DE2847930A1 - Magnetische lagereinrichtung - Google Patents
Magnetische lagereinrichtungInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich gemäß dem Oberbegriff des
ersten Patentanspruches auf eine aus der DE-OS 26 49 182
bekannte magnetische Lagereinrichtung. Zur Stabilisierung eines Rotors in den zur Drehachse im wesentlichen senkrechten
Richtungen, d.h. in den beiden Radialrichtungen, sind bei der bekannten Lagereinrichtung wenigstens zwei
aktiv regelbare Magnetlager mit Steuerspulen vorgesehen. Die Steuerspulen werden in Abhängigkeit der Signale von
Sensoren, welche die radiale Rotorposition erfassen, angesteuert. Steuerspulen und gegebenenfalls ein oder mehrere
Permanentmagnete erzeugen in scheiben- oder ringförmigen Polblechen des Stators sowie einem insbesondere u-förmigen
Rotorring einen magnetischen Fluß, wobei in ringförmigen Luftspalten zwischen den Polflächen der Polbleche
und dem Rotorring ein im wesentlichen radial gerichtetes Magnetfeld vorhanden ist. Entsprechend der Ansteuerung
der Steuerspulen können somit radial gerichtete Kräfte auf den Rotorring bzw. den gesamten Rotor ausgeübt werden.
Eine derartige magnetische Lagereinrichtung wird auch als zwei-achsig aktive Lagereinrichtung bezeichnet. Axiale Bewegungen
des Rotors sowie Kippbewegungen des Rotors um die radialen Achsen werden hingegen passiv stabilisiert, d.h.
es wirken ungesteuerte Rückstellkräfte bzw. Rückstellmomente, welche den ausgelenkten Rotor wie Federkräfte wieder
in die durch die Geometrie der Polbleche und des Polringes vorgegebene Sollposition zurückbringen. Aufgrund der Rotormasse
ist somit ein schwingungsfähiges System vorhanden,
welches nahezu keine Dämpfung aufweist. Darüber hinaus besitzt ein derart gelagerter Rotor um die radialen
Achsen charakteristische Eigenfrequenzen und zwar die Präzessions- und die Nutationsfrequenz. Bereits bei niedrigen
Drehzahlen des Rotors können Präzessionsschwingungen zur Instabilität der Lagereinrichtung führen, wobei die
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hierdurch bedingten kritischen Drehzahlen meistens schnell genug durchfahren werden können. Mit zunehmender
Drehzahl bereiten aber besonders die aufklingenden Nutati
ons schwingungen große Schwierigkeiten, welche zusätzliche
Maßnahmen erfordern, um kritische Drehzahlen durchfahren bzw. die Drehzahl weiter steigern zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand eine magnetische Lagereinrichtung zu schaffen, welche
eine Stabilisierung eines Rotors bis zu hohen Drehzahlen und eine wirksame Dämpfung von Schwingungen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Mit der Erfindung wird vor allem eine aktive Dämpfung von Schwingungen eines Rotors erreicht, ohne daß hierfür zusätzliche
Steuermittel oder Regeleinrichtungen erforderlich sind. Aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung des Rotorschwerpunktes
außerhalb der Radiallagerebene werden
Sensorsignale nicht nur durch Radialbewegungen, sondern auch durch Kippbewegungen des Rotors hervorgerufen. Bei einer
Kippung des Rotors um eine radiale Achse entsteht nämlich in der anderen radialen Richtung eine radiale Bewegung,
welche ein entsprechendes Sensorsignal erzeugt. Über die vorhandene, gegebenenfalls noch modifizierte Regeleinrichtung
sowie über die Steuerspulen wird eine Radialkraft auf dem Rotor ausgeübt, wobei aufgrund des Abstandes der Lagerebene zum Rotorschwerpunkt ein der Kippbewegung entgegengerichtetes
Rückstellmoment wirksam wird. Es ist also mit einem äußerst geringen Aufwand möglich, selbst hochfrequente
Kippschwingungen, insbesondere Nutationsschwingungen,
zu dämpfen. Mit anderen Worten: Die magnetische Lagereinrichtung weist das Dämpfungsverhalten und die Stabilität
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eines vierachsig aktiv geregelten Magnetlagers auf, während der Aufwand nicht wesentlich höher ist als bei
einem zweiachsig aktiv geregelten Magnetlager. Es werden bevorzugt in den für die beiden radialen Richtungen
vorhandenen Regeleinrichtungen zusätzlich frequenzabhängige
Netzwerke vorgesehen, um für die jeweiligen kritischen Drehzahlen eine wirksame Dämpfung zu ermöglichen.
