DE2905583C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung für ein elektromagnetisches
Lager, mit einer elektromagnetischen Wicklung,
die ein einen Rotor stützendes Magnetfeld erzeugt, mit einer
auf die Stellung des Rotors im Lager ansprechenden Sensoranordnung
und mit einem Verstärker mit einer Strom-Gegenkopplungsschleife,
der in Abhängigkeit von einem ihm von der
Sensoranordnung zugeführten Signal die Stärke des die elektromagnetische
Wicklung durchfließenden Stromes bestimmt.
Eine solche Regelschaltung ist aus der DE-OS 25 01 218
bekannt. Sie weist eine zusätzliche Einrichtung zur Erhöhung
der Steifigkeit des Lagers während der Anlaufphase des
Rotors auf, die einen Tachometer zum Feststellen der Drehzahl
der Welle, einen Schwellenwertdetektor und Quellen für
Zusatzströme mit Schaltern umfaßt, die den Leistungsverstärkern
für die den einzelnen Lagern zugeordneten elektromagnetischen
Wicklungen zusätzliche Leistung zuführen, bis der
Schwellenwertdetektor, dem das Ausgangssignal des Tachometers
zugeführt wird, das Überschreiten einer vorgegebenen
Drehzahl meldet.
Diese Einrichtung ist kompliziert und erfordert einen erheblichen
Aufwand bei der Regelung elektromagnetischer Lager.
Andererseits ist es aber notwendig, eine Anordnung zur
Verfügung zu haben, die eine solche Steifigkeit des Lagers
gewährleistet, daß auch beim Anfahren des Rotors auftretende
Resonanzen nicht zu übermäßigen Schwingungen des Rotors
führen.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Regelschaltung der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
daß mit einfachen Mitteln die notwendige Lagersteifigkeit
gewährleistet ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Nähe der elektromagnetischen
Wicklung eine Hilfsspule mit verminderter Windungszahl
angeordnet ist, die mit der elektromagnetischen Wicklung
gekoppelt ist und ein Signal liefert, das den Schwankungen
des magnetischen Flusses im Luftspalt des elektromagnetischen
Lagers proportional ist, daß das von der Hilfsspule
gelieferte Signal einem ersten Hilfsintegrationskreis zugeführt
wird, dessen Ausgang mit dem Eingang des Verstärkers
der Regelschaltung verbunden ist, und daß die Strom-Gegenkopplungsschleife
einen zweiten Hilfsintegrationskreis
enthält.
Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß die von
der elektromagnetischen Wicklung auf den Rotor ausgeübte
Kraft nicht allein von der Stärke des die elektromagnetische
Wicklung durchfließenden Stromes abhängig ist, sondern auch
von der Größe des Luftspaltes zwischen Wicklung und Rotorwelle.
Eine konstante Steifigkeit des Lagers liegt dann vor,
wenn die von der Wicklung ausgeübte Kraft unabhängig von der
Größe des Luftspaltes des Lagers ist. Durch die Erfindung
werden die auf die Änderungen der Größe des Luftspaltes
zurückzuführenden Schwankungen des magnetischen Flusses im
Luftspalt erfaßt und mittels der genannten Integrationskreise
in entsprechende Änderungen des die elektromagnetische
Wicklung durchfließenden Stromes umgesetzt, derart, daß die
Steifigkeit des Lagers wenigstens annähernd konstant gehalten
wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
der zweite Hilfsintegrationskreis einen Durchlaßbereich und
eine Verstärkung auf, der bzw. die ebenso groß ist wie der
Durchlaßbereich bzw. die Verstärkung des ersten Hilfsintegrationskreises.
