DE2804865A1

DE2804865A1 - Vorrichtung zum stabilisieren einer mindestens in einer ebene frei beweglichen masse innerhalb eines vorbestimmten frequenzbandes

Info

Publication number: DE2804865A1
Application number: DE19782804865
Authority: DE
Inventors: Helmut Habermann
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-02-04
Publication date: 1978-08-10
Also published as: SE437187B; CA1110345A; SE7801245L; JPS5399178A; DE2804865C2; FR2379732A1; US4244629A; JPS60579B2; GB1601096A; FR2379732B1

Description

SOCIETE EUROPEENNE DE PROPULSION
3, Avenue du General de Gaulle
92800 Puteaux - Prankreich

Vorrichtung zum Stabilisieren einer mindestens in einer Ebene frei beweglichen Masse innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stabilisieren einer mindestens in einer Ebene frei beweglichen Masse innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes, beispielsweise einer schwingungsträgen Masse, die auf senkrechten Federn gelagert ist.

Für Arbeiten mit großer Meßgenauigkeit ist es oft erforderlich, eine Unterlage, z.B. einen Tisch, zu haben, der eine möglichst geringe Empfindlichkeit für Schwingungen hat. In Industriegebieten werden solche Schwingungen hauptsächlich von laufenden Maschinen hervorgerufen und liegen daher meist bei einer Frequenz in der Nähe von 25 oder 50 Hertz. Um den Einfluß solcher Schwingungen zu verringern, hat man vorgeschlagen, als Unterlagen verhältnismäßig schwere Platten zu verwenden, die auf Federn montiert sind und somit mit diesen schwingungsträges System bilden, dessen Eigenfrequenz bei etwa 3 bis k Hertz liegen soll. Ein solches System, das vorzugsweise keine Stoßdämpfer aufweist, zeigt zwar eine geringe übertragbarkeit für Frequenzen von 25 oder 50 Hertz, so daß es eine Beeinflussung durch den größten Teil der in den Industriegebieten auftretenden Schwingungen ausschließt. Dagegen werden bei ihm Frequenzen, die in der Nähe der Resonanzfrequenz des Systems liegen, also Frequenzen in der Größenordnung von 3 bis 4 Hertz, in erheblichem Maße übertragen; die Benutzung üblicher Stoßdämpfer kann dabei nicht in Betracht kommen, wenn eine hohe Stabilität erreicht werden soll und Schwingungen geringer Amplitude, die z.B. in der Größen-

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Ordnung von Mikrometern liegen, wesentlich gedämpft werden sollen. Die bekannten Mittel zur Lagerung und Stoßdämpfung einer beträchtlichen Masse, die Schwingungen von etwa 10 Hertz ausschalten sollen, sind unwirksam gegenüber Störungen sehr niedriger Frequenz, die sich hauptsächlich in horizontalen Richtungen auswirken.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Stabilisierungsvorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, ein horizontales, in vertikaler Richtung schwingungsträges Element von Schwingungen sehr niedriger Frequenz zu befreien, also eine Vorrichtung, die eine Steifigkeit und eine Dämpfung dieses Elements für sehr niedrige Frequenzen ermöglicht, insbesondere für Frequenzen unterhalb einer bestimmten Anzahl von Hertz und oberhalb einiger zehntel oder hundertstel Hertz.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit dem die zu stabilisierende Masse darstellenden Element ein magnetisierbarer Teil verbunden ist, der den Anker eines mit ihm somit ein magnetisches Lager bildenden ortsfesten elektromagnetischen Systems ist, in dessen Stromkreis eine Vorrichtung liegt, die mit einer Einrichtung zur Ermittlung von Bewegungen der Masse in der genannten Ebene verbunden und geeignet ist, den Strom des genannten Stromkreises entsprechend zu steuern.

Vorzugsweise besteht der Anker aus einem Ringanker, der auf einem mit der Masse starr verbundenen Körper sitzt, dessen Achse rechtwinklig zu der zu ermittelnden Schwingung der Masse liegt und aus einem ihn umgebenden elektromagnetischen System besteht. In einer Schwingungsrichtung der Masse können vorzugsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten dieser Masse je ein solches elektromagnetisches Lager angeordnet sein» In einer zu der Ebene dieser elektromagnetischen Lager rechtwinkligen Richtung kann ein weiteres elektromagnetisches Lager solcher Art angeordnet sein.

