DE2800960C2

DE2800960C2 - Elektromagnetische Rotorlagerung

Info

Publication number: DE2800960C2
Application number: DE2800960A
Authority: DE
Inventors: Helmut Vernon Habermann
Original assignee: EUROPEENNE DE PROPULSION PUTEAUX HAUTS-DE-SEINE FR Ste
Current assignee: EUROPEENNE DE PROPULSION PUTEAUX HAUTS-DE-SEINE FR Ste
Priority date: 1977-01-12
Filing date: 1978-01-11
Publication date: 1986-01-30
Also published as: FR2377549B1; JPS6014931B2; DE2800960A1; GB1597720A; US4353602A; FR2377549A1; JPS5388445A; CA1110306A

Description

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bewegungen, die bei der bekannten gattungsgleichen Rotorlagerung nur gemeinsam von den beiden axial versetzten Radiallagern möglich war. Das an sich verbleibende Radiallager braucht dann nur noch den Rotor bezüglich eines axialen Parallelversatzes senkrecht zur Rotorachse zu kontrollieren. Die erfindungsgemäße Rotorlagerung eignet sich deshalb für die Lagerung kurzer, d. h. scheibenförmiger Rotoren mit kurzen Achsen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine bekannte elektromagnetische Rotorlagerung im halben Axialschnitt,

F i g. 2 fühlergesteuerte Induktoren eines Axiallagers im Schnitt nach der Linie H-II der F i g. 3,

F i g. 3 das Axiallager gemäß F i g. 2 im Axialschnitt nach der Linie HI-III der F i g. 2,

F i g. 4 einen Ausschnitt des Axiallagers gemäß F i g. 2 im Querschnitt im Bereich eines Fühlers nach der Linie II-IIderFig.2,

F i g. 5 eine Rotorlagerung im Axialschnitt nach der LinieV-VderFig.6,

F i g. 6 fühlergesteuerte Induktoren eines Axiallagers der Rotorlagerung gemäß F i g. 5 im Schnitt nach der Linie VI-VI der F ig. 5 und

F i g. 7 ein elektrisches Blockschaltbild für die Kontrolle der Rotorlagerung gemäß F i g. 5 und 6.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig.2 und 3 ist auf einem festen Träger 1 ein erster Induktionsteil 10 eines Axiallagers gegenüber einer Fläche 21a eines Endes 21 eines Rotors 20 von verhältnismäßig großem Durchmesser und kleiner Länge angebracht. Ein zweiter Induktionsteil 30, der den gleichen Aufbau wie der Induktionsteil 10 hat, liegt gegenüber einer Fläche 216 des Endes des Rotors 20. Jeder der Induktionsteile 10,30 hat eine Ringform und setzt sich aus vier sektorartigen, unabhängigen Induktoren 11,12,13,14 bzw. 31,32,33,34 zusammen, von welchen jeder einen ferromagnetischen Kern Ha, 12a, 13a, 14a, 31a, 32a, 33a, 34a und eine Spule 116,126,13Z), 146,31 ft, 326,336,346 hat. Für jeden der vier Induktoren 11 —14,31—33 wird die axiale Lage des Rotors 20 in bezug auf die Flächen der Induktionsteile 10, 30 mit mindestens einem der Fühler 15—18 überwacht.

Die vier Induktoren 11 —13 und 31—34 beider Induktionsteile 10,30 sind symmetrisch in einer radialen Ebene in bezug auf zwei rechtwinklige Achsen X'-X und Y'-Y in dieser Ebene. Die vier ringsegmentförmigen Induktoren erstrecken sich nicht über die gesamte Ringfläche sondern haben etwas Abstand voneinander. An diesen freien Stellen zwischen den Induktoren 11 — 14 sind die Fühler 15—18 angeordnet. Sie können als elektromagnetische Fühler ausgebildet sein, wie es in F i g. 4 für den Fühler 18 dargestellt ist In diesem Fall weist der Fühler einen festen Induktor mit einem eingeschlossenen ferromagnetischen Kern 18a und eine Spule 186 auf, die der Fläche 21a des scheibenförmigen Endes des Rotors 20 gegenüberliegt

jeder Induktor 11 —14 des Induktionsteils 10 wird von mindestens einem Fühler 15—18 überwacht. Es ist auch eine Überwachung eines jeden Induktors durch zwei Fühler möglich. Bei zwei Fühlern, die zu beiden Seiten des zu überwachenden Induktors liegen, läßt sich für die Kontrolle ein Kombinationssignal bilden.

