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Die Erfindung bezieht sich gemäß dem Oberbegriff des
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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 Richtung, d.h. in den beiden Radialrichtungen, sind
bei der bekannten Lagereinrichtung wenigstens zwei aktiv regelbare Magnetlager mit
Steuerspulen vorgesehen.
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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 zweiachsig aktive Lagereinrichtung bezeichnet.
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Axiale Bewegungen des Rotors sowie Kippbewegungen des Rotors un die
radialen Achsen werden hingeger passiv stabilisiert, d.h. es wirken ungesteuerte
Rückstellkräfte bzw.
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Rückstellmomente, welche den ausgelenkten Rotor wie Federkräfte wieder
in die durch die Geometrie der Polbleche und des Polringes vorgegebene Sollposition
zurückbringen.
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Aufgrund der Rotormasse ist somit ein schwingungsfähiges System vorhanden,
welches nahezu keine Dämpfung aufweist.
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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 hierdurch bedingten kritischen Drehzahlen
meistens schnell genug durchfahren werden können. Mit zunehmender
Drehzahl
bereiten aber besonders die aufklingenden Nutationsschwingungen große Schwierigkeiten,
welche zusätzliche Maßnahmen erfordern, um kritische Drehzahlen durchfahren bzw.
die Drehzahl weiter steigern zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem geringen Aufwand
eine zweiachsig-aktive magnetische Lagereinrichtung derart auszubilden, daß der
Rotor bis zu hohen Drehzahlen stabilisierbar ist und daß eine wirksame Dämpfung
von Schwingungen gewährleistet wird.
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Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen
Merkmale gelöst.
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Mit der Erfindung wird in einfacher Weise vor allem eine aktive Dämpfung
von Schwingungen eines Rotors erreicht, ohne daß hierfür zusätzliche Steuermittel
oder Regeleinrichtungen erforderlich sind. Aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung
der Kraftangriffsebene werden auf den Rotor mittels der Lagereinrichtung nicht nur
radiale bzw. axiale Kräfte ausgeübt, sondern es werden auch den Kippbewegungen entgegengesetzte
Rückstellkräfte bzw. Rückstellmomente auf den Rotor wirksam. Bei einer Kippung des
Rotors um eine radiale Achse entsteht 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 de Rotor ausgeübt, wobei aufgrund des angegebenen Abstandes 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 eines
vierachsig aktiv geregelten Magnetlagers
auf, während der Aufwand nicht wesentlich höher ist als bei einem zweiachsig aktiv
geregelten Magnetlager.
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Bei der Erfindung sind im Gegensatz zum Stand der Technik zur Erzeugung
der Rückstellmomente nur auf einer Seite bezüglich der Rotorsymmetrieebene bzw.
Schwerpunktsebene liegende Steuerspulen (also entweder die oberen oder unteren)
der beiden aktiv geregelten Lager vorhanden.
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Es werden daher nur noch die Hälfte der Steuerspulen im Vergleich
zu der bekannten zweiachsig aktiv geregelten Lagereinrichtung benötigt. 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. 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 vorteilhaf-t,
die Sensoren in einem noch größeren Abstand zur genannten Ebene anzujordnen, 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 Magnet lager und die Sensoren in Bezug zum Schwerpunkt
des Rotors bzw. zur genannten Ebene auf der gleichen Seite angeordnet. Weitere Vorteile
ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 - einen Längsschnitt durch eine magnetische Lagereinrichtung,
Fig.
2 - eine Aufsicht auf eine Lagereinrichtung ähnlich der gemäß Fig. t, in Richtung
der Drehachse, Fig. 3 - eine vereinfachte Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform
in Perspektive bzw. im Längsschnitt.
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Gemäß Fig. 1 weist die magnetische Lagereinrichtung ein Statorteil
1 und einen um eine Drehachse 2 drehbaren Rotor 3 auf. Das Statorteil 1 enthält
in zwei zur Drehachse 2 orthogonalen Radialebenen jeweils vier Polbleche 6 und 9,
wobei jeweils zwei benachbart liegende Polbleche einer Ebene 6 bzw. 9, welche sich
in Umfangsrichtung jeweils über annähernd 900 erstrecken, jeweils um 900 gegeneinander
versetzt angeordnet sind. Auf die Ansätze 5 der Polbleche 6 sind vier Storuerspulen
10 aufgeschoben. Die Ansätze 5 enden an magnetischen Rückschlußringen 4, an welchen
sich ein nicht magnetischer Distanzring 14 anschließt.
