DE2658692C2

DE2658692C2 - Vorrichtung zur Dämpfung kritischer Frequenzen eines magnetisch gelagerten Läufers

Info

Publication number: DE2658692C2
Application number: DE2658692A
Authority: DE
Inventors: Maurice Brunet; Helmut Habermann; Pierre Vernon Joly
Original assignee: EUROPEENNE DE PROPULSION PUTEAUX HAUTS-DE-SEINE FR Ste
Current assignee: EUROPEENNE DE PROPULSION PUTEAUX HAUTS-DE-SEINE FR Ste
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1984-07-12
Also published as: CH611395A5; ES454559A1; NL7613747A; DE2658692A1; BE849837A; CA1086842A; IT1071981B; GB1567785A; FR2336603B1; FR2336603A1; JPS5293853A; JPS6014930B2; US4128795A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung kritischer Frequenzen eines magnetisch gelagerten Läufers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei einer solchen magnetischen bzw. aktiven Lagerung führt jede Störung, die sich als Änderung der Radialstellung des Läufers äußert, zu einer Reaktion jedes radialen Lagers auf den Läufer. Die Steifheil des Lagers hängt von dsr Frequenz der erfaßten Störungen und von ihrer Amplitude ab und ist durch den Verstärkungsfaktor des Regelkreises bestimmt, 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 sogenannte synchrone Störeinflüsse der Fall, deren Frequenz gleich der Drehzahl des Läufers ist, und zwar insbesondere dann, wenn die Drehzahl einen kritischen Wert annimmt. Es ist bekannt, daß für jedes sich drehende Teil kritische Drehzahlen existieren, bei denen sich das Teil unter Ausbiegung und unter Ausbildung von Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen verformt. Diese kritischen Drehzahlen liegen in der Regel hoch. Jedoch können bei einem durch Magnetlager abgestützten Läufer außerordentlich hohe Drehzahlen erzielt werden, so daß diese kritischen Drehzahlen überschritten werden müssen.
Um ein solches Überschreiten von kritischen Drehzahlen 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 wäre jedoch für alle Störungen wirksam und würde zu einer ungerechtfertigten Erhöhung für andere Störeinflüsse führen, die nicht beim Überschreiten 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 problem-

e,5 loses Überschreiten der kritischen Drehzahlen des Läufers unter Vermeidung der vorstehend geschilderten Nachteile gestattet.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem

3berbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß jurch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen ivierkmale gelöst

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat also eine Einrichtung zur selektiven Verstärkung der Phasenvoreilung des Kreises in einem Frequenzband um die der Drehzahl des Läufers entsprechende Frequenz herum. Auf diese Weise wird eine Erhöhung der Phasenvoreilung des Regelkreises in einem Frequenzband erzblt, welches sich zu beiden Seiten der der Drehzahl des Läufers entsprechenden Frequenz erstreckt und somit eine Erhöhung der Steilheit oder der Dämpfung des Lagers für synchrone Störeinflüsse bewirkt.

Die Erfindung e<möglicht 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 Verstärkerschaltungen für die elektromagnetischen Wicklungen angeschlossen sind. In diesem Falle weist die Einrichtung zur selektiven Verstärkung zwei Addierschaltungen mit zwei Eingängen auf, deren erste Eingänge jeweils an die beiden Fühler und deren Ausgänge an die Verstärkerschaltungen, angeschlossen sind, und sie hat weiterhin eine Zweigschaltung die zwischen den beiden Fühlern und den beiden zweiten Eingängen der Addierschaltungen angeschlossen ist. Die Zweigschaltung besitzt einen ersten Umformungskreis zur Umformung der festen Bezugskoordinaten gemäß den festen Vergleichsachsen in ein bewegliches Bezugssystem, welches aus zwei beweglichen Achsen besteht, die zueinander und zur Drehachse des Läufers senkrecht stehen und mit dem Läufer umlaufen. Dieser erste Umformungskreis 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 eine erste Integrationsschaltung am ersten Ausgang des ersten Umformungskreises zur Aufnahme und zur Integration des dritten Signales und eine zweite Integrationsschaltung am zweiten Ausgang des ersten Umforrnungskreises zur Aufnahme und zur Integration des vierten Signales angeschlossen ist. Die Zweigschaltung weist weiterhin einen zweiten Umformungskreis zur Umwandlung der beweglichen Bezugskoordinaten in ein festes Bezugssystem auf, wobei der zweite Umformungskreii zwei je an einen der beiden Integrationsschaltungen angeschlossenen Eingänge zur Umwandlung der Ausgangssignale der Integrationsschaltungen in ein fünftes und ein sechstes Signal aufweist und wobei die beiden Eingänge der beiden Addierschaltungen zur Aufnahme des fünften und des sechsten Signales an den zweiten Umformungskreis 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.

Die Zweigschaltung weist einen ersten und einen zweiten Zweigkreis auf, von denen einer vor dem ersten und ein anderer vor dem zweiten Eingang des ersten Umformungskreises liegt.

Dadurch, daß der Zweigschaluing 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 Oberschreiten der kritischen Drehzahlen des Läufe-.s mit verminderten Schwingungsausschlägen möglich ist.