Die Zahl der Sensoren, Leistungsstufen und Steuerspulen entspricht hingegen einer zweiachsig aktiv geregelten
Lagereinrichtung. Da bei den relativ hohen Nutationsfrequenzen bereits kleine Rückstellkräfte zu einer wirksamen
Schwingungsdämpfung führen, muß der genannte Abstand grundsätzlich nicht besonders groß sein, so daß auch der
Rotor in bekannter Weise ausgebildet werden kann. Darüber hinaus ist es sehr vorteilhaft, die Sensoren in einem
noch größeren Abstand zum Schwerpunkt anzuordnen, so daß die durch Kippbewegungen hervorgerufenen Signale relativ
groß sind und mit einer entsprechend geringen Verstärkung des Reglers gearbeitet werden kann. Aus Gründen der Stabilität
werden die Magnetlager und die Sensoren in Bezug zum Schwerpunkt des Rotors auf der gleichen Seite der
Drehachse angeordnet. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
In der Zeichnung ist im Längsschnitt eine magnetische Lagereinrichtung dargestellt, welche ein Statorteil 1 und
einen um eine Drehachse 2 drehbaren Rotor 3 enthält. Das Statorteil 1 enthält in zwei zu einer Drehachse 2 orthogonalen
Radialebenen jeweils ein Polblech, bestehend aus einem Ring 4, 5 mit radial gerichteten Ansätzen 6, 7 sowie
aus in radialer Richtung außen liegenden Polschuhen 8, 9. Die Ringe 4, 5 enthalten jeweils vier derartige Ansätze
6, 7, welche in Umfangsrichtung um 90° gegeneinan-
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der versetzt angeordnet sind.'Jedem der Ansätze 6 bzw. 7 ist ein sektorförmiger Polschuh. 8 bzw. 9 zugeordnet,
welcher sich jeweils über einen Winkelbereich von annähernd 90 erstreckt. Auf die Ansätze 6 sind vier Steuerspulen
10 und auf die Ansätze 7 vier Steuerspulen 11 aufgeschoben. Zwischen den Polblechen 8 und 9 befindet
sich jeweils ein mit geringem Aufwand herstellbarer, axial magnetisierter Permanentmagnet 12 sowie ein Stützring
13» welcher eine sichere Abstützung und exakte Ausrichtung
der Polbleche 8, 9 gewährleistet. Das Statorteil 1 ist außen von einem weichmagnetischen Rotorring 15 umgeben,
welcher einen im wesentlichen u-förmigen Querschnitt aufweist. Der Rotorring 15 ist um die Drehachse
drehbar und weist ringförmige Polflächen 16, 17 auf, wobei zu den zugeordneten Polflächen 18, 19 der Polschuhe 8, 9
ringförmige Luftspalte 20, 21 vorhanden sind. Der Rotorring kann in einer alternativen, hier nicht dargestellten
Ausführungsform auch einen insbesondere axial magnetisierten
Permanentmagnetring zwischen weichmagnetischen Ringen mit entsprechenden Polflächen enthalten. Mit dem Rotorring
15 ist vorzugsweise mittels Speichen 22 eine ringförmige Schwungmasse 23 verbunden. Der Schwerpunkt 25 des derart
ausgebildeten Rotors befindet sich - wie aus der Zeichnung ersichtlich - auf der Drehachse 2. Die Polschuhe 8, 9 und
der Rotorring 15 sind symmetrisch zu einer Radialebene 26, welche somit die Lagerebene darstellt, angeordnet. Der
Schwerpunkt 25 weist zur Radialebene bzw. Lagerebene 26 in axialer Richtung einen Abstand a auf. Es sind weiterhin Sensoren
28 vorgesehen, deren Signale der radialen Position des Rotorringes 15 bzw. des Rotors 3 entsprechen und welche
mit Regeleinrichtungen 29 zur Ansteuerung der Steuerspulen 10, 11 verbunden sind. Grundsätzlich können die
Sensoren 28 in der Lagerebene 26 angeordnet sein, doch sie sind bevorzugt in einer Radialebene angeordnet, welche
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zum Schwerpunkt'25 einen Abstand b aufweist. Den Sen- ■
soren 28 ist die Außenfläche des Rotorringes 15 als Referenzfläche zugeordnet. In der Zeichnung sind zwei
Sensoren 28 dargestellt, zur Erfassung der Position oder Bewegung des Rotorringes 15 in der radialen Richtung,
welche in der Zeichenebene liegt. Entsprechend sind derartige Sensoren in der anderen radialen Richtung,
welche senkrecht zur Zeichenebene steht, angeordnet, wobei in Abhängigkeit der Signale dieser Sensoren über
eine weitere Regeleinrichtung die dieser Richtung zugeordneten Steuerspulen 10, 11 ansteuerbar sind.
