DE3875057T2

DE3875057T2 - Apparat zur verhinderung von instabilen schwingungen eines magnetischen lagersystems.

Info

Publication number: DE3875057T2
Application number: DE8888109384T
Authority: DE
Inventors: Hirokuni Hiyama; Chikara Murakami; Atsushi Nakajima; Kazuhide Watanabe
Original assignee: Ebara Corp; National Aerospace Laboratory of Japan; Ebara Research Co Ltd
Current assignee: National Aerospace Exploration Agentcy Chofu Tok; Ebara Corp; Ebara Research Co Ltd
Priority date: 1987-10-28
Filing date: 1988-06-13
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2008-06-14
Also published as: JPH01116318A; EP0313727A1; DE3875057D1; US4885491A; JPH0559282B2; EP0313727B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Magnetlagersystem und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Verhinderung einer instabilen Vibration für ein Magnetlagersystem der aktiven Bauart zum Steuern einer Magnetkraft unter Verwendung einer elektronischen Schaltung.
Ein Magnetlager ist in der Lage, einen Gegenstand mit einer Magnetkraft in einem völlig nicht berührenden Zustand zu suspendieren und besitzt somit eine große Vielzahl von Eigenschaften. Da kein mechanischer Kontakt besteht, besitzen solche Magnetlager die folgenden Vorteile:
(1) Es wird kein Abhieb erzeugt und somit ist deren Lebensdauer sehr hoch, fast ewig;
(2) sowohl Vibrationen als auch der Lärm ist gering und ohne das Auftreten von Abrieb;
(3) Drehwiderstand (ein Verlust, der mit der Drehung zusammenhängt) ist gering und Hochgeschwindigkeitsdrehung kann erreicht werden;
(4) Magnetlager sind verwendbar unter speziellen Umständen, wie zum Beispiel in einem Vakuum, bei relativ hohen und tiefen Temperaturen und in einer radioaktiven Umgebung; und
(5) ein völlig ölfreies System ist praktikabel da , daß keine Schmiermittel benötigt werden.
Zusätzlich besitzt ein Magnetlager der Steuerbauart, das geeignet ist, eine Magnetkraft zu steuern, die folgenden Vorteile:
(1) die Steifheit und Dämpfungscharakteristika des Lagers sind frei einstellbar;
(2) da ein großer Lagerzwischenraum oder- spalt eingestellt werden kann, kann die Position des Rotors (Drehelement) mit exakter Genauigkeit bewegt werden; und (3) ein Versetzungsensor kann in das System eingebaut werden, dessen Anordnung die Überwachung des Systems beim Betrieb ermöglicht.
Bei dem herkömmlichen Magnetlagersystem der aktiven Bauart, bei dem eine elektronische Schaltung zum Steuern der Magnetkraft zum Einstellen der Radialposition des Drehkörpers dient, wird die Instabilität des Drehkörpers merklicher, wenn sich die Drehfrequenz des Drehkörpers erhöht. In dem Bereich geringer Steifheit und Dämpfung bei geringeren Frequenzen wird in manchen Fällen das Wirbeln (instabile Vibration) der konischen Art erzeugt, bei dem die Richtung des Wirbelns entgegengesetzt der Drehrichtung ist. Darüber hinaus wird im Bereich höherer Frequenzen Wirbeln der konischen Art in ähnlicher Weise erzeugt, wobei das Wirbeln in dieselbe Richtung wie die Rotation bewirkt wird, wenn die Dämpfungskräfte infolge interner Dämpfung oder aus anderen Gründe verringert werden. Diese Art des Wirbelns wird später noch näher erklärt. Eine solche instabile Vibration wird auf einem Gehäuse über ein festes Glied, an dem der Stator des Magnetlagers befestigt ist, übertragen, wodurch die Resonanz der Struktur bewirkt wird. Dies hat eine Erhöhung des Steuerstroms des Magnetlagers zur Folge, was wiederum die Erzeugung von Wärme zur Folge hat. Zusätzlich divergiert die instabile Vibration manchmal schlagartig und dadurch wird ein unkontrollierbarer Zustand induziert.