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Die Polbleche 7 sind, da keine Spulen auf sie aufgeschoben werden
müssen, in etwas ande-cer Weise ausgebildet. Zwischen den Polblechen 6 und 9 befindet
sich jeweils ein mit geringem Aufwand herstellbarer, quaderförmiger, axial magnetisierter
Permanentmagnet 12 sowie ein Stützring 13, welcher eine sichere Abstützung und exakte
Ausrichtung der Polbleche 6, 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 2 drehbar und weist
ringförmige Polflächen 16, 17 auf, wobei zu den zugeordneten Polflächen 18, 19 der
Polbleche 6, 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 Polbleche 6, 9 und der Rotorring 15 sind symmetrisch
zu einer Radialebene, welche somit die Symmetrieebene 26 darstellt, angeordnet.
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Durch die Polflächen 18 der Polbleche 6 und die Polflächen 16 des
Rotorringes 15 ist die Kraftangriffsebene 27 definiert, in welcher die Ansteuerung
der Steuerspulen 10 Magnetkräfte wirksam werden. Die Kraftangriffsebene 27 weist
zur Symmetriebene 26 einen Abstand a auf. Der Abstand a entspricht somit dem Hebelarm,
über welchen bei Ansteuerung einer der Steuerspulen 10 ein Rückstellmoment auf den
Rotor 3 wirksam wird. Es sind weiterhin Sensoren 28 in der gleichen Ebene 27 vorgesehen,
die Signale bei radialen Verschiebungen des Rotorringes 15 bzw. des Rotors 3 aber
auch bei Kippbewegungen erzeugen und welche mit der Regeleinrichtung 29 zur Ansteuerung
der Steuerspulen 10 verbunden sind. Den Sensoren 28 ist die Außenfläche des Rotorringes
15 als Referenzfläche zugeoronet.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 einen weiteren Regelkreis die dieser
Richtung zugeordneten Steuerspulen 10 ansteuerbar sind.
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In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf das Statorteil 1 einer Ausführungsform
dargestellt, welche grundsätzlich mit der gemäß Fig. 1 übereinstimmt. Hierbei sind
die vier sektorförmigen Polbleche 6 gut erkennbar, welche in Umfangsrichtung
jeweils
um 900 versetzt angeordnet sind. Der Stützring 13 weist vier in Richtung der senkrecht
zur Zeichenebene verlaufenden Drehachse 2 angeordnete Bohrungen 31 auf. Mittels
hier nicht dargestellter Bolzen oder Schrauben, welche durch die genannten Bohrungen
31 gesteckt werden, kann die magnetische Lagereinrichtung an geeigneten Bauteilen,
beispielsweise einer Grundplatte, befestigt werden.
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Die vereinfachte Prinzipdarstellung gemäß Fig. 3 zeigt eine weitere
Ausführungsform, bei welcher die Permanentmagnete 12 radial innen in der Nähe der
Drehachse 2 angeordnet sind, während die Steuerspulen 10 radial außen angeordnet
sind. Aus Redundanzgründen sind hier in der anderen Polblechebene weitere Spulen
11 vorgesehen. Wird nun beispielsweise die in der Mitte der Zeichnung dargestellte
Steuerspule 10 angesteuert undvon einem elektrischen Strom durchflossen, so ergibt
sich ein magnetischer Fluß entsprechend den strichpunktierten Linien 32 und 33.
Da die Kraftangriffsebene 27 zur Symmetrieebene 26 einen Abstand a aufweist, wird
somit auf den Rotorring 15 ein entsprechenaes Drehmoment wirksam.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der magnetischen Lagereinrichtung
erläutert. Aufgrund der Permanentmagnete 12 sowie der sektorförmigen Polbleche 6,
9 bilden sich in den ringförmigen Luftspalten 20, 21 weitgehend homogene, radial
gerichtete Magnetfelder aus, da der magnetische Fluß der Permanentmagnete 12 über
die Polbleche 6, den Luftspalt 20, den Rotorring 15, den Luftspalt 21 und die Polbleche
9 fließt. Entsprechende Felder können erzeugt werden mit einen einzigen Permanentmagnetring
auf dem Stator 1 und bzw. oder mit einem Permanentmagnetring auf dem Rotorring 15.