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip, mittels einer
Kompensationsschaltung in die Stärke des Stromes, der die
elektromagnetische Wicklung durchfließt, die das den Rotor
stützende Magnetfeld erzeugt, eine Komponente einzuführen,
die eine solche Funktion der Änderung der Größe des Luftspaltes
des Lagers ist, daß die effektive Steifigkeit des
Lagers im wesentlichen unabhängig von der Frequenz der
Lagestörungen des Rotors ist, wird bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung in der Weise angewandt, daß bei
einer Regelschaltung der eingangs genannten Art zwischen
Sensoranordnung und Verstärker eine Kompensationsschaltung
geschaltet ist, die ein Additionsglied mit zwei Eingängen,
deren erstem unmittelbar das Ausgangssignal der Sensoranordnung
und deren zweitem ein für die mittlere Stellung des
Rotors charakteristisches Signal zugeführt wird, und ein dem
Verstärker vorangehendes Multiplikationsglied umfaßt, welches
das Produkt aus dem von der Sensoranordnung abgeleiteten
Signal und dem Ausgang des Additionsgliedes bildet.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden die von den
Detektoren beobachteten Lageänderungen des Rotors unmittelbar
dazu benutzt, um das an dem Additionsglied anstehende
Signal zu modifizieren, das für die mittlere Stellung des
Rotors charakteristisch ist. Auf diese Weise wird wiederum
ein Signal erzeugt, das für die Schwankungen des magnetischen
Flusses im Luftspalt des elektromagnetischen Lagers
charakteristisch ist, auch wenn es nicht unmittelbar durch
die Beobachtung des magnetischen Flusses gewonnen worden
ist. Dieses Signal wird über das Multiplikationsglied einem
Eingang des Verstärkers zugeführt und bewirkt daher wiederum
eine solche Korrektur der Stärke des die elektromagnetische
Wicklung durchfließenden Stromes, daß die Steifigkeit des
Lagers von der Frequenz der Lagestörungen des Rotors im
wesentlichen unabhängig ist.
Es ist ersichtlich, daß auch hier wiederum nur eine sehr
einfache Schaltungsanordnung benötigt wird, um die Erfindungsaufgabe
zu lösen. Insbesondere erlaubt es die Erfindung,
die Stärke des die elektromagnetische Wicklung durchfließenden
Stromes und damit die auf den Rotor durch das von
der Wicklung erzeugte Magnetfeld ausgeübten Kraft weitgehend
konstant zu halten, ohne daß hierzu komplizierte Einrichtungen
notwendig wären. So wäre es zwar beispielsweise durch
Einsetzen einer nach dem Hall-Effekt arbeitenden Sonde in
den Luftspalt der Elektromagneten des magnetischen Lagers
möglich, ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das eine
vollkommene Proportionalität zwischen den Arbeitskräften des
Lagers und der Steuerspannung gewährleistet, welche die
Stärke des die elektromagnetische Wicklung durchfließenden
Stromes bestimmt, jedoch bereitet das Einsetzen einer solchen
Sonde in der Praxis bedeutende Schwierigkeiten und
führt zu einem leicht verletzlichen System. Demgegenüber
erlauben es die nach der Erfindung vorgesehenen Mittel durch
Anwendung von elektrischen Hilfseinrichtungen, die sich
außerhalb des Luftspaltes der Elektromagnete befinden und
mit einer klassischen Strom-Gegenkopplungsschleife zusammenwirken,
Schwankungen in der Starrheit eines magnetischen
Lagers zu vermeiden, die auf Variationen des Luftspaltes in
dem Lager zurückzuführen sind.
Weitere Einzelheiten, Ausgestaltungen und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt
Fig. 1 das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Regelung eines elektromagnetischen Lagers mit
einer Einrichtung zur Verstärkungskompensation
gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm, das die Steifigkeit eines durch
eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1 geregelten,
elektromagnetischen Lagers als Funktion der
Frequenz von Störungen wiedergibt, und
Fig. 3 das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Regelung eines elektromagnetischen Lagers mit
einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Verstärkungskompensation.
Der in Fig. 1 dargestellte Regelkreis enthält die klassischen
Elemente einer Schaltungsanordnung zum Regeln der
Speisung der Erregerwicklungen eines elektromagnetischen
Lagers. Bei dieser Schaltungsanordnung wird eine Steuerspannung
U c von Signalen x d mittels einer Steuereinheit 7
abgeleitet, welche Korrekturkreise, wie beispielsweise
Phasenschiebernetze, umfaßt. Die Signale x d werden in
klassischer Weise von nicht dargestellten Sensoren geliefert,
die auf die Stellung des Rotors ansprechen (siehe z. B. FR-PS 21 49 644).