Eine solche instabile Vibration kann verhindert werden durch Erhöhung des Verstärkungsfaktors eines Steuersystems zum Erhöhen der Steifheit des Lagers und Vermehrung der Dämpfung. Um den verstärkungsfaktor zu erhöhen, muß jedoch die Kapazität der Steuerschaltung angehoben werden. Eine solche Erhöhung der Kapazität der Steuerschaltung erhöht das Problem verstärkter Vibration während der Drehung und erregt die Resonanz der Struktur.
Da die oben beschriebene instabile Vibration der selbsterregten Vibration des Rotors entspricht, kann eine solche instabile Vibration verhindert werden, wenn die natürliche Frequenz (Eigenfrequenz) die die instabile Vibration erzeugt in der Entwurfphase auf einen angemessenen Bereich eingestellt wird. Wenn jedoch bezüglich der Struktur des Drehkörpers und ähnlichem eine Mehrzahl von Einschränkungen bestehen, ist es in den meisten Fällen schwierig, die natürliche Frequenz frei einzustellen.
Zusätzlich zu dem oben genannten Stand der Technik sei die GB-A-2 129 582 genannt, die im wesentlichen ein Magnetlagersystem der aktiven Bauart gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschreibt.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben genannten dem Stand der Technik innewohnenden Fehler gemacht und besitzt das Ziel, eine Vorrichtung zum Verhindern einer instabilen Vibration vorzusehen, die in der Lage ist, instabile Vibrationen eines Drehkörpers zu schwächen oder zu verhindern.
Nach dem Durchführen unterschiedlicher Studien haben die Erfinder herausgefunden, daß es zur Verhinderung einer instabilen Vibration (in Drehrichtung gerichtete Nutation oder entgegen der Drehrichtung gerichtete Präzesion) der Rotationsachse notwendig ist, die Art der instabilen Vibration zu entscheiden und an eine Fundamental-Steuerschaltung ein Signal anzulegen, das um 90º in Wirbelrichtung der instabilen Vibration vorgeschoben ist, d. h. ein Signal, dessen Phase um 90º in die Versetzungsrichtung der instabilen Vibration der Rotationsachse vorgeschoben ist.
Mit anderen Worten ist es zur Verhinderung der instabilen Vibration notwendig, die folgenden Schritte durchzuführen:
Voraussetzen von zwei Steuerachsen, die senkrecht zur Drehachse eines Drehkörpers liegen;
Entscheiden einer Wirbelrichtung der Drehachse in einer der Steuerachsen;
Erzeugen eines Signals, das eine solche Wirbelrichtung anzeigt; und
Addieren dieses Signals zu einem Signal, das eine Versetzung der Drehachse anzeigt, die in der anderen Steuerachse detektiert wurde.
Das Signal, das die Wirbelrichtung anzeigt, die in der einen Achse detektiert wurde, wird bezüglich zur anderen Achse als ein Signal angesehen, das um 90º in die Wirbelrichtung vorgeschoben ist d. h. voreilt, oder ein Signal, das um 90º bezüglich der Versetzung, die in der anderen Achse detektiert wurde, vorgeschoben ist. Da das Signal, das um 90º in die Richtung der instabilen Vibrationsversetzung vorgeschoben ist, einem Signal entspricht, das proportional zur Geschwindigkeit ist, kann eine Steuerkraft, die proportional zu diesem Signal ist, als eine Dämpfungskraft dienen. Konsequenterweise wird das Signal, das um 90º vorgeschoben ist, an die Steuerschaltung angelegt und dann zu dem anderen Signal hinzuaddiert. Daraus folgt, daß sich die Dämpfungskraft bezüglich des Wirbelns erhöht. Bei einem Magnetlagersystem der aktiven Bauart gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn bei der Drehung eines Drehkörpers Wirbeln, d.h. instabile Vibration erzeugt wird, zuerst der Neigungswinkel des Wirbelns des Drehkörpers detektiert, und zwar von den Ausgangssignalen der zwei Versetzungssensoren, die an unterschiedlichen Positionen in der Richtung der Drehachse angeordnet sind. Dieser Schritt ermöglicht eine Entscheidung, ob die instabile Vibration in der parallelen Art oder der