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

F i g. 1 einen axialen Halbschnitt durch die Lagerung eines Läufers in zwei magnetischen Radiallagern. Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie H-Il in Fi g. 1, Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie HI-IlI in Fi g. 1.

F i g. 4 eine schaltbildliche Darstellung des Regelkreises einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

F i g. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verstärkung der Zweigschaltung des Regelkreises gemäß F i g. 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 F i g. 1 bis 3 ist mit t ein Läufer bezeichnet, der an einem Stator 2 mittels zweier magnetischer Radiallager 3 gelagert ist. Jedes Lager weist elektromagnetische Wicklungen 4 auf, die auf einem festen Kern 5 gewickelt sind, der mit einem Anker 6 zusammenarbeitet, welcher wiederum am Läufer 1 befestigt ist.

Die Elektromagriete sind in Paaren Ex. Ex'und Ey. Ey' gemäß zwei diametralen festen orthogonalen Achsen x'x bzw. y'y angeordnet, die senkrecht zur vorbestimmten Drehachse z'z des Lagers liegen, wobei die Eiektromagnete 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. D,vund Dy. Dy' aufweist, die gemäß zwei festen, zur Achse v'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 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 F i g. 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 t>5 der Achse \ \ bzw.,ι entsprechen.

Bei einem bekannten Regelkreis werden die Signale v und van die Eingänge von Korrekiurkreisen 13 und beispielsweise Phasenvoreilungskreisen, gelegt, die an

ihrem Ausgang Steuersignale \\- und y_c erzeugen. Es ist weiter bekannt, diese Steuersignale λ;· und y_c zur Steuerung der Erregungsströme der den Fühlern Dx, Dx', Dy und Dy' zugeordneten Wicklungen Ex. Ex'. Ey und Ey' der Elektromagnete des Lagers zu verwenden. Diese Signale werden beispielsweise an Phasenschieber 15 und 16 angelegt, welche Signale λ ',·. x'\. und y\-, y'\- erzeugen, welche nach Verstärkung in Verstärkern Ax, Ax'. Ay und Ay' die Wicklungen mit einer geeigneten Polung speisen. Verschiedene Ausführungsformen für κι einen solchen Regelkreis sind beispielsweise aus der FR-PS 21 49 644 bekannt.

Erfindungsgemäß wird jedoch eine Zweigschaltung 17 einerseits zwischen die Fühleinrichtung und andererseits zwischen die Verstärker zur Speisung der elektromagnetischen Wicklungen des der Fülleinrichtung 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 17 weist einen ersten Umwandlungskreis oder Koordinatenwandler R 1 auf, dessen erster Eingang an den Ausgang der Addiereinrichtung 11 über eine Schaltung D 1 angeschlossen ist und dessen zweiter Eingang über eine Schaltung D2 an den Ausgang der Addiereinrichtung 12 angeschlossen ist. Die Schaltungen Di und D 2 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 R 1 liefert an seinen beiden Ausgängen Signale X bzw. Y, für die gilt:

X = (ax + bx) 90s wt + (ay + by) sin ωί Y = —(ax + bx)sin ωί + (ay + by)cos ωί.

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wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Läufers und ί die Zeit ist.

Der Koordinatenwandler R 1 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 ω umläuft.

Die Signale X und Y werden in den beiden Integrationsschaitungen /A"und IY integriert, welche an ihren Ausgängen Signale X₁ bzw. Y, erzeugen. Die Signale X\ und Yi werden an einen ersten bzw. einen zweiten Eingang eines zweiten Umwandlungskreises oder Koordinatenwandlers R 2 angelegt der eine gegenüber dem Koordinatenwandler R 1 umgekehrte Transformation vornimmt und daher an seinen Ausgängen Signale x\ bzw. γ·, erzeugt, wobei eilt:

λί = X] cos ωί — Y] sin ωί y-\ = Xt sin ait + K, cos ωί.

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Eine Addierschaltung Sx erhält an ihren beiden Eingängen einerseits das Signal x\ und andererseits das Signal A-_Caus der Korrekturschaltung 13, an der das Signal χ liegt Eine Addierschaltung Sy erhält an ihren beiden Eingängen einerseits das Signal yi und andererseits das Signal y_c von der Korrekturschaltung 14, an der das Signal y liegt Die Addierschaltungen Sy und Sx erzeugen Signale X\_c und y\_c, die den Phasenschiebern 15 bzw. 16 zur Erzeugung der Signale x'_c, x"_c und y'_c, y"_c zugeführt werden.

Die Koordinatenwandler R 1 und R 2 erhalten je an einem dritten Eingang ein Signal ωί aus einem Drehzahlumformer, der eine der tatsächlichen Drehzahl des Läufers proportionale Größe erzeugt. Die Koordinatenwandler R 1 und R 2 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 x\ und y\ am Ausgang der Schaltung !7 in Analogform umgewandelt werden.