Die Induktoren 31 —34 des Induktionsteils 30 können mit Fühlern überwacht werden, die den Fühlern 15—18 gleich sind und symmetrisch zu diesen in bezug auf das Ende 21 des Rotors 20 liegen. Die Induktoren 31—34 können immer vorteilhaft mit den gleichen Fühlern 14—18 überwacht werden, mit denea auch die Induktoren 11—14 überwacht werden. So arbeitet jeder Induktor j I —34 mit dem entsprechenden, Ober ihm liegenden Induktor 11 —14 auf der Grundlage der Meßsignale von mindestens einem der nächsten Fühler 15—18 zusammen.

ίο JedeSpule 116— 146und316—346> bildet eine Schleife, die in dem ferromagnetischen Kern der Induktoren 11 — 14 und 31—34 derart eingebettet ist daß — in radialer Richtung gesehen — ein Pol innerhalb der Schleife und zwei untereinander aber zum Pol innerhalb der Schleife entgegengesetzte Pole außerhalb der Schleife liegen.

Es versteht sich, daß das Axiallager einer Rotorlagerung nicht wie im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 und 3 dargestellt ist zwei Induktionsteile 10 und 30 beidseits einer Scheibe aufweisen muß. Bereits mit einem einzigen Induktionsteil und mehreren umfangsmäßig verteilten Induktoren, die einzeln fühlergesteuert sind, ist es möglich, die Axialbewegung des Rotors und seine Kippbewegungen zu kontrollieren. In einem solchen Fall wirkt der Magnetkraft des Induktionsteils die Schwerkraft entgegen. Sofern, wie beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 und 3 auf beiden Seiten einer Scheibe zwei enigegeneerichtete Axiallager vorgesehen sind, ist die Rotorlagerung sowohl von der Schwerkraft als auch der

Lage unabhängig.

Während beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 und 3 von der Rotorlagerung nur das Axiallager gezeigt ist zeigt das Ausführungsbeispiel der Fig.5 und 6 eine vollständige elektromagnetische Lagerung eines Rotors 120.

Der Rotor 120 wird an seinen beiden Enden jeweils von einem elektromagnetischen Axiallager 110,130 bezüglich axialer Bewegungen und Kippbewegungen kontrolliert und inzwischen in Axiallagern mittels eines elektromagnetischen Lagers 123 bezüglich seines Radialversatzes.

Das in einer radialen Ebene P liegende Radiallager 123 besteht aus einem feststehenden Induktionsteil und einer auf dem Rotor 120 angeordneten Armatur 123c.

Das Induktionsteil besteht aus mehreren umfangsmäßig verteilt angeordneten Induktoren, die jeweils einen Polschuh 123a und eine Spule 1236 aufweisen. Für jeden Induktor des Radiallagers 123 ist ein elektromagnetischer Fühler 124 vorgesehen, der aus einem feststehenden Induktor aus Polschuh 124a und Polschuh 1246 sowie einer auf dem Rotor 120 angeordneten Armatur 124c besteht.

Die Axiallager UO₁ 130 haben den im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 und 3 beschriebenen Aufbau, d. h.

vier voneinander unabhängige Induktoren 111 — 114 und 131-134, die jeweils von einem Fühler 115—118 und 135—138 überwacht werden. Jedsr Fühler 115—118 und 135—138 liegt radial versetzt zu dem ringsektorartigen Induktor 111 — 114 und 131 —134, den

ω er überwacht Jeder Fühler besteht aus einem ferromagnetischen Kern lila—114a und einer darin eingebetteten, eine Schleife bildenden Spule 1116—1146.