konischen Art erzeugt wird. Ist die instabile Vibration in der parallelen Art, ist der Neigungswinkel des Wirbelns 0º und ein Ausgangssignal der Detektierschaltung ist auch Null. Ist das Wirbeln in der konischen Art, ist das Ausgangssignal der Detektierschaltung nicht Null. Der nächste Schritt ist zu entscheiden, ob die Wirbelrichtung der instabilen Vibration dieselbe Richtung besitzt, wie die Drehrichtung des Drehkörpers (eine Vorwärtsdrehung) oder ob sie entgegengesetzt der Drehrichtung (eine Rückwärtsdrehung) ist. Dies wird bestimmt durch Hindurchleiten des Ausgangssignals der Detektierschaltung durch einen Tiefpaßfilter und einen Bandpaßfilter. Diese Entscheidung verwendet die Tatsache, daß in dem Ausgangssignal der Detektierschaltung ein Hochfrequenzbandbereich die Frequenz des Wirbelns umfaßt, das in dieselbe Richtung auftritt wie die Drehung des Drehkörpers (die Vorwärtsdrehung) während ein Tieffrequenzbandbereich die Frequenz des Wirbelns umfaßt, das in die entgegengesetzte Richtung (die Rückwärtsdrehung) auftritt. Auf der Basis dieser oben genannten Entscheidungen wird ein Signal erzeugt, das anzeigt, ob die instabile Vibration als ein Wirbeln in der konischen Art der Vorwärtsdrehung definiert wird, oder ob es als Wirbeln in der konischen Art der Rückwärtsdrehung definiert wird.
In der Ebene senkrecht zur Ebene, die die oben genannten Sensoren umfaßt, wird auch eine Entscheidung gemacht, ob die Wirbelrichtung der instabilen Vibration vorwärts oder rückwärts ist und somit wird ein Signal, das die Wirbelrichung anzeigt, erzeugt.
Das Signal, das die Wirbelrichtung bezüglich einer der Ebenen anzeigt, wird zu Signalen hinzuaddiert, die die Vibrationsversetzung der Drehachse in der anderen Ebene anzeigen. Das Signal, das die Wirbelrichtung anzeigt, wird somit als ein Signal angesehen, das um 90º in die Wirbelrichtung vorgeschoben ist, d. h. ein Signal, das bezüglich zur Versetzung der Drehachse um 90º vorgeschoben ist und das zu einem Signal hinzuaddiert wird, das die Versetzung der Drehachse anzeigt, d. h. daß eine Kraft, die um 90º in die Richtung der Versetzung vorgeschoben ist, und die proportional zur Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers ist, hinzuaddiert wird, um die Dämpfungskraft bezüglich des Wirbelns zu erhöhen.
Da die Instabilität sich erhöht oder verringert, wenn sich die Drehfrequenz des Drehkörpers erhöht oder verringert, ist ein Einsteller vorgesehen, um das Signal, das die Wirbelrichtung infolge jeder Erhöhung oder Verringerung der Drehfrequenz des Drehkörpers anzeigt, vermehrt oder reduziert, wodurch optimale Steuerung erreicht werden kann, in Übereinstimmung mit jeder Veränderung der Drehfrequenz.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist somit ein Magnetlagersystem der aktiven Bauart gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gekennzeichnet durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils dieses Anspruchs. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnung verdeutlicht. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Verhinderung einer instabilen Vibration zur Verwendung mit einem Magnetlager der aktiven Bauart gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine erklärende Ansicht, die das Wirbeln zeigt, das bewirkt wird durch instabile Vibration eines Drehkörpers, der durch ein solches Magnetlager der aktiven Bauart suspendiert wird; und
Fig. 3 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Aufbaus einer Steuerschaltung der in Fig. 1 gezeigten Art darstellt.
In der Zeichnung sind die gleichen Elemente und Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen oder Symbolen gekennzeichnet.