Wenn //die Frequenz der Signale der Fühler und /die Drehgeschwindigkeit des Läufers in Umdrehungen pro Sekunde ausdrückt, so verläuft die Übertragungsfunktion T der den Koordinatenwandler Ri, die Integrationsschaltungen IXund /Vundden Koordinatenwandlcr R 2 enthaltenden Schaltung i7 in der in Fig. 5 asymptotisch dargestellten Weise, wobei /die Bandbreite der Integrationen und K ihre Verstärkung ist. Für die Übertragungsfunktion Tergibt sich:

T =

1 +

A ω

wobei gilt:

P = J](U₁- - ω\ = 2 irj \fi — Δω = 2 π

| und

Dies ergibt für die Steifheit Cdes Lagers, wie auch für die Gesamtübertragungsfunktion des Regelkreises, eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors in einem Frequenzband, das stets um eine Frequenz / 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 Af der Integrationsschaltungen IX und /Kauf 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 lokale 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 Übertragungsfüiikiion eine Erhöhung der Phasenvoreilung. Dies führt zur Erzielung starker Dämpfungskräfte für leichte Abweichungen der Radialstellung der Achse des Läufers und für synchrone StöreinfJüsse, 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 verlassen. Insbesondere ist bei den vorstehenden Erläuterungen stets lediglich der Fall betrachtet worden, daß ein Radiallager einer Fühleinrichtung zur Erfassung radialer Abweichungen zugeordnet ist, jedoch liegt auf der Hand, daß eine erfindungsgemäße Vorrichtung für jede Baugruppe eines Radiallagers mit Fühleinrichtung zur Lagerung eines Läufers anwendbar ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

' Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Dämpfung kritischer Frequenzen eines magnetisch gelagerten Läufers, mit einer Magnetabstützung, die wenigstens ein radiales Magnetlager mit elektromagnetischen Wicklungen aufweist, mit

a) wenigstens einer Fühleinrichtung zur Erfassung der radialen Stellung des Läufers, und

b) einem an die Fühleinrichtung und an die Wicklungen angeschlossenen Regelkreis, der einen Steuerkreis zur Speisung der Wicklungen besitzt, welcher zur Aufrechterhaltung der Lauferstellung in einer vorbestimmten Stellung auf Signale der Fühleinrichtung anspricht,

dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis

a) eine Einrichtung (17) zur selektiven Erhöhung der Phasenverstärkung oder der Phasenvoreilung des Regelkreises in einem Frequenzband, dessen Zentrum eine steuerbare mittlere Frequenz ist, und

b) eine Einrichtung zur automatischen Angleichung der mittleren Frequenz des Frequenzbandes an die Drehzahl des Läufers

aufweist, wobei durch selektive Erhöhung der Steifheit des Lagers kritische Frequenzen gedämpft sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer ersten und einer zweiten an die Fühleinrichtung angeschlossenen Einrichtung zur Erzeugung je eines Eingangssignales, welches der radialen Stellung des Läufers gemäß einer ersten und einer zweiten festen Bezugssache entspricht, die aufeinander und auf der vorbestimmten Drehachse des Läufers senkrecht stehen, wobei der Steuerkreis mit der ersten bzw. mit der zweiten Einrichtung verbunden ist und Verstärkerschaltungcn an die elektromagnetischen Wicklungen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung zur selektiven Verstärkung zwei Addierschaltungen (Sx, Sy) mit je zwei Eingängen aufweist, wobei die jeweils ersten Eingänge an die erste bzw. zweite Einrichtung (11, 12) und die Ausgänge an die Verstärkerschaltungen (Ax, Ax', Ay, Ay') angeschlossen sind, und wobei die zweiten Eingänge der Addierschaltungen an die beiden Ausgänge einer Zweigschaltung (17) angeschlossen sind, deren Eingänge mit der ersten bzw. zweiten Einrichtung (11, 12) verbunden sind und
zu einem ersten Koordinatenwandler (R 1) führen, der zur Umformung der durch die genannten festen Achsen gebildeten festen Bezugskoordinaten in ein bewegliches Bezugssystem dient, welches aus zwei beweglichen, aufeinander und auf der Drehachse des Läufer? senkrecht stehenden und mit dem Läufer umlaufenden Achsen besteht, wobei an den beiden Ausgängen dieses Koordinatenwandlers (R 1) je eine Integrationsschaltung (IX) und (IY) angeschlossen ist, deren Ausgänge (X\, Vi) an einen zweiten Koordinatenwandler (R 2) zur Umformung des beweglichen Bezugssystems in ein festes Bezugssystem geschaltet sind, und wobei die Ausgänge dieses Koordinatenwandlers (R 2) die Ausgänge der Zweig-

schaltung (17) bilden und

daß ein Drehzahlwandler (18) zur Erzeugung eines der Drehgeschwindigkeit des Läufers analogen Signals an die Eingänge des ersten und zweiten Koordinatenwandlers (Rl, R 2) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigschaltung (17) eine erste und eine zweite Differenzierschaltung (Di, D 2) aufweist, die vor dem ersten bzw. dem zweiten Eingang des ersten Koordinatenwandlers (R 1) eingeschaltet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Integrationsschaltungen (IX, IY) eine auf niedrige Frequenzen in der Größenordnung von 1 Hz begrenzte Bandbreite aufweist.