ und y und a und b Konstanten sind. Der Koordinatenwandler R1 liefert an seinen beiden Ausgängen Signale X bzw, Y, für die gilt:

X= (ax + bx) cosiot + (ay + by) sinftft Y = - (ax + bx) sinUJt + (ay + by) cos Vt,

wobei tO die Winkelgeschwindigkeit des Läufers und t die Zeit ist.

Der Koordinatenwandler R1 wandelt somit die festen Bezugskoordinaten, die durch die Achsen x'x und y'y gebildet werden, in ein läuferfestes Bezugssystem um, welches daher gegenüber dem festen Bezugspunkt mit einer Winkelgeschwindigkeit von u? umläuft.

Die Signale X und Y werden in den beiden Integrationsschaltungen IX und IY integriert, welche an ihren Ausgängen Signale X. bzw. Y₁ erzeugen. Die Signale X₁ und Y₁ werden an einen ersten bzw. einen zweiten Eingang eines zweiten Umwandlungskreises oder Koordinatenwandlers R2 angelegt, der eine gegenüber dem Koordinatenwandler R1 umgekehrte Transformation vornimmt und

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daher an seinen Ausgängen Signale X₁ bzw. y,. erzeugt, wobei gilt:

X₁ = X₁ cos & t - Y₁ sin

Y₁ = X₁ sin Wt + Y₁ cos u>t.

Eine Addierschaltung Sx erhält an ihren beiden Eingängen einerseits das Signal X₁ und aererseits das Signal χ aus der Korrekturschaltung 13, an der das Signal χ liegt. Eine Addierschaltung Sy erhält an ihren beiden Eingängen einerseits das Signal Y₁ und andererseits das Signal y von der Korrekturschaltung 14, an der das Signal y liegt. Die Addierschaltungen Sy und Sx erzeugen Signale X₁ und y-_, die den Phasen-

I C- I C-

Schiebern 15 bzw. 16 zur Erzeugung der Signale x'» x" und y¹ , y" zugeführt werden.

Die Koordinatenwandler R1 und R2 erhalten je an einem dritten Eingang ein Signal *)t aus einem Drehzahlumformer, der eine der tatsächlichen Drehzahl des Läufers^pf8rtionale Größe erzeugt. Die Koordinatenwandler R1 und R2 bilden Schaltungen zur Umformung der Koordinaten zwischen einem festen und einem drehenden Bezugssystem und können eine an sich bekannte Ausbildung besitzen. Im einzelnen kann die Schaltung 17 numerisch arbeiten, wobei die Signale χ und y vor dem Eintritt in die Schaltung 17 numerisch umgewandelt werden und die Signale X₁ und Y₁ am Ausgang der Schaltung 17 in Analogform umgewandelt werden.

Wenn fi die Frequenz der Signale der Fühler und f die Drehgeschwindigkeit des Läufers in Umdrehungen pro Sekunde ausdrückt, so verläuft die Übertragungsfunktion T der den Koordinatenwandler R1,'die Integrationsschaltungen IX und IY und den Koordinatenwandler R2 enthaltenden Schaltung 17 in der in Fig. 5 asymptotisch dargestellten Weise, wobei f die Bandbreite der Integrationen und K ihre Verstärkung ist. Für die Übertragungsfunktion T ergibt sich:

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τ =

wobei gilt:

ρ = j (u^ - U) I = 2 Tt j J£± - £J und4u>=

Dies ergibt für die Steifheit C des Lagers, wie auch für die Gesamtübertragungsfunktion des Regelkreises, eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors in einem Frequenzband, das stets um eine Frequenz f zentriert ist. Auf diese Weise wird daher eine selektive Erhöhung des Verstärkungsfaktors für eine Frequenz erzielt, die ständig der Drehzahl des Läufers angepaßt ist.

Wenn eine Änderung dieser Übertragungsfunktion für synchrone Störeinflüsse untersucht wird, so kann die Breite dieses Frequenzbandes auf einen Wert in der Größenordnung von etwa 1 Hz und damit die Bandbreite AS. der Integrations schaltungen IX und IY auf sehr geringe Frequenzen, beispielsweise auf Frequenzen in der Größenordnung von 1 Hz, begrenzt werden. Weiterhin können die Integrationsschaltungen IX und IY mit einstellbarem Verstärkungsfaktor K versehen werden, um die lokal*?e Erhöhung des Verstärkungsfaktors der globalen Übertragungsfunktion einstellen zu können.

Dadurch, daß als Eingangssignale für die Zweigschaltung 17 Signale in der Form ax + bx und ay + by verwendet werden, ergibt sich für die globale Übertragungsfunktion eine Erhöhung der Phasenvoreilung. Dies führt zur Erzielung starker Dämpfungskräfte für leichte Abweichungen der Radialstellung der Achse des Läufers und für synchrone Störeinflüsse, so daß mit geringen Biegeschwingungen und damit mit geringen Auslenkungen kritische Drehzahlen überschritten werden können.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, sind vielfache Abwandlungen und Abänderungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verla-ssen. Insbesondere ist bei den vorstehenden Erläuterun-

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gen stets lediglich der Fall betrachtet worden, daß ein Radiallager einer Fühleinrichtung zur Erfassung radialer Abweichungen zugeordnet ist, jedoch liegt auf der Hand, daß eine erfindüngsgemäße Vorrichtung für jede Baugruppe eines Radiallagers mit Fühleinrichtung zur Lagerung eines Läufers anwendbar ist.