Bei allen Ausführungsvarianten werden aufgrund der Magnet felder in den Luftspalten
20, 21 zwischen Stator 1 und Rotorring 1
magnetische Zugkräfte
wirksam, welche zunächst eine passive, ungeregelte Rotorstabilisierung in der axialen
Richtung sowie bei Kippbewegungen des Rotors bewirken, dabei jedoch radial destabilisierend
wirken. In den beiden radialen Richtungen besteht in der Ruhelage ein labiles Gleichgewicht.
Darüber hinaus wird mittels der Steuerspulen 10 eine aktiv geregelte Rotorstabilisierung
bewirkt, wie es nachfolgend für die gemäß Fig. 1 in der Zeichenebene liegende Radialrichtung
erläutert werden soll.
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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. Mittels der dargestellten Steuerspulen 10, 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 10 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 entsprechen auch
in der anderen radialen Richtung bewirkt.
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Aufgrund der konzentrischen Ausbildung der Polflächen 16, 17 sowie
1d, 19 ergeben sich bei Bewegunsen des Rotors 3 in Richtung der Drehachse 2 magnetische
Rückstellkräfte, d.h. der Rotor ist in axialer Richtung passiv stabilisiert.
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Im Hinblick auf die Stabilisierung des Rotors 3 bei Kippbewegungen
bzw. auf die Dämpfung von Kippschwingungen ist es von entscheidender Bedeutung,
daß die Kraftangriffsebene 27 zur Schwerpunkts- bzw. Symmetrieebene einen Abstand
a aufweist. Bei Kippbewegungen des Rotors 3, welche im wesentlichen um die durch
den Schwerpunkt 25 verlaufenden Achsen auftreten und welche insbesondere aufgrund
von dynamischen Unwuchten entstehen, werden mittels der Steuerspulen 10 entgegengesetzte
Drehmomente, wie oben bereits anhand von Fig. 3 erläutert, bzw. Rückstellmomente
erzeugt.
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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 angesteuert; so
daß der Kippbewegung entgegengerichtete Rückstellkräfte bzw.
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aufgrund des Abstandes a Rückstellmomente auf den Rotor 3 ausgeübt
werden. Auf diese Weise können insbesondere hochfrequente Kippbewegungen bzw. Kippschwingungen
aufgrund von Nutationen Nirksam gedämpft werden.
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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 frequenzabhängigen Netzwerke derart auszulegen,
daß außer der Dämpfung von reinen Radialschwingungen auch eine Dämpfung der in den
jeweiligen Drehzahlbercichen auftretenden Kippschwingungen erreicht wird.
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Aus diesem Grunde wird der Phasenvorhalt der Regeleinrichtun 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 Nutationsschwingungen bei der entsprechenden
Frequenz wirksam zu dämpfen. Es wird hierbei von der Erkenntnis ausgegangen, daß
bei einem im wesentlichen scheibenförmigen oder ringförmigen Rotor 3 Störungen,
welche mit der Drehfrequenz umlaufen, beispielsweise aufgrund einer dynamischen
Unwucht, Nutationsschwingungen 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.
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Gemäß Fig. 1 sind die Sensoren 28 bezüglich der Symmetrieebene 2G
ebenfalls im Abstand a angeordnet. Aus Gründen der Stabilität ist es notwendig,
die Sensoren 28 bezüglich der Symmetriecbene 26 auf der gleichen Seite anzuordnen
wie die Kraftangriffsebene 27. Damit die von den Sensoren 28 erfaßten Radialverschiebungen
möglichst große Sensorsignale ergeben, können die Sensoren 28 bevorzugt auch in
einem noch größeren Abstand zur Symmetrieebene 26 angeordnet werden.
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In diesem Falle kann mit einer entsprechend geringeren Verstärkung
der Regeleinrichtung 29 gearbeitet werden. 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 den genannten Gründen werden daher
in einer bevorzugten Weiterbildung zusätzliche Sensoren 32 zur Erfassung der Kippbewegungen
angeordnet. Die Sensoren 32 sind gemäß Fig. 1 derart angeordnet, daß die vergleichsweise
großen
axialen Bewegungen des Rotors 15 bei den genannten Kippbewegungen erfaßt werden.