Die Steuerspannung U c wird über ein Linearisierungsglied
4 einem Verstärker 1 zugeführt, dessen Ausgang an
die Wicklung 3 eines Elektromagneten des magnetischen Lagers
angeschlossen ist. Dem Verstärker 1 ist eine Strom-Gegenkopplungsschleife
2 zugeordnet, die ein Strommeßglied 21,
bei dem es sich beispielsweise um eine Strommeßzange oder
einen Widerstand handeln kann, umfaßt. Das von dem Strommeßglied
21 gelieferte Signal wird dem Eingang des Verstärkers
1 zugeführt.
Die Strom-Gegenkopplungsschleife 2 der bisher beschriebenen
Schaltungsanordnung ist mit allen Fehlern behaftet, die auf
die Größe des Luftspaltes in dem geregelten elektromagnetischen
Lager zurückzuführen sind, denn sie berücksichtigt nur
den Strom, der die Wicklung 3 durchfließt. Eine elektrische
Zusatzeinrichtung in Form einer Schleife 5 bewirkt jedoch in
einem bestimmten Frequenzband eine solche Veränderung der
vom Verstärker 1 bewirkten Verstärkung, daß die Schwankungen
des Luftspaltes des geregelten Lagers berücksichtigt werden.
Die Schleife 5 umfaßt eine kleine Hilfsspule 51, die aus
einigen Windungen besteht, welche die Wicklung 3 in solcher
Weise umgeben, daß sie auf Änderungen des magnetischen
Flusses im Luftspalt des geregelten Lagers ansprechen. Die
Hilfsspule 51 ist mit einem Integrationskreis 52, 53 verbunden,
der aus einem Widerstand 52 und einem Kondensator 53
besteht. Der Integrationskreis 52, 53 ist seinerseits mit
einem Eingang des Verstärkers 1 verbunden, um in den Verstärker
ein Signal zurückzuführen, das dem magnetischen Fuß
im Luftspalt des Lagers proportional ist, also insbesondere
dem tatsächlichen Wert des Luftspaltes des geregelten Lagers
entspricht.
Übrigens ist ein Korrekturglied oder Tiefpaßfilter, das aus
einem Widerstand 22 und einem Kondensator 23 besteht, in die
Strom-Gegenkopplungsschleife 2 eingeschaltet, um den Integrationskreis
52, 53 in der Schleife 5 zu kompensieren. Das
Integrationsglied 52, 53 hat die gleiche Verstärkung und den
gleichen Durchlaßbereich wie das Korrekturglied 22, 23 in
der Strom-Gegenkopplungsschleife 2. Weiterhin sind die
Zeitkonstanten der beiden Kreise 52, 53 und 22, 23 gleich
oder größer als die Zeitkonstante der Hauptregelschleife mit
der Steuereinheit 7 der Schaltungsanordnung. Insbesondere
kann die Zeitkonstante dieser Kreise das 1- bis 5fache der
Zeitkonstanten der Hauptregelschleife betragen.
In Fig. 2 veranschaulicht die Kurve (c) die auf die Ordinate
logarithmisch aufgetragene Steifigkeit des durch die Schaltungsanordnung
nach Fig. 1 geregelten Lagers als Funktion
der auf die Abszisse aufgetragenen Frequenz von Störungen.
Die Kurve (a) in Fig. 2 veranschaulicht die Steifigkeit
eines Lagers, das durch eine Schaltungsanordnung geregelt
wird, die nur eine klassische Strom-Gegenkopplungsschleife 2
aufweist.
Die Kurve (b) in Fig. 2 veranschaulicht die Steifigkeit
eines Lagers, das durch eine Schaltungsanordnung der in Fig.
1 dargestellten Art geregelt wird, wobei jedoch nur die
Rückkopplungsschleife 5 berücksichtigt ist, die auf Schwankungen
des magnetischen Flusses anspricht.