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Zusätzlich kann zum Ermitteln der Bewegung der Masse eine Vorrichtung vorgesehen sein, die aus einem Ringanker, der auf einem mit der Masse starr verbundenen Körper sitzt, dessen Achse rechtwinklig zu der zu ermittelnden Schwingung der Masse liegt und aus einem ihn umgebenden elektromagnetischen System besteht. Diese Vorrichtung ist insbesondere dazu bestimmt, bei besonders großen Schwingungsamplituden Signale an die genannte Vorrichtung zu geben. Sie dient insbesondere dazu, bei sehr großen Schwingungsamplituden die Anker der elektromagnetischen Lager gegen deren übrigen Systeme in ihre zentrale Lage zurückzustellen, insbesondere dann, wenn die Amplituden so groß sind, daß Gefahr besteht-, daß ein Anker mit dem übrigen Teil des elektromagnetischen Lagers in Berührung gerät. Die zur Ermittlung der Bewegungen der Masse vorgesehenen Einrichtungen, die aus Beschleunigungsmessern bestehen können, arbeiten vorzugsweise auf einem Frequenzband zwischen einigen zehnteIn oder hundertstein Hertz und etwa 100 Hertz, während die vorerwähnten, zum Ermitteln größerer Schwingungsamplituden vorgesehenen Vorrichtungen auf Frequenzbändern arbeiten können, die außerhalb des vorgenannten Frequenzbandes liegen.

Die elektromagnetischen Lager haben im Bereich der Frequenz, in denen die Stabilisierung bewirkt wird, eine erhöhte räumliche Steifigkeit, die eine sehr geringe übertragbarkeit von Schwingungen auf das System sicherstellt, wobei die auf die Lager wirkenden Kräfte von der Erde entkoppelt sind, d.h. unabhängig von den Spulen sind. Deshalb kann der Magnetspalt verhältnismäßig groß sein, ohne daß dadurch die Wirksamkeit des Systems geschmälert wird.

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Die Erfindung wird in der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm der Steifigkeit einer

von Federn getragenen Platte in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Diagramm für den Fall, daß die&aus Platte und Federn bestehende System mit einer Vorrichtung zur horizontalen Stabilisierung gegenüber Schwingungen versehen ist,

Fig. 3 zeigt in einem vertikalen Schnitt eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die Kurve (a) der Steifigkeit K eines Systems, das aus einer Masse M, z.B. einer Platte 2 (Fig. 3) und sie tragenden, sich auf den Boden 1 abstützenden Federn 3, ^, 5 besteht, als Funktion der Frequenz f. In Abwesenheit anderer Stabilisierungsvorrichtungen hat die Steifigkeit K einen konstanten, der Steifigkeit der Federn 3, 4> 5 entsprechenden Wert Ko bis zu einem Punkt A, der ungefähr der Resonanzfrequenz f^ des Systems entspricht und z.B. der Größenordnung von einigen Hertz liegen kann. Bei Überschreitung des Punktes A wächst die Steifigkeit K schnell an; sie entspricht dann im wesentlichen der Steifigkeit der Platte von der Masse M in der Nähe der Frequenz fp, die den in Industriegebieten hauptsächlich auftretenden Schwingungen entspricht und bei etwa 25, 50 oder 100 Hertz liegen kann, ist die Steifigkeit K so groß, daß das System für Schwingungen in der Größenordnung von f„ sehr unempfindlich ist. Die in Fig. 2 dargestellte Kurve zeigt in gleicher Weise die Steifigkeit K des Systems in Abhängigkeit von der Frequenz f, wenn dem System eine Stabilisierungsvorrichtung gemäß der Erfindung zugefügt ist.