Nachfolgend wird die Punktionsweise der magnetischen Lagereinrichtung
erläutert. Aufgrund der Permanentmagnete 12 sowie der sektorförmigen Polschuhe 8, 9 bilden sich
in den ringförmigen Luftspalten 20, 21 weitgehend homogene, radial gerichtete Magnetfelder aus, da der magnetische
Fluß der Permanentmagnete 12 über die Polschuhe 8, den Luftspalt 20, den Rotorring 15, den Luftspalt 21 und die
Polschuhe 9 fließt.
Entsprechende Felder können erzeugt werden mit einem einzigen Permanentmagnetring auf dem Stator 1 und bzw. oder
mit einem Permanentmagnetring auf dem Rotorring 15· Gegebenenfalls kann ein derartiges Magnetfeld auch mittels
der Steuerspulen 10, 11 erzeugt werden, welche von konstanten Gleichströmen durchflossen werden. Bei allen Ausführungsvarianten
werden aufgrund der Magnetfelder in den Luftspalten 20, 21 zwischen Stator 1 und Rotorring 15
magnetische Zugkräfte wirksam, welche zunächst eine passive,ungeregelte
Rotorstabilisierung in der radialen und axialen Richtung sowie bei Kippbewegungen des Rotors bewirken.
In den beiden radialen Richtungen besteht in der Ruhelage ein labiles Gleichgewicht. Darüber hinaus wird
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mittels der Steuerspulen 10, .11. eine aktiv geregelte
Rotorstabilisierung bewirkt, wie es nachfolgend für die in der Zeichenebene liegende Radialrichtung erläutert
werden soll. Entsprechendes gilt auch für die andere
zur Zeichenebene senkrechte Richtung. Bewegt sich der Rotor 3 beispielsweise aufgrund von äußeren Kräften
aus der dargestellten Sollposition gemäß der Zeichnung nach rechts, so liefern die diametral gegenüberliegenden
Sensoren 28 Signale, welche der Regeleinrichtung 29 zugeführt werden. Über die dargestellten Steuerspulen
10, 11, zumindest aber über eine dieser Steuerspulen, wird nun ein magnetischer Fluß bzw. ein magnetisches
Feld erzeugt, welches sich in den Luftspalten 20, 21 dem
Permanentmagnetfeld überlagert. Die Ansteuerung der
Steuerspulen erfolgt derart, daß in der Zeichnung auf der rechten Seite eine Verstärkung und auf der linken
Seite eine Schwächung des Permanentmagnetfeldes erfolgt. Somit entsteht eine in radialer Richtung wirkende Kraftkomponente
um den Rotor 3 in die dargestellte Sollposition zurückzubringen. Es wird somit eine aktiv geregelte
Stabilisierung des Rotors 3 in der einen radialen Richtung
und entsprechend auch in der anderen radialen Richtung bewirkt.
Aufgrund der konzentrischen Ausbildung der Polflächen 16, 17 sowie 18, 19 ergeben sich bei Bewegungen des Rotors 3
in Richtung der Drehachse 2 magnetische Rückstellkräfte, d.h. der Rotor ist in axialer Richtung passiv stabilisiert.
Es ist nun von entscheidender Bedeutung, daß der Schwerpunkt 25 des Rotors 3 zu der Lagerebene 26 einen Abstand
a bzw. zur Radialebene der Sensoren 28 einen Abstand b aufweist. Es wird hiermit erreicht, daß bei Kippbewegungen
des Rotors 3, welche im wesentlichen um die durch den Schwerpunkt verlaufenden radialen Achsen erfolgen und
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welche insbesondere aufgrund von Nutationsschwingungen
entstehen, mittels der magnetischen Lagereinrichtung entgegengesetzte Rückstellmomente erzeugt werden können.
