DE4227015A1 - Magnetic rotor bearing current control arrangement - contains actual geometric position sensors, required position program unit coupled to shaft and sensor, and amplifier for control valves. - Google Patents
Magnetic rotor bearing current control arrangement - contains actual geometric position sensors, required position program unit coupled to shaft and sensor, and amplifier for control valves.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Stellen
des Stromes der Magnetlager für Rotoren mit quer versetzbar
gesteuerter, geometrischer Achse,
wobei Magnetsysteme paarweise, diametral gegenüber der
Wellenachse, auf mindestens zwei sich kreuzenden, radialen
Achsen angeordnet sind, und
die Anordnung zum Stellen des Stromes der MagnetlagerThe invention relates to an arrangement for adjusting the current of the magnetic bearings for rotors with a geometrically displaceable controlled transverse axis.
wherein magnet systems are arranged in pairs, diametrically opposite the shaft axis, on at least two intersecting radial axes, and
the arrangement for adjusting the current of the magnetic bearings
- - Sensoren zum Erfassen der tatsächlichen Position der geometrischen Rotorachse,- Sensors for detecting the actual position of the geometric rotor axis,
- - mindestens einen Geber für den Sollwert der Lage der geometrischen Rotorachse,- At least one encoder for the setpoint of the position of the geometric rotor axis,
- - mindestens eine Verarbeitungseinheit für die Ermittlung von Stellwerten für den Strom der Magnetlager und- at least one processing unit for the determination of control values for the current of the magnetic bearings and
- - Verstärker für die Stellwerte besitzt.- Has amplifier for the manipulated values.
Anordnungen der genannten Art sind u. a. durch die DE 31 20 691 A1 bekannt geworden.Arrangements of the type mentioned are u. a. through DE 31 20 691 A1 known.
Die aktiven Magnetlager sind zur Achse des Rotors paarweise diametral gegenüber auf zwei sich kreuzenden Achsen an geordnet. Am Umfang des Rotors befinden sich im Bereich dieser beiden radialen Achsen Sensoren von Wegmeßsystemen zum Erfassen der tatsächlichen Lage oder der Bahn der geometrischen Rotorachse gegenüber dem Gestell.The active magnetic bearings are in pairs to the axis of the rotor diametrically opposite on two intersecting axes orderly. On the circumference of the rotor are in the area of these two radial axes sensors of position measuring systems to record the actual location or the path of the geometric rotor axis opposite the frame.
Das Signal dieser Wegmeßsysteme wird Regelverstärkern zugeführt, die diesen Meßwert mit vorgegebenen Sollwerten vergleichen und ein Korrekturprogramm als Stellsignal abgeben. Das Korrekturprogramm enthält die neuen Werte für die Spannung bzw. den Strom für die Spulen der zugeordneten aktiven Magnetlager. The signal from these position measuring systems becomes control amplifiers supplied with this measured value with predetermined target values compare and a correction program as a control signal submit. The correction program contains the new values for the voltage or current for the coils of the assigned active magnetic bearing.
Die durch die aktiven Magnetlager erzeugten, resultierenden Kräfte positionieren auf diese Weise die Lage der geometri schen Rotorachse.The resulting ones generated by the active magnetic bearings Forces position the geometri in this way the rotor axis.
Dieser Regelvorgang wiederholt sich innerhalb einer Rot orumdrehung in Abhängigkeit von dessen Masse, dessen Dreh zahl und der Größe des ermittelten Fehlers mehrmals. Im Allgemeinen bewegt sich die geometrische Rotorachse auf einer Bahn, die im Wesentlichen eine Kreisbahn ist. Deren Mittelpunkt entspricht etwa der Schwerachse des Rotors.This control process is repeated within a red or revolution depending on its mass, its rotation number and the size of the determined error several times. In general, the geometric rotor axis moves up a path that is essentially a circular path. Their center corresponds approximately to the axis of gravity of the Rotors.
Bei Rotoren, die mit relativ niedrigen Drehzahlen bewegt werden, ist diese Anordnung durchaus ausreichend. Bei Rotoren, die, auf den Umfang bezogen, unterschiedliche Profile aufweisen und dazu mit sehr hoher Drehzahl ange trieben werden, treten, bedingt durch die Wirkung der Regelzeitkonstante der Regler und bedingt durch die relativ große Masse des Rotors, im Verhältnis zu den aktiven Ma gnetkräften bei der Drehbewegung des Rotors Schwingungen am Lager auf.For rotors that move at relatively low speeds this arrangement is quite sufficient. In the case of rotors that differ in terms of circumference Have profiles and this at very high speed are driven, occur due to the effect of Control time constant of the controller and due to the relative large mass of the rotor, in relation to the active dimensions gnet forces during the rotary movement of the rotor vibrations on Stock on.
Diese Schwingungen, können einerseits die Funktionsfähig keit des Rotors als Werkstück, Werkzeug oder Antriebsele ment und dgl. negativ beeinflussen. Andererseits erhöhen diese Schwingungen den Lärmpegel und die Belastung des Gestells. Große Lager und Gestellabmessungen mit hohen Massen und Kosten sind die zwingende Folge.These vibrations, on the one hand, can make it work rotor as a workpiece, tool or drive element ment and the like. On the other hand, increase these vibrations reduce the noise level and the pollution of the Frame. Large bearings and frame dimensions with high Masses and costs are the mandatory consequence.
An Werkzeugmaschinen ist es üblich, für die Herstellung von Werkstücken - z. B. Motorenkolben -, die nur im geringen Maße von der kreisrunden Form abweichen, als Rotoren rotie rende Werkzeuge oder Werkstücke vorzusehen, die quer zu ihrer Längsachse eine kleine Versatzbewegung ausführen.On machine tools, it is common for the manufacture of Workpieces - e.g. B. engine pistons - which only in small Dimensions deviate from the circular shape, as rotors rotate to provide tools or workpieces that run across perform a small offset movement along its longitudinal axis.
Diese Versatzbewegung, quer zur