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Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Dämpfung kritischer Frequenzen eines magnetisch gelagerten Läufers, mit einer Magnetabstützung, die wenigstens ein radiales Magnetlager mit elektromagnetischen Wicklungen, wenigstens eine Fühleinrichtung zur radialen Erfassung der axialen Stellung des Läufers und einen an die Fühleinrichtung und an die Wicklungen angeschlossenen Regelkreis aufweist, der einen Steuerkreis zur Speisung der Wicklungen besitzt, welcher zur Aufrechterhaltung der Läuferstellung in einer vorbestimmten Axialstellung auf Signale der Fühleinrichtung anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis eine Einrichtung (17) zur selektiven Erhöhung der Phasenverstärkung oder der Phasenvoreilung des Regelkreises in einem Frequenzband aufweist, dessen Zentrum eine der Drehgeschwindigkeit des Läufers, ausgedrückt in Umdrehungen pro Sekunde, entsprechende Frequenz ist«

2. Vorrichtung nach Anspruch 1„ gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur automatischen Angleichung der mittleren Frequenz des Frequenzbandes an die Drehgeschwindigkeit des Läufers.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2_S mit einer ersten und einer zweiten an die Fühleinrichtung angeschlossenen Einrichtung zur Erzeugung eines ersten bzw. eines zweiten Eingangssignales, welches der radialen Stellung des Läufers gemäß einer ersten und einer zweiten festen Bezugsachse entspricht, die aufeinander und auf der vorbestimmten Drehachse des Läufers senkrecht stehen, wobei der Steuerkreis einen mit der ersten Einrichtung bzw. mit der zweiten Einrichtung verbundenen ersten und zweiten Eingang aufweist und Verstärkerschaltungen an die elektromagnetischen Wicklungen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur selektiven Verstärkung eine erste und eine zweite Addierschaltung (Sx, Sy) mit zwei Eingängen aufweist, wobei die ersten Eingänge

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ORIGINAL INSPECTED

an die erste bzw. zweite Einrichtung (11, 12) und die Ausgänge an die Verstärkerschaltungen (Ax, Ax', Ay, Ay¹) angeschlossen sind, und eine zwischen die erste und zweite Einrichtung (11, 12) zur Erzeugung des Eingangssignals und die zweiten Eingänge der Addierschaltungen (Sx, Sy) eingeschleifte Zweigschaltung (I7)au£weist, daß die Zweigschaltung (17) einen ersten Koordinatenwandler (R1) zur Umformung durch die genannten festen Achsen gebildeter fester Bezugskoordinaten in ein bewegliches Bezugssystem aufweist, welches aus zwei beweglichen, aufeinander und auf der Drehachse des Läufers senkrecht stehende und mit dem Läufer umlaufende Achsen besitzt, wobei der erste Koordinatenwandler (R1) zwei Eingänge besitzt, die mit der ersten bzw. mit der zweiten Einrichtung (11, 12) zur Erzeugung von Eingangssignalen verbunden sind und ein drittes und ein viertes Signal (X, Y) an einem ersten und einem zweiten Ausgang erzeugt, wobei am ersten Ausgang des ersten Koordinatenwandlers (R1) eine erste Integrationsschaltung (IX) zur Aufnahme und zur Integration des dritten Signals"(X) und am zweiten Ausgang des ersten Koordinatenwandlers (R1) eine zweite Integrationsschaltung (!Υ) zur Aufnahme und zur Integration des vierten Signals (y) vorgesehen ist, daß die Zweigschaltung (17) weiterhin einen zweiten Koordinatenwandler (R2) zur Umformung des beweglichen Bezugssystems in ein festes Bezugssystem aufweist, wobei der zweite Koordinatenwandler (R2) zwei an die erste bzw. die zweite Integrationsschaltung (IX, IY) angeschlossene Eingänge zur Umwandlung der Ausgangssignale (X1 _t Y1) der Integrationsschaltungen (IX, IY) in ein fünftes und ein sechstes Signal (xi, yi) aufweist, und daß die zweiten Eingänge der ersten und der zweiten Additionsschaltung (Sx, Sy) an dem zweiten Koordinatenwandler (R2) zur Aufnahme des fünften und sechsten Signales (x1 , y1) liegen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehzahlwandler (18) zur Erzeugung eines der Drehgeschwindigkeit des Läufers analogen Signals an den ersten

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und den zweiten Koordinatenwandler (R1 , R2) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigschaltung (17) eine erste und eine zweite Differenzierschaltung (D1, D2) aufweist, die vor dem ersten bzw. dem zweiten Eingang des ersten Koordinatenwandlers (R1) eingeschaltet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Integrationsschaltungen (IX, IY) eine auf niedrige Frequenzen in der Größenordnung von 1 Hz begrenzte Bandbreite aufweist.

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