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Die Stabilisierungsvorrichtung umfaßt Elemente .6 und 7» die elektromagnetische Lager bilden. Jedes dieser Elemente 6 und 7 umfaßt ein festes, mit dem Boden 1 verbundenes Gehäuse 6l bzw. 71, die unterhalb eines Stückes 62 bzw. 72 der Platte 2 liegen, die an einander gegenüberliegenden Enden 21, 22 der Platte 2 befestigt sind. Jedes der elektromagnetischen Lager 63, 73 besitzt einen Ring 63c bzw. 73c aus Eisenblechen, der an einem an dem Stück 62 bzw. 72 befestigten Zylinderstück 62a bzw. 72a befestigt ist, als Anker für eine Anzahl ihn mit einem Abstand umgebender, an dem Gehäuse 61 bzw. 71 befestigter zum Zylinderstück 62a bzw. 72a radialer Magnetspulen mit Eisenkernen 63a bzw. 73a und Spulen 36b bzw. 73 b. Der Zwischenraum zwischen dem Ring 63c bzw. 73c und den Eisenkernen 63a bzw. 73'a kann verhältnismäßig groß sein. An jedem der Lager 63, 73 kann eine Fühlvorrichtung 64 bzw. 74 vorgesehen sein, zur Ermittlung der Lage des Eisenblechrings 62cbzw. 73c gegenüber den Spulenkernen 63a bzw. 73a. Die Fühler 64, 74 bestehen - ähnlich wie die Teile 63a bis 63c des Lagers 63 aus einem auf dem Zylinderstück 62a bzw. 72a sitzenden Eisenblechring 74c und einer Anzahl diesen Ring mit einem Abstand umgebenden, an dem Gehäuse 61 bzw. 71 befestigten Eisenkernen 64a bzw. 74a, die je von einer Spule 64b bzw. 74b umgeben sind. Grundsätzlich können die Fühler 64, 74 von beliebiger Konstruktion sein.

Auf der Platte sitzen drei Beschleunigungsmesser 8, 9, 10, durch die die Beschleunigungen festgestellt werden können, denen die Platte 2 bei Schwingungen unterworfen ist. Die Beschleunigungsmesser 8, 9, 10 können von irgendeiner bekannten Art sein. Sie sind dazu vorgesehen, innerhalb eines Frequenzbandes zu arbeiten, das von einer Frequenz, die nur wenig unter f., z.B. bei einigen zehntel oder hunderfcstel Hertz liegt, bis zu einer Frequenz reicht, die bei einer Größenordnung von fp, z.B. um 100 Hertz liegt. Die Beschleunigungsmesser 8 und 10 sind in der Nähe der Enden 21, 22 der Platte 2 angebracht und sind empfindlich für Beschleunigungen Ϋ-, Yp ^-ⁿ Richtung Y, in der die an der Platte 2 angebrachten Stücke 62, 72 liegen. Der Beschleunigungsmesser ist so angeordnet, daß er Beschleunigungen X in einer horizontalen, gegenüber der Richtung Y rechtwinkligen Richtung X ermittelt.

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Die von den Beschleunigungsmessern 8, 9, 10 gelieferten Signale werden über Leitungen 81, 91» 101 einer Steuerschaltung 11 zugeführt; ebenso werden der Steuerschaltung H die Signale der Spulen 64a, 74a der Fühler 64, 74 zugeführt. In der Steuerschaltung 11 werden diese Signale verwendet zur Steuerung der Ströme, die den Spulen 63a, 73a über Leitungen 65 bzw. 75 zugeführt werden. Über die Spulen 63a und 73a werden somit auf die Kerne 63c bzw. 73c Kräfte ausgeübt, die den Signalen der Beschleunigungsvorrichtungen 8, 9» 10 und der Fühler 64 bzw. 74 entsprechen und die vom Erdboden entkoppelt sind.

Die von den Beschleunigungsmessern 8. 9 und 10 gesandten Signale Y^, Yp und X werden in der Steuerschaltung 11 auf Schaltungen gegeben, die eine zweifache Integration so vornehmen, daß sie Signale liefern, die die Verlagerung der Platte 2 zeigen, wobei die Signale Y^ und Y₂ außerdem auf eine Komparator-Schaltung gegeben werden, die mit einem Zweifachintegrator verbunden ist, so daß sie ein differenziertes Signal liefert, das es erlaubt, Schlingerbewegungen der Platte in einer horizontalen Ebene zu berücksichtigen.