Eine Übersichtserklärung der Bauweise eines Magnetlagersystemes gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun in Bezug auf die Fig. 1 und 2 gegeben. Ein Drekhörper im allgemeinen als 1 bezeichnet, wird durch radiale Magnetlager 112 und 113 an zwei Positionen in Richtung der Z- Achse gehalten oder suspendiert, so daß der Drehkörper um die Z-Achse mittels eines Motors (gezeigt durch eine gepunktete Linie) drehbar ist. Die entsprechenden Magnetlager 112 und 113 umfassen eine Kombination aus Permanentmagneten und Elektromagneten. Die Permanentmagneten dienen zum Hindurchfließen eines Vorspannflußes durch magnetische Steuer-Polstücke, um die Beziehung, die zwischen der Suspensionskraft und der Flußdichte linear zu machen. Die Positionssteuerung des Drehkörpers 1 wird bewirkt durch Durchführen einer Addition oder einer Subtraktion zwischen dem Vorspannfluß durch die Permanentmagneten und den Fluß, der durch die Elektromagneten erzeugt wird. Wie in Fig. 2 dargestellt, werden Ebenen, die senkrecht zur Drehachse Z an beiden Enden des Drehkörpers 1 liegen, angenommen; und zwei Paare von Achsen X&sub1; und Y&sub1; und X&sub2; und Y&sub2;, die senkrecht zueinander sind, werden auf diese Ebenen gesetzt. Diese vier Achsen werden als Steuerachsen bezüglich des Drehkörpers 1 angesehen. Insbesondere sind die Versetzungssensoren 2, 3, 13 und 14 auf den Steuerachsen X&sub1;, X2, Y&sub1; bzw. Y&sub2; angeordnet; und die Ausgangssignale der Versetzungssensoren werden an einer Steuerschaltung 118 geliefert. Die Bau- und Arbeitsweise der Steuerschaltung 118 wird später näher beschrieben. Auf den Steuerachsen X&sub1;, X&sub2;, Y&sub1; und Y&sub2; sind Elektromagnete 10, 12, 21 und 23 vorgesehen, um die Position des Drehkörpers 1 zu steuern. Die Steuerschaltung 118 dient zum Verarbeiten der Signale, die von den Versetzungssensoren 2, 3, 13 und 14 übertragen wurden und infolge dieses Verarbeitens werden Signale an die Elektromagneten 10, 12, 21 und 23 zurückgeführt, wodurch die statischen und die dynamischen Stabilitäten des Drehkörpers 1 erhalten werden.
Die Versetzungssensoren besitzen dieselbe Bauweise. Fig. 1 zeigt ein Beispiel der Bauweise des Versetzungssensors 2. Der Versetzungssensor 2 umfaßt ein Paar von in Serie verbundenen Spulen 114 und 114' der nicht-berührenden Art zum Detektieren von Radialpositionen. Ein Ende einer der Spulen 114' ist mit einem Oszillator 116 verbunden. Die Differenz (Unterschied) zwischen den Ausgangssignalen von der Verbindung der Spulen 114 und 114' zeigt die Größe der Versetzung des Drehkörpers und wird durch einen Differentialverstärker 117 verstärkt, der wiederum eine solche Differenz mit einem Signal vergleicht, das die Bezugsaxialposition anzeigt. Die Differenz dazwischen wird an die Steuerschaltung 118 geliefert. Es sei bemerkt, daß die Bezugszeichen 115 und 115' Spulen zum Detektieren der Radialpositionen innerhalb des Versetzungssensors 3, der auf der Steuerachse X&sub2; angeordnet ist, bezeichnen.
Wie oben beschrieben, besitzen die Magnetlager 112, 113 Elektromagnete 10, 12, 21 und 23, die je mit Permanentmagneten kombiniert sind zum Erhalten von Magnetfluß-Vorspannungen von diesen Permanentmagneten. Da die magnetischen Lager 112 und 113 in der Lage sind, die axialen Wiederherstellkräfte des Drehkörpers 1 zu erhalten durch Verwendung der magnetischen Vorspannflüsse wird keine Steuerung in Richtung der Rotationsachse Z an den Rotationskörper 1 angelegt. Es sei bemerkt, daß auch Magnetlager mit Elektromagneten aber ohne Permanentmagnete in diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden können. In einem solchen Fall wird die Magnetkraft, die durch die Elektromagnete erzeugt wird, zum Steuern der Suspensionskraft eingestellt.