In der Radialebene B wird die Verlagerung des Rotors 120 in Richtung der Achsen X'-X und Y'-Y durch die Fühler 124 überprüft und entsprechend dieser Prüfung die Erregung der einzelnen Induktoren 123a, 1236, gesteuert, während Kippbewegungen (Drehungen um die Achsen X'-X und V- Ysowie die axiale Verlaeerune

... ι ι

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5

in Richtung der Achse Z'-Z mit den Fühlern 111-113 und 131 — 133 überwacht und entsprechend dieser

Überwachung die einzelnen Induktoren 115—118 und ·

135—138 gesteuert werden.

Wie im einzelnen die von den Fühlern gelieferten 5 ,1

Signale zur Steuerung der Erregung der Induktoren aufbereitet werden können, ist in F i g. 7 dargestellt.

Das Fühlerpaar 115,135, das die axiale Lage des Ro- ■

tors 120 in bezug auf zwei gegenüberliegende Indukto- :y_t

ren Ul, 131 kontrolliert und das Fühlerpaar 117, 137, 10 f|

das die axiale Lage des Rotors 120 in bezug auf zwei |

übereinanderliegende Induktoren 113,133 kontrolliert, ^|f

liefern Signale an Summierer 140,141. Der Summierer 140 liefert sein Ausgangssignal über einen Inverter 142 an einen Summierer 143, der unmittelbar das Ausgangs- 15

signal des Summierers 141 empfängt. Dem Summierer M

143 ist ein Phasenschieber 144 nachgeschaltet Das Ausgangssignal des Phasenschiebers 144 gelangt zu einem Summierer 146, der über einen Steuerverstärker 148 die Induktoren 111 und 131 steuert Das Ausgangssignal des Phasenschiebers 144 gelangt über einen Inverter 145 zu einem weiteren Summierer 147, der über einen Steuerverstärker die beiden Induktoren 113,133 steuert Mit der soweit beschriebenen Überwachungseinrichtung wird der Rotor bezüglich einer Kippbewegung um die Achse Y- !"kontrolliert

Das Fühlerpaar 116,136, das die axiale Lage des Rotors in bezug auf die beiden übereinanderliegenden Induktoren 112,132 überwacht, ist mit dem Eingang eines Summierers 150 verbunden, während das Fühlerpaar 118,138, das die axiale Lage des Rotors 120 in bezug auf

die übereinanderliegenden Induktoren 114, 134 über- ^!

wacht mit dem Eingang eines Summierers 151 verbunden ist Das Ausgangssignal des Summierers 150 gelangt

über einen Inverter 152 zum Eingang eines weiteren 35 '

Summierers 153, der ebenfalls das Ausgangssignal des Summierers 151 empfängt Das Ausgangssignal des Summierers 153 gelangt über einen Phasenschieber 154 zum Eingang eines Summierers 156, der über einen Steuerverstärker 158 die Induktoren 112, 132 steuert Das Ausgangssignal des Phasenschiebers 154 gelangt über einen Inverter 155 zu einem Summierer 157, der über einen Steuerverstärker 159 die Induktoren 114,134 steuert Bei diesem Teil der Überwachungseinrichtung wird das Kippen des Ptotors um die Achse XJfkontroI-liert

Die Kontrolle der axialen Verlagerung des Rotors, also parallel zur Z-Z'-Achse ist bei dem Blockschaltbild F i g. 7 dadurch verwirklicht daß die vier Fühlerpaare 115,135 und 116,136 und 117,137 und 118,138 über die Summierer 140,141,150,151 Signale an einen Summierer 160 liefern, der über einen Phasenschieber 16! mit schmaler Bandbreite Signale an zweite Eingänge der erwähnten Summierer 146,147,156,157 liefert

Die Kontrolle der radialen Verlagerung des Rotors 55 _;

120, also parallel zu den Achsen X-X'und Y-Y'werden in bekannter Weise mittels des fühlergesteuerten Radiallagers (vgL DE-OS 22 63 096). ·

Bei dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen "

Lager findet also eine Kontrolle des Rotors bezüglich eo fünf Freiheitegraden statt, und zwar eine lineare Verlagerung in Richtung der Achsen X-X', Y-Y' und Z-Z' sowie eine Drehung um die Achsen X-X' und Y- Y' mittels eines einzigen Radiallagers und einem gegebenen- ~ falls zweigeteilten Axiallager statt 65 ^:

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

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1 2

elektromagnetisches Axiallager 7 angeordnet, daß von

Patentansprüche: einem axialen Fühler 8 überwacht wird. Jedes der elektromagnetischen Radiallager 3, 4 weist eine auf dem

1. Rotorlagerung mit ringförmig um die Rotorach- Rotor 2 angeordnete, ringförmige Armatur und ein diese angeordneten, elektromagnetischen Lagern, die 5 se Armatur umschließendes, im Gehäuse 1 gehaltenes jeweils aus einem feststehenden, fühlergesteuerten Induktionsteil auf. Jedes Induktionsteil der beiden elek-Induktionsteil und einer auf dem Rotor angeordne- tromagnetischen Lager 3,4 setzt sich aus mehreren um· ten Armatur bestehen, wobei ein Lager als Radialla- fangsmäßig verteilt angeordneten, einzeln fühlergesteuger ausgebildet ist und umfangsmäßig verteilt ange- erten Induktoren zusammen. Mittels dieser beiden derordnete, einzeln fühlergesteuerte Induktoren auf- io art ausgebildeten und in axial versetzten Ebenen P\, P₂ weist und ein anderes Lager als Axiallager ausgebil- angeordneten Radiallagern ist es möglich, sowohl einen det ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Axialversatz des Rotors als auch ein Kippen des Rotors nur einem Radiallager (123) das Axiallager (10, 21, zu verhindern. Das elektromagnetisch wirkende Axial-30, HC, 121, 130, 122) vier umfangsmäßig verteilt lager, das der Schwerkraft des Rotors entgegenwirkt, angeordnete, einzeln fühlergesteuerte Induktoren 15 erlaubt es, Axialverschiebungen des Rotors 2 zu Oberfl 1—14, 110—114,131—134) aufweist wachen. Auf diese Art und Weise läßt sich mit den drei Z Rotorlagerung nach Anspruch 1, dadurch ge- elektromagnetischen Lagern der Rotor bezüglich seiner kennzeichnet daß die Induktoren (11 —14,110— 114, Bewegung um fünf freie Achsen überwachen.
131 — 134) des Axiallagers (10,21,30,110,121,130, Voraussetzung für die Verhinderung von von Kipp-122) auf gegenüberliegenden Seiten der scheibenför- 20 bewegungen des Rotors 2 mittels der beiden elektromamigen Armatur (21,121,122) angeordnet sind. gnetischen Radiallager 3,4 ist ein ausreichender axialer

3. Rotorlagerung nach Anspruch 2, dadurch ge- Abstand. Je näher sich die Radiallager in axialer Richkennzeichnet, daß die Armatur des Axiallagers (110, tung rücken, desto weniger können sie die Wirkung von 130) aus zwei mit axialem Abstand voneinander an- zwei separaten Axiallagern entfalten. Im Grenzfall ungeordneten Scheiben (121,122) mit dazwischen an- 25 terscheidet sich ihre Wirkung nicht von der eines einzigeordneten Radiallager (123) besteht gen Radiallagers. In solchen Fällen läßt sich der Rotor

4. Rotorlagerung nach einem der Ansprüche 1 —3, mittels des oder der elektromagnetischen Radiallager dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (15—18) für nur noch bezüglich seines Parallelversatzes, nicht aber die Induktoren (11 —14) des Axiallager* (11,13) zwi- mehr bezüglich Kippung überwachen.

sehen benachbarten Induktoren (11 — 14) angeord- 30 Bei einer anderen bekannten Rotorlagerung (DE-OS

net sind. 32 31 613) ist auf dem Rotor eine Kreisscheibe ange-

5. Rotorlagerung nach einem der Ansprüche 1 —3, bracht, die einen Hohlzylinder trägt. Die Kreisscheibe dadurch gekennzeichnet daß die Fühler (111 — 114) und der Hohlzylinder sind vorzugsweise aus nichtmafür die Induktoren (115—113) des Axiallagers radial gnetischem, normalleitendem Material. Sie sind nach versetzt zu den einzelnen Induktoren (115—118) an- 35 dem sogenannten Null-Fluß-Prinzip gelagert, d. h, das geordnet sind. bei einer vertikalen Lagerung Magneteinheiten mit je-