Für den Frequenzbereich der Beschleunigungsmesser oder eines in der Steuerschaltung 11 vorgesehenen Filters übertragen die Magnetlager 63 und 73 vom Erdboden 1 unabhängige Kräfte, die dem System eine räumliche Starrheit geben, dessen Masse groß sein, beispielsweise mehrere Tonnen betragen kann. Im Gegensatz zu hydraulischen und pneumatischen Lagern, die die Vibrationen des Gehäuses 61, 71 auf die Platte 2 übertragen würden, wirken die elektromagnetischen Lager 63, 73 in dem begrenzten Frequenzband ohne Einwirkung von Reibung oder Erdeinfluß.

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Fig. 2 zeigt die Wirkung der Einschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei sehr niedrigen Frequenzen, z.B. solchen, die erheblich unter 1 Hertz liegen, bei denen die Anwendung von Beschleunigungsmessern zu Meßfehlern führen würde, hat die Steifigkeit den durch die Federn 3 bis 5 bestimmten konstanten Wert Ko, wie dies der erste bis zum Punkt A¹ reichende Teil der Kurve (b) zeigt. In dem Frequenzbereich der beabsichtigten Anwendung, der die Resonanzfrequenz f^ des Systems 2, 3» 4, 5 einschließt, und möglichst bis in die Nähe der vorerwähnten Frequenz f₂ reicht, nämlich in den Bereich zwischen den Punkten B und C, ergibt sich eine räumlich erhöhte Steifigkeit, dank der mittels der Beschleunigungsmesser gesteuerten Magnetlager. Oberhalb des Punktes C der Kurve (b) wird die Steifigkeit des Systems wieder - wie im Falle der Fig. 1 - von den Elementen 2,3,4 und 5 abhängig und entspricht z.B. in dem Bereich zwischen den Punkten C und D der Steifigkeit der Platte 2 selbst. Die erfindungsgemäße Stabilisierungsvorrichtung ermöglicht somit dem System im Bereich einer begrenzten Zeit für ein begrenztes Frequenzband eine erhöhte Steifigkeit zu verleihen.

Es ist natürlich möglich, den ganzen Frequenzbereich f_Q bis f₂ oder einen Teil desselben eine räumliche Dämpfung einzuführen, indem man außerdem die von den Beschleunigungsmessern 8 bis 10 stammenden Signale einfachen Integratorschaltungen der Steuerschaltungen 11 derart zuführt, daß die von der Steuerschaltung 11 gelieferten Signale außerdem eine Dämpfungskomponente aufweisen.

Die Fühler 64 und 74, die aus einer Vielzahl von Fühlerelementen zusammengesetzt sein können, senden Signale Dr₁ und Dr _ aus, die eine Funktion der Lage ihrer Teile 64c, 74c gegenüber ihren Teilen 64a bzw. 74a sind und der Lage der Teile 63c und

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73c der elektromagnetischen Lager 63 bzw. 73 entsprechen. Diese Fühler haben nur die Aufgabe, eine Korrektur der Lage der elektromagnetischen Lager zu ermöglichen, wenn sie zu große Schwingungsweiten zeigen. Die Signale Dr₁ und Dr₂ werden nur berücksichtigt, wenn innerhalb des Frequenzbandes f_Q bis fp eine vorbestimmte Amplitude überschritten wird. Die Signale Dr₁ und Dr₂ werden in der Steuerschaltung 11 auf Trägerschaltungen gegeben, deren Ausgangssignale derüblichen Überwachungsschaltungen zugeführt werden, deren Ausgangssignale auf die Spulen 63a, 73a gegeben werden können. Die Fühler 64 und 7²J sollen überdies nur für Frequenzen unterhalb f_Q benutzt werden, um den Lagern eine Starrheit zu geben, die die Starrheit A_Q der Federn 3 bis 5 vergrößert.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch zur räumlichen Stabilisierung einer Masse angewendet werden, die nicht von Federn getragen wird; die vorerwähnte Anordnung kann dann durch eine entsprechende vertikale Stabilisierung derart vervollständigt werden, daß die Masse innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes im Raum gehalten und nach sechs Freiheitsgraden stabilisiert werden (nämlich drei Freiheitsgrade einer linearen Bewegung in drei senkrecht zueinanderstehenden Achsen und drei Freiheitsgrade einer Rotation um diese drei Achsen).