Wenn der Drehkörper 1 um die Achse Z durch den Motor gedreht wird, wird Wirbeln durch die instabile Vibration des Drehkörpers 1 in dem Drehkörper 1 erzeugt. Das Wirbeln wird entweder in dieselbe Richtung wie die Drehung des Drehkörpers 1 bewirkt, d. h. in die Vorwärtsrichtung oder in die Richtung entgegengesetzt der Drehrichtung des Drehkörpers 1, d. h. in die Rückwärtsdrehung. Fig. 2 zeigt schematisch die Form, die dieses Wirbeln einnimmt. Beim Drehen des Drehkörpers 1 wird eine Winkelgeschwindigkeit ω in die Richtung, die durch einen Pfeil A angezeigt ist, wirbelt der Drehkörper 1 vorwärts (in die Richtung angezeigt durch Pfeil A), und zwar mit einem Neigungswinkel Θ bezüglich zur Z-Achse bei einer Winkelgeschwindigkeit ωnf oder er wirbelt rückwärts (in die Rückwärtsrichtung bezüglich des Pfeils A mit einer Winkelgeschwindigkeit ωnb.
Gemäß Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm den Aufbau der Steuerschaltung aus Fig. 1, wobei die oben beschriebenen Versetzungssensoren 2 und 3 einen Teil einer ersten Neigungswinkeldetektierschaltung A&sub1; bilden, während die Versetzungssensoren 13 und 14 zusammen einen Teil einer zweiten Neigungswinkeldetektierschaltung A&sub2; bilden. Ausgangsignale dieser Versetzungssensoren 2, 3, 13 und 14 werden an entsprechende Phasenkompensatoren 4, 5, 15 bzw. 16 geliefert. Diese Phasenkompensatoren sind vorgesehen, um die Stabilität des Magnetlagersteuersystems zu verbessern und sie dienen zum Sichern des Phasenspielraums bei Frequenzüberkreuzungspunkten. Andererseits wird ein Differenzsignal A&sub1;, das den Unterschied zwischen den Ausgangssignalen der Versetzungssensoren 2 und 3 anzeigt, von einer Subtraktionsschaltung erhalten und wird dann an eine erste Entscheidungsschaltung B&sub1; angelegt. Ein Differenzsignal A&sub2;, das den Unterschied zwischen den Ausgangssignalen der Versetzungssensoren 13 und 14 anzeigt, wird auch von einer anderen Subtraktionsschaltung erhalten und wird an eine zweite Entscheidungsschaltung B&sub2; geliefert. Die Unterschiedssignale A&sub1; und A&sub2; zeigen je einen Neigungswinkel Θ (Fig. 2) bezüglich zur Z-Achse des Drehkörpers 1 an.
Die ersten und zweiten Entscheidungsschaltungen B&sub1; und B&sub2; sind konstruiert zum Entscheiden, ob der Drehkörper 1 vorwärts oder rückwärts wirbelt. Diese zwei Schaltungen besitzen dieselbe Bauweise und jede umfaßt einen Bandpaßfilter 6 oder 17 einen Tiefpaßfilter 7 oder 18 und einen Phaseninverter 28 oder 29 der mit dem Tiefpaßfilter verbunden ist. Wenn das Differenzsignal A&sub1; oder A&sub2; eine Frequenzkomponente umfaßt, die Vorwärtswirbeln anzeigt, wird ein Signal von dem Bandpaßfilter 6 oder 17 ausgegeben. Umfaßt das Differenzsignal A&sub1; oder A&sub2; eine Frequenzkomponente, die Rückwärtswirbeln anzeigt, wird ein Signal von dem Tiefpaßfilter 7 oder 18 ausgegeben. Das Ausgangssignal der ersten und zweiten Entscheidungsschaltungen B&sub1; und B&sub2; wird an entsprechende Verstärkungseinstellmittel 8 und 19 angelegt. Die Größe dieses Ausgangssignals wird erhöht oder verringert gemäß der Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers 1. Genauerweise wird die Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers 1 durch einen Drehmesser 24 detektiert. Ein F/V-Wandler 25 dient zum Erzeugen eines Spannungssignals entsprechend der so detektierten Drehgeschwindigkeit. Beim Empfangen dieses Spannungssignals gibt ein Drehfrequenzdetektor 26 ein Signal C ab, das der Drehfrequenz des Drehkörpers entspricht und legt dieses dann an jedes der Verstärkungseinstellmittel 8 und 19 an, so daß die Verstärkungseinstellmittel 8 und 19 die Ausgangssignale der Entscheidungsschaltungen B&sub1; und B&sub2; erhöhen oder verringern, wenn sich die Drehfrequenz des Drehkörpers erhöht oder verringert.