6. Rotorlagerung nach einem der Ansprüche 1—5, weils einer Magnetspule oberhalb und unterhalb der dadurch gekennzeichnet, daß die Induktoren Kreisscheibe vorgesehen sind, wobei die Kreisscheibe (11 — 14, 111 — 114, 131 — 134) jeweils eine im fer- selbst als Hubschleife dient Solange sich die rotierende romagnetischen Kern (lla—14a, lila—114a, 40 Kreisscheibe etwa in der Mittelebene zwischen den Po- 131a—iMa) derart eingebettet angeordnete Spule len der etwa gleichstarken oberen und unteren Magnet-(116—146, lllf>—1146,131/)— 1346,)aufweisen, daß einheiten befindet, liegt sie in einem Gebiet mit geringein Pol innerhalb der Spule (11 b—l4b, 1116—1146, stern Kraftfluß. Erst bei einer Auslenkung aus dieser 1316—1346^ und zwei Pole entgegengesetzter PoIa- Mittellage werden in der Scheibe Wirbelströme indurität außerhalb der Spule (116—146, 1116—1146, 45 ziert, die bewirken, daß eine vertikale Rückstellkraft in 1316—1346_>>liegen. Richtung der Mittelebene zwischen den Polen der Magneten wirksam wird. Anders als bei der anderen bekannten Rotorlagerung wird bei dieser Rotorlagerung nicht mittels Fühler der Abstand des Rotors überwacht

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotorlagerung 50 und entsprechend diesem Meßwert der Reglerstrom der

mit ringförmig um die Rotorachse angeordneten, elek- einzelnen Magneteinheiten gesteuert, vielmehr beruht

tromagnetischen Lagern, die jeweils aus einem festste- die Wirkung dieser bekannten Rotorlagerung darauf,

henden, fühlergesteuerten Induktionsteil und einer auf daß im Rotor bzw. der auf ihr angeordneten Scheibe bei

dem Rotor angeordneten Armatur bestehen, wobei ein Auslenkung aus der Nullage Wirbelströme erzeugt wer-

Lager als Radiallager ausgebildet ist und umfangsmäßig ss den, die ihrerseits Rückstellkräfte erzeugen,

verteilt angeordnete, einzeln fühlergesteuerte Indukto- Ausgehend vom Stand der Technik gemäß F i g. 1

ren aufweist und ein anderes Lager als Axiallager ausge- liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rotorla-

bildet ist. gerung zu schaffen, bei der die Lage des Rotors nicht

Eine aus der DE-OS 23 49 033 bekannte Rotorlage- nur bezüglich Axial- und Parallelversatz sondern auch

rung dieser Art ist in F i g. 1 im axialen Halbschnitt dar- 60 bezüglich Kippung unter Kontrolle gehalten wird,

gestellt. Bei dieser Art von Lagerung ist der Rotor mit Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei

seiner Achse Z-Z' im inneren eines Gehäuses 1 aus- einer Rotorlagerung der eingangs genannten Art bei

schließlich mittels elektromagnetischer Lager gelagert. nur einem Radiallager das Axiallager vier umfangsmä-

Von diesen Lagern sind zwei Lager 3,4 in axial versetz- ßig verteilt angeordnete, einzeln fühlergesteuerte In-

ten Ebenen P\, Pi in der Nähe der beiden Enden des 65 duktoren aufweist.

Rotors 2 angeordnet und als elektromagnetische Ra- Bei der erfindungsgemäßen Rotorlagerung über-

diallager ausgebildet, die jeweils durch Radialfühler 5,6 nimmt das Axiallager zu der Kontrolle über die axiale

überwacht werden. Am oberen Ende des Rotors 2 ist ein Lage des Rotors zusätzlich die Kontrolle über die Kipp-