Beim Fehlen einer Korrektur, die dem Wert des Luftspaltes in
dem geregelten Lager Rechnung trägt, hängt die Regelverstärkung
von der Größe des Luftspaltes ab. Demgemäß kann der
Augenblickswert der Arbeitskraft F durch die folgende Formel
wiedergegeben werden:
in der U c die Steuerspannung für den Verstärker 1, ε₀
der Mittelwert des Luftspaltes des Lagers, ε der Augenblickswert
des Luftspaltes des Lagers und K eine Proportionalitätskonstante
bedeuten.
Bei Frequenzen, die unterhalb der Grenzfrequenz fc₁ des
Hauptregelkreises liegen, ist die klassische Strom-Gegenkopplungsschleife
2 ausreichend, um die Regelverstärkung als
Funktion der Frequenz der Störungen annähernd konstant zu
halten [s. Kurve (a) in Fig. 2]. Wenn jedoch die Frequenz
von Störungen die Grenzfrequenz fc₁ überschreitet, nimmt
die Steifigkeit ab, und es wird die Betriebssicherheit des
Systems durch die Größe des Luftspaltes ungünstig beeinflußt.
Die Schleife 5, welche Schwankungen der Größe des Luftspaltes
berücksichtigt, indem sie auf die Ableitung dΦ/dt des
magnetischen Flusses anspricht, wird bei Frequenzen wirksam,
die größer sind als die Grenzfrequenz fc₂ des Integrationskreises
52, 53 [s. Kurve (b) in Fig. 2]. Die Grenzfrequenzen
fc₁ und fc₂ können einander dicht benachbart und
sogar gleich sein. Allgemein ist die Grenzfrequenz fc₂
niedriger als die Grenzfrequenz fc₁. Beispielsweise kann
fc₁ einen Wert von 5 Hz und fc₂ einen Wert von 1 Hz
haben. Wenn in dieser Weise die Strom-Gegenkopplungsschleife
2 und die auf das Magnetfeld ansprechende Schleife 5 der
Schaltungsanordnung nach Fig. 1 beide gleichzeitig wirksam
sind, weist die resultierende Kurve (c) der Steifigkeit des
Lagers als Funktion der Frequenz der Störungen auf ein
Minimum reduzierte Schwankungen auf, insbesondere in dem
Arbeitsbereich, bei relativ hohen, jenseits von fc₁ und
fc₂ liegenden Frequenzen.
Fig. 3 gibt das Schaltbild einer anderen Ausführungsform der
Erfindung wieder. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung
sind die zusätzlichen elektrischen Einrichtungen, die den
Schwankungen des Luftspaltes Rechnung tragen sollen, vor dem
Verstärker 1 angeordnet und bilden keine Rückkopplungsschleife,
sondern sprechen auf Signale an, die von den
Sensoren geliefert werden, welche die Stellung des Rotors
überwachen. In dem Maße, wie diese Detektoren in unmittelbarer
Nähe der geregelten Lager angeordnet sind, sind die
Signale x d , die von den Signalen abgeleitet sind, welche
die auf die Stellung des Rotors ansprechenden Sensoren
liefern, für die Schwankungen in der Rotorstellung charakteristisch
und dem gemäß auch mit guter Genauigkeit für die
Schwankungen des Luftspaltes in dem geregelten Lager. Wie
das Schaltbild nach Fig. 3 zeigt, wird dieses Signal x d
dem ersten Eingang eines Additionsgliedes 61 zugeführt,
während ein Signal, das für den Mittelwert ε o des Luftspaltes
des geregelten Lagers charakteristisch ist, dem
zweiten Eingang des Additionsgliedes 61 zugeführt wird. Das
Ausgangssignal des Additionsgliedes 61, das die
Form ε=ε o +x d hat, wird einem Eingang eines Multiplikationsgliedes
62 zugeführt. Der zweite Eingang des
Multiplikationsgliedes 62 empfängt die Steuerspannung U c ,
die von der klassischen Steuereinheit 7 aus den Signalen
gebildet wird, die von einem oder mehreren Detektoren 8
zugeführt werden. Der Ausgang des Multiplikationsgliedes 62
ist mit dem Eingang eines Linearisierungsgliedes 4 verbunden,
dessen Ausgangssignal der Quadratwurzel des Eingangssignals
proportional ist. Der übrige Teil der Schaltungsanordnung
entspricht der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 unter
Fortlassung der Kompensations-Schleife 5 und der Korrekturglieder
22, 23 in der Strom-Gegenkopplungsschleife 2.