Ein Ausgangssignal d&sub1; von den Verstärkungseinstellmitteln 8, das das Ausgangssignal b&sub1; von der Entscheidungsschaltung B&sub1; darstellt, nachdem es gemäß der Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers eingestellt wurde, wird an die Addierer 27 und 30 geliefert. Ein Ausgangssignal d&sub2; der Verstärkungseinstellmittel 19, das das Ausgangssignal b&sub2; der Entscheidungsschaltung B&sub2; darstellt, nachdem es gemäß der Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers eingestellt wurde, wird an die Addierer 31 und 32 geliefert. Der Addierer 27 addiert das Signal d&sub1; zu dem Ausgangssignal des Phasenkompensators 15, der auf der Y&sub1;-Achse angeordnet ist, während der Addierer 30 das Signal d&sub1; zu dem Ausgangssignal des Phasenkompensators 16 , der auf der Y&sub2;- Achse angeordnet ist, hinzuaddiert. Um die Steuerung in der Y-Richtung durchzuführen, werden die Ausgangssignale der Addierer 27 und 30 über Leistungsverstärker 20 und 22 an die Elektromagnete 21 und 23 auf den Achsen Y&sub1; bzw. Y&sub2; angelegt. Der Addierer 31 addiert das Signal d&sub2; zu dem Ausgangssignal des Phasenkompensators 4, der auf der X&sub1;- Achse angeordnet ist und der Addierer 32 addiert das Signal d&sub2; zu dem Ausgangssignal des Phasenkompensators 5, der auf der X&sub2;-Achse angeordnet ist. Hinsichtlich der Bewirkung der Steuerung in X-Richtung werden die Ausgangssignale der Addierer 31 und 32 über Leistungsverstärker 9 und 11 an die Elektromagnete 10 und 12, die auf den X&sub1;-bzw. X&sub2;-Achsen vorgesehen sind, angelegt.
Nun wird die Beschreibung auf die Arbeitsweise der Steuerschaltung 118 beschrieben. Die Beschreibung beginnt mit der Arbeitsweise, die durchgeführt wird, in dem Fall des Steuern des Drehkörpers in Richtung der Y-Achse.
Beim Steuern des Drehkörpers auf der Y-Achse ist der erste Schritt, das Erzeugen des Differenzsignals a&sub1;, das den Unterschied darstellt zwischen den Ausgangssignalen der Versetzungssensoren 2 und 3 auf der X-Achse in der ersten Neigungswinkeldetektierschaltung A&sub1; aus Fig. 3, d. h. das Signal, das einen Neigungswinkel Θ (siehe Fig. 2) der Drehachse des Drehkörpers anzeigt. Wenn die Wirbelart die parallele Art ist, ist der Neigungswinkel Θ = 0º und das Signal a&sub1; ist auch Null. Ist das Signal a&sub1; nicht Null, so ist der Wirbel in der konischen Art. Darauffolgend entscheidet die Entscheidungsschaltung B&sub1; die Frequenzkomponente des Ausgangssignals A&sub1; der Neigungswinkeldetektierschaltung A&sub1; in Zusammenarbeit mit dem Bandpaßfilter 6 und dem Tiefpaßfilter 7. Es wird eine Entscheidung getroffen, ob das Wirbeln in dieselbe Richtung wie die Drehung des Drehkörpers, d.h. die Vorwärtsdrehung bewegt wird oder in die entgegengesetzte Richtung zur Drehung des Drehkörpers, d .h. die Rückwärtsdrehung bewegt wird, und zwar abhängig davon ob das Signal a&sub1; in einem unteren Frequenzbandbereich (ein Bandbereich, der die Frequenz des Signals umfaßt, das Rückwärtswirbeln anzeigt) oder ob das Signal in einem höheren Frequenzbandbereich (einem Bandbereich, der die Frequenz des Signals umfaßt, das Vorwärtswirbeln anzeigt) liegt. Das Ausgangssignal b&sub1; der Entscheidungsschaltung B&sub1; wird auf der Basis der Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers in den Verstärkungseinstellmitteln 8 verarbeitet. Das Ausgangssignal d&sub1;, das von den Verstärkungseinstellmitteln 8 übertragen wird,