Bei einer solchen Ausführung weist die zu stabilisierende Masse mindestens zwei elektromagnetisch-r-wirkende Lager und drei Beschleunigungsmesser in der oben anhand der Zeichnung 3 erläuterten Weise auf und überdies mindestens ein elektromagnetisch wirkendes Lager in einer vertikalen Achse. Ferner ist mindestens ein vierter Beschleunigungsmesser: zur Ermittlung der in vertikaler Richtung auftretenden Schwingungen vorzusehen. Um Rotationen der Masse um die senkrechtenund die horizontalen Achsen auszugleichen, empfiehlt es sich, einen fünften und einen sechsten Beschleunigungsmesser vorzusehen, die auf der Masse in entsprechenden Abständen von dem zweiten bzw. vierten Beschleunigungsmesser anzubringen sind, um die Schwingungen in den Richtungen parallel zu den Achsen zu ermitteln, die dem gwe^t^n, ^d_n y^ejjten Beschleunigungsmesser

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entsprechen. Durch Kombination der Signale der Beschleunigungsmesser lassen sich alle Bewegungen in Richtung der Achsen und um die Achsen ausgleichen.

Bei einem System, daß in horizontaler und vertikaler Richtung zu stabilisieren ist und die Masse durch keine Feder gehalten wird, empfiehlt es sich, mechanische Mittel zum Ausgleich der konstanten vertikalen Belastung infolge der Schwerkraft der Masse auszugleichen. Ein solcher Ausgleich kann mittels eines Luftkissens verwirklicht werden. Auf diese Weise gibt es keine mechanischen-Stützmittel als Hindernis dafür, daß die Masse für einen vorbestimmten Frequenzbereich im Raum nach sechs Freiheitsgraden stabilisiert wird.

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Claims

COHAUSZ & FLORACK

PATENTANWALTSBÜRO

SCHUMANNSTR. 97 · D-4OOO DÜSSELDORF

Telefon: (0211) 68334(5 Telex: 08586513 cop d

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER · Dipl.-lng. H. B. COHAUSZ

Ansprüche:

Q) Vorrichtung zum Stabilisieren einer mindestens in einer Ebene frei beweglichen Masse innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Masse (2) verbundener magnetisierbarer Teil (63c; 73c) der Anker eines mit ihm somit ein elektromagnetisches Lager (63; 73) bildendes ortsfestes elektromagnetisches System (63a, 63b; 73a, 73b) ist, in dessen Stromkreis (65; 75) eine Vorrichtung (11) liegt, die mit einer Einrichtung (8, 9, 10; 64; 74) zur Ermittlung von Bewegungen der Masse (2) in der genannten Ebene verbunden und geeignet ist, den Strom des genannten Stromkreises (65; 75) entsprechend zu steuern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker aus einem Ringanker (63c; 73c) besteht, der auf einem mit der Masse (2) starr verbundenen Körper (62a; 72a) sitzt, dessen Achse rechtwinklig zu der zu ermittelnden Schwingungen der Masse (2) liegt und aus einem ihn umgebenden elektromagnetischen System (63a, 63b; 73a, 73b) besteht.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schwxngungsrichtung der Masse (2) auf einander gegenüberliegenden Seiten dieser Masse (2) je ein solches elektromagnetisches Lager (63;73) angeordnet ist.

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß in einer zu der Ebene des genannten magnetischen Lagers (63; 73) rechtwinkligen Richtung ein weiteres elektromagnetisches Lager dieser Art angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Ermitteln der Bewegung der Masse (2) aus einem Ringanker (64c; 74c), der auf einem mit der Masse (2) starr verbundenen Körper (62a; 72a) sitzt, dessen Achse rechtwinklig zu der zu ermittelnden Schwingung der Masse (2) liegt, und aus einem ihn umgebenden elektromagnetischen System (64a; 74a) besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmesser (8, 9, einen Frequenzbereich haben, der den in Betracht kommenden Störbereich (z.B. 25 Hertz) umfaßt und dessen Grenzen bei höchstens einerseits einigen zehntel oder hundertstel Hertz und andererseits etwa 100 Hertz liegen.

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