Demgemäß weist die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 eine
zusätzliche elektrische Einrichtung 6 auf, die aus dem
Additionsglied 61 zum Zuführen des Wertes ε o und dem
Multiplikationsglied 62 zur Korrektur der Steuerspannung
U c durch die von der Größe des Augenblickswertes des Luftspaltes abhängige
Signale ε besteht und die es gestattet, die Verstärkung der
Regelschleife in Abhängigkeit von den Schwankungen des
Luftspaltes des geregelten Lagers ständig zu beeinflussen,
da das Steuersignal, das dem Eingang des Verstärkers 1
zugeführt wird, selbständig gegenüber der Steuerspannung
U c korrigiert wird, die in klassischer Weise gewonnen
wird. Die Sensoren zur Überwachung der Lage des Rotors, wie
der in Fig. 3 angedeutete Sensor 8, können insbesondere
elektromagnetische Sensoren sein.
Claims (3)
1. Regelschaltung für ein elektromagnetisches Lager, mit
einer elektromagnetischen Wicklung, die ein einen
Rotor stützendes Magnetfeld erzeugt, mit einer auf die
Stellung des Rotors im Lager ansprechenden Sensoranordnung
und mit einem Verstärker mit einer Strom-Gegenkopplungsschleife,
der in Abhängigkeit von einem
ihm von der Sensoranordnung zugeführten Signal die
Stärke des die elektromagnetische Wicklung durchfließenden
Stromes bestimmt,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der elektromagnetischen
Wicklung (3) eine Hilfsspule (51) mit
verminderter Windungszahl angeordnet ist, die mit der
elektromagnetischen Wicklung gekoppelt ist und ein
Signal liefert, das den Schwankungen des magnetischen
Flusses im Luftspalt des elektromagnetischen Lagers
proportional ist, daß das von der Hilfsspule (51)
gelieferte Signal einem ersten Hilfsintegrationskreis
(52, 53) zugeführt wird, dessen Ausgang mit dem
Eingang des Verstärkers (1) der Regelschaltung verbunden
ist, und daß die Strom-Gegenkopplungsschleife (2)
einen zweiten Hilfsintegrationskreis (22, 23) enthält.
2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Hilfsintegrationskreis (22, 23)
einen Durchlaßbereich und eine Verstärkung aufweist,
der bzw. die ebenso groß ist wie der Durchlaßbereich
bzw. die Verstärkung des ersten Hilfsintegrationskreises
(52, 53).
3. Regelschaltung für ein elektromagnetisches Lager, mit
einer elektromagnetischen Wicklung, die ein einen
Rotor stützendes Magnetfeld erzeugt, mit einer auf die
Stellung des Rotors im Lager ansprechenden Sensoranordnung
und mit einem Verstärker mit einer Strom-Gegenkopplungsschleife,
der in Abhängigkeit von einem
ihm von der Sensoranordnung zugeführten Signal die
Stärke des die elektromagnetische Wicklung durchfließenden
Stromes bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Sensoranordnung (8) und Verstärker (1) eine
Kompensationsschaltung (6) geschaltet ist, die ein
Additionsglied (61) mit zwei Eingängen, deren erstem
unmittelbar das Ausgangssignal (x d ) der Sensoranordnung
(8) und deren zweitem ein für die mittlere Stellung
des Rotors charakteristisches Signal (ε₀)
zugeführt wird, und ein dem Verstärker (1) vorangehendes
Multiplikationsglied (62) umfaßt, welches das
Produkt aus dem von der Sensoranordnung (8) abgeleiteten
Signal (U c ) und dem Ausgangssignal des Additionsgliedes
(61) bildet.
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