DE2847930A1

DE2847930A1 - Magnetische lagereinrichtung

Info

Publication number: DE2847930A1
Application number: DE19782847930
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Hammer; Rainer Dipl Ing Sindlinger
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1978-11-04
Filing date: 1978-11-04
Publication date: 1980-05-14
Also published as: US4294493A; JPS645161B2; GB2035622B; GB2035622A; JPS5565719A

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

TELDIX GmbH

Grenzhöfer Weg ,36
Postfach 10 56 08

6900 Heidelberg 1

Heidelberg, 25. Oktober 1978 PT-Sch/Ba E-436

Magnetische Lagereinrichtung

Patentansprüche

Magnetische 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-

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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-

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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-

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gehenden 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.

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