Erfährt der Rotor 3 beispielsweise eine kleine Kippbewegung in Richtung des Pfeiles 30, so wird sich der Abstand
zwischen Rotorring 15 und dem rechten Sensor 28 verringern bzw. dem linken Sensor 28 in der Zeichnung
vergrößern. Die Kippbewegung führt also zu entsprechenden Signalen in den Sensoren 28. In Abhängigkeit dieser Signale
werden über die Regeleinrichtung 29 die Steuerspulen 10 und 11 angesteuert, so daß der Kippbewegung entgegengerichtete
Rückstellkräfte bzw. aufgrund des Abstandes a Rückstellmomente auf den Rotor 3 ausgeübt werden. Auf
diese Weise können insbesondere hochfrequente Kippbewegungen bzw. Kippschwingungen aufgrund von Nutationen wirksam
gedämpft werden.
Da derartige Kippschwingungen je nach Ausbildung des Rotors bzw. Steifigkeit der Lagereinrichtung in bestimmten
Drehzahlbereichen auftreten, ist es von Vorteil, die in der Regeleinrichtung 29 vorhandenen frequenz abhängigen
Netzwerke derart auszulegen, daß außer der Dämpfung von reinen Radi al schwingungen auch eine Dämpfung der in den
jeweiligen Drehzahlbereichen auftretenden Kippschwingungen erreicht wird. Aus diesem Grunde wird der Phasenvorhalt
der Regeleinrichtung 29 vergrößert oder es werden mehrere Netzwerke mit Phasenvorhalt in Serie geschaltet, so daß
ein weitgehend konstanter Phasenvorhalt über einen breiten Frequenzbereich erzielt wird. Falls eine derartige
breitbandige Regeleinrichtung 29 vermieden werden soll, ist es von Vorteil, in der Regeleinrichtung ein schmalbandiges
Filter mit Phasenvorhalt vorzusehen, um die Nutati ons schwingungen bei der entsprechenden Frequenz wirksam
zu dämpfen. Es wird hierbei von der Erkenntnis ausgegan-
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gen, daß bei einem im wesentlichen scheiben- oder ringförmigen Rotor 3 Störungen, welche mit der Drehfrequenz
umlaufen, beispielsweise aufgrund einer dynamischen Unwucht, Nut at ions s chwingungen nicht anregen.' Hingegen
können Störungen, welche mit einem ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz umlaufen und beispielsweise durch
Unebenheiten der den Sensoren 28 zugeordneten Referenzfläche des Rotors 3 verursacht werden, Nutationsschwingungen
in einem schmalen Frequenzbereich anregen. Derartige Schwingungen können mit einem schmalbandigen Filter
mit Phasenvorhalt wirksam gedämpft werden.
Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Radialebene, in welcher die Sensoren 28 angeordnet sind, zum Schwerpunkt
25 einen Abstand b aufweist, wobei der Abstand b größer ist als der Abstand a der Lagerebene 26. Hierdurch
ist die von den Sensoren 28 erfaßte Radialverschiebung bei Kippbewegungen größer als wenn die Sensoren 28 ebenfalls
in der Lagerebene 26 angeordnet wären. Es sei hervorgehoben, daß sowohl die Sensoren 28, als auch die
Lagerebene 26 aus Gründen der Stabilität auf der gleichen Seite der Drehachse bezogen auf den Schwerpunkt 25 liegen.
Es ist in jedem Falle von Vorteil, mit möglichst großen Sensorsignalen zu arbeiten, damit die Verstärkung der Regeleinrichtung
nicht zu groß gewählt werden muß. Wird nämlich mit einer relativ großen Verstärkung gearbeitet, so
führen Störungen beispielsweise aufgrund von Unebenheiten der Referenzflächen der Sensoren 28 zu vergleichsweise
großen Lagerkräften bzw. zu einem unnötig hohen Leistungsverbrauch. Aus diesem Grunde ist es sehr zweckmäßig, den
Abstand b möglichst groß zu machen und gegebenenfalls die
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Referenzfläche sowie die Sensoren 28 in einem noch, größeren
Abstand als in der Zeichnung dargestellt ist anzuordnen. Daher wird gemäß einer Weiterbildung vorgeschlagen,
zusätzliche Sensoren 32 zur"Erfassung der Kippbewegungen
vorzusehen und zwar derart, daß die relativ großen axialen Bewegungen erfaßt werden.