d. h. ein Signal, das gemäß der Dreheschwindigkeit eingestellt wurde, wird zu den Signalen von den Phasenkompensatoren 15 und 16, die auf den Y&sub1;- bzw. Y&sub2;-Achsen angeordnet sind, hinzuaddiert mittels der Addierer 27 und 30. Die Ausgangssignale der Addierer 27 und 30 werden verstärkt durch die Leistungsverstärker 20 und 22 auf den Y&sub1;-und Y&sub2;-Achsen und dann werden diese Signale entsprechend an die Elektromagnete 21 und 23 auf den Y&sub1;&submin; und Y&sub2;- Achsen geliefert, um die Y-Achsenrichtungssteuerung durchzuführen. Durch die obige Beschreibung wird deutlich, daß die Signale die an die Elektromagnete 21 und 23 angelegt werden, diejenigen sind, die durch Addieren der Signale, die die Y-Achsen-Richtungsversetzung anzeigen und der Signale, die bezüglich dieser Verschiebung um 90º vorgeschoben sind (voreilen), erhalten werden. Durch die Verwendung dieser Signale ist es möglich, das Wirbeln in Richtung der Y&sub1;- und Y&sub2;-Achsen zu unterdrücken.
Was das Rückwärtswirbeln angeht, so wird das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 7 einer 180º-Phasenumkehrung durch den Phaseninverter 28 ausgesetzt, um ein Signal zu erhalten, das um 90º vorgeschoben ist. Das so umgewandelte Signal wird den Signalen, die von den Phasenkompensatoren 15 und 16 übertragen werden, hinzuaddiert. Der Grund, warum der Phaseninverter 28 benötigt wird ist der, daß die Phasenvorschubrichtung eines Ausgangssignals von der Neigungswinkeldetektierschaltung A&sub1; in dem Fall der Rückwärtsdrehung umgekehrt ist und somit sollte die Phase dieses Ausgangssignals umgekehrt werden.
Im zweiten Fall, wenn Steuern des Drehkörpers bezüglich der X-Achse bewirkt wird, wird der Neigungswinkel Θ der Drehachse des Drehkörpers detektiert durch die zweite Neigungswinkeldetektierschaltung A&sub2;, und zwar aus dem Differenzsignal A&sub2;, das den Unterschied zwischen den Ausgangssignalen der Versetzungssensoren 13 und 14, die auf den Y&sub1;- bzw. Y&sub2;-Achsen angeordnet sind, darstellt. Das Ausgangssignal a&sub2; der Detektierschaltung A&sub2; wird an den Bandpaßfilter 17 und den Tiefpaßfilter 18 der Entscheidungsschaltung B&sub2; geschickt, die wiederum entscheided, ob eine Frequenzkomponente, die in dem Signal A&sub2; enthalten ist, innerhalb eines höheren Frequenzbandbereiches fällt, das die Komponente umfaßt, die das Vorwärtswirbeln anzeigt oder ob sie innerhalb eines unteren Frequenzbandbereiches fällt, das die Komponente umfaßt, die das Rückwärstwirbeln anzeigt. Das Signal, das mit den Rückwärtswirbeln zusammenhängt, wird einer Phasenumwandlung durch den Phaseninverter 29 unterzogen. Das Ausgangssignal b&sub2; der Entscheidungsschaltung B&sub2;, d.h. das Signal, das die Richtung der Drehung anzeigt, wird verstärkungseingestellt entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers, und zwar durch die Verstärkungseinstellmittel 19. Das Ausgangssignal d&sub2; von den Verstärkungseinstellmitteln 19 wird durch die Addierer 31 und 32 zu den Signalen hinzuaddiert, die von den Phasenkompensatoren 4 und 5 auf den X&sub1;- und X&sub2;-Achsen übertragen wird. Die Ausgangssignale der Addierer 31 und 32 werden verstärkt durch die Leistungsverstärker 9 und 11 und werden dann an den Elektromagneten 10 auf der X&sub1;-Achse sowie an den Elekromagneten 12 auf der X&sub2;-Achse angelegt. Die Dämpfungskraft, die benötigt wird zum Durchführen der X-Achsenrichtungssteuerung wird somit erzeugt.
Wie schon oben beschrieben, ist das Magnetlager der aktiven Bauart gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, wirksam instabile Vibrationen zu unterdrücken oder zu verhindern, und zwar durch Detektieren der Wirbelart ohne entweder strukturelle Resonanz bei irgendeiner Vibrationserhöhung während der Drehung zu bewirken, die erzeugt wird, wenn die Kapazität einer Steuerschaltung erhöht wird oder wenn die Steifheit vermehrt wird.