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Claims (12)
- TELDIX GmbHGrenzhöfer Weg ,36
Postfach 10 56 086900 Heidelberg 1Heidelberg, 25. Oktober 1978 PT-Sch/Ba E-436Magnetische LagereinrichtungPatentansprücheMagnetische Lagereinrichtung,, enthaltend wenigstens zwei aktiv geregelte Lager zur Stabilisierung eines Rotors in den zu einer Drehachse sowie untereinander im wesentlichen senkrechten Richtungen, wobei die Lager im wesentlichen in einer radialen Lagerebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt (25) des Rotors (3) in einem Abstand (a) zur Lagerebene (26) derart angeordnet ist, daß bei Kippbewegungen des Rotors (3) um die zur Drehachse (2) senkrechten Achsen steuerbare Rückstellkräfte bzw. Rückstellmomente, insbesondere zur Schwingungsdämpfung, erzeugbar sind. - 2. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Lagerkräfte sowie die Rückstellkräfte bzw. Rückstellmomente durch An-/ 2 030020/0233E-436 /steuerung derselben Steuerspulen (10, 11) erzeugt werden.
- 3. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der radialen Position des Rotors (3) sowie der Kippbewegungen die selben Sensoren (28) vorgesehen sind.
- 4. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Kippbewegungen wenigstens zwei Sensoren (32) vorgesehen sind, welche jeweils einer Kippachse zugeordnet sind und im wesentlichen auf axiale Bewegungen des Rotors (3) ansprechen.
- 5. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetlager mit den Steuerspulen (1O, 11) und die Sensoren (28) in Bezug zum Schwerpunkt (25) auf der gleichen Seite der Drehachse (2) angeordnet sind.
- 6. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (28) in einer Radialebene angeordnet sind, welche zum Schwerpunkt (25) einen Abstand (b) aufweist und daß der Abstand (b) größer ist als der Abstand (a).
- 7. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) in der Lagerebene (26) einen Rotorring (15) und bezüglich der Lagerebene (26) in axialer Richtung versetzt eine im wesentlichen ringförmige Schwung-030020/0233E-436 /masse (23) aufweist und daß der Rotorring (15) vorzugsweise mittels Speichen (22) mit der Schwungmasse (23) verbunden ist.
- 8. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zur Lagerebene (26) zwei Polbleche (4, 8j 5» 9) angeordnet sind, daß wenigstens zwei Steuerspulen (10, 11) vorgesehen sind, daß die Polbleche ringförmige Polflächen (18, 19) aufweisen und daß den Polblechen ein im wesentlichen u-förmiger Rotorring (15) mit Polflächen (16, 17) derart zugeordnet ist, daß zwischen den Polflächen (16, 18 bzw. 17, 19) ringförmige Luftspalte (20, 21) vorhanden sind.
- 9. Magnetische Lagereinrichtung, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polblech einen Ring (4, 5) mit radial gerichteten Ansätzen (6, 7) sowie mit den Ansätzen verbundene, im wesentlichen sektorförmige Polschuhe (8, 9) aufweist, daß die Steuerspulen (10, 11) auf die Ansätze (6, 7) aufgeschoben sind und daß zwischen den Polschuhen (8, 9) ein Stützring (13) angeordnet ist.
- 10. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polblechen (4# 81 5, 9) ein axial magnetisierter Permanentmagnetring oder vorzugsweise vier axial magnetisierte, quaderförmige Permanentmagnete (12) vorgesehen sind und/oder daß der Rotorring (15) einen axial magnetisierten Permanentmagnetring aufweist.
- 11. Magnetische Lagereinrichtung nach einem der vorher-/ 4 030020/0233E-436gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (28) mit einer Regeleinrichtung (29) zur Ansteuerung der Steuerspulen (10, 11) verbunden sind, wobei in der Regeleinrichtung (29) enthaltene, frequenzabhängige Netzwerke derart ausgelegt sind, daß außer der Dämpfung von reinen Radialschwingungen eine Dämpfung von Nutationsschwingungen erreicht wird.
- 12. Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (29) über einen breiten Frequenzbereich einen weitgehend gleichmäßigen Phasenvorhalt aufweist.13· Magnetische Lagereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung wenigstens ein schmalbandiges Filter mit Phasenvorhalt enthält, wobei der Frequenzbereich des Filters der Frequenz von Nutationsschwingungen entspricht.030020/0233
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