Claims

1. Ein Magnetlagersystem der aktiven Bauart, wobei folgendes vorgesehen ist:

ein Drehkörper (1),

Magnetlager (112, 113) geeignet zur Suspension des Drehkörpers an mindestens zwei Teilen in einem nichtberührenden Zustand zu gestatten, daß sich der Drehkörper um die Drehachse (Z) desselben dreht, und

eine Steuerschaltung (118) zur Lieferung von Signalen für die Steuerung der Radialposition des Drehkörpers, wobei die Steuerschaltung folgendes aufweist:

einen ersten Versetzungssensor (2) angeordnet an einem Ende des Drehkörpers innerhalb einer ersten Ebene, die die Drehachse einschließt zum Abfühlen jedweder Versetzung der Radialposition eines Endes des Drehkörpers zur Erzeugung eines ersten Versetzungssigals entsprechend dieser Versetzung;

ein zweiter Versetzungssensor (3) angeordnet am anderen Ende des Drehkörpers innerhalb der ersten Ebene zum Abfühlen jedweder Versetzung der Radialposition des anderen Endes des Drehkörpers zur Erzeugung eines zweiten Versetzungssignals entsprechend dieser Versetzung;

einen dritten Versetzungssensor (13) angeordnet an einem Ende des Drehkörpers innerhalb einer zweiten Ebene, die die Drehachse vertikal zur ersten Ebene einschließt zum Abfühlen jedweder Versetzung der Radialposition eines Endes des Drehkörpers zur Erzeugung eines dritten Versetzungssignals entsprechend dieser Versetzung;

einen vierten Versetzungssensor (14) angeordnet am anderen Ende des Drehkörpers innerhalb der zweiten Ebene zum Abfühlen jedweder Versetzung der Radialposition des anderen Endes des Drehkörpers zur Erzeugung eines vierten Versetzungssignals entsprechend dieser Versetzung;

eine erste Neigungswinkeldedektierschaltung (A&sub1;) zur Erzeugung eines ersten Winkelsignals, welches einen Neigungswinkel des Drehkörpers innerhalb der ersten Ebene angibt, und zwar durch Erhalt der Differenz zwischen den ersten und zweiten Versetzungssignalen, um so einen Neigungswinkel auf der Basis dieser Differenz zu dedektieren;

eine zweite Neigungswinkeldedektierschaltung (A&sub2;) zur Erzeugung eines zweiten Winkelsignals, welches den Neigungswinkel des Drehkörpers innerhalb der zweiten Ebene angibt, und zwar durch Erhalt der Differenz zwischen den dritten und vierten Versetzungssignalen zum Dedektieren eines Neigungswinkels auf der Basis einer derartigen Differenz, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Steuerschaltung ferner folgendes aufweist:

eine erste Entscheidungsschaltung (B&sub1;) um zu entscheiden, ob oder ob nicht die Wirbelrichtung des Drehkörpers die gleiche ist wie die der Drehung des Drehkörpers auf der Basis des ersten Winkelsignals zur Erzeugung eines ersten Richtungssignals, welches diese Wirbelrichtung anzeigt; eine zweite Entscheidungsschaltung (B&sub2;) zum entscheiden, ob oder ob nicht die Wirbelrichtung des Drehkörpers die gleiche ist wie die der Drehung des Drehkörpers auf der Basis des zweiten Winkelsignals zur Erzeugung eines zweiten Richtungssignals, welches diese Wirbelrichtung anzeigt;

eine erste Addierschaltung (31) (32) zum Addieren des zweiten Richtungssignals und der ersten und zweiten Versetzungssignale; und

eine zweite Addierschaltung (27) (30) zum Addieren des ersten Richtungssignals und der dritten und vierten Versetzungssignale, wodurch das Wirbeln des Drehkörpers innerhalb der ersten Ebene gesteuert wird durch Verwendung einer Ausgangsgröße der ersten Addierschaltung, und Steuerung des Wirbelns des Drehkörpers innerhalb der zweiten Ebene durch Verwendung einer Ausgangsgröße der zweiten Addierschaltung.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Entscheidungsschaltungen (B&sub1;, B&sub2;) jeweils einen Bandpassfilter (6, 17) aufweisen, um ein Signal abzugeben, welches anzeigt, daß die Wirbelrichtung des Drehkörpers die gleiche ist wie die der Drehung des Drehkörpers und wobei ein Tiefpassfilter (7, 18) ein Signal abgibt, welches anzeigt, daß die Wirbelrichtung des Drehkörpers entgegengesetzt ist zu der der Drehung des Drehkörpers.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 2, wobei das Magnetlager (112, 113) ein erstes Lagerglied aufweist zum Aufhängen des Drehkörpers auf einer Seite, und ein zweites Lagerglied zum Aufhängen des Drehkörpers auf der anderen Seite, wobei die ersten und zweiten Lagerglieder jeweils Elektromagnete besitzen zum Steuern der Radialposition des Drehkörpers innerhalb der ersten und zweiten Ebene, wobei ferner eine Ausgangsgröße der ersten Addierschaltung (31) (32) an die Elektromagnete vorgesehen innerhalb der ersten Ebene geliefert wird, und wobei ferner eine Ausgangsgröße der zweiten Addierschaltung (27) (30) an die Elektomagnete vorgesehen innerhalb der zweiten Ebene geliefert wird.

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei ferner Verstärkungseinstellmittel (8, 19) vorgesehen sind zum Einstellen der Größe eines Eingangssignals entsprechend der Drehzahl des Drehkörpers, wobei die Verstärkungseinstellmittel die Größen der Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Entscheidungsschaltungen (B&sub1;, B&sub2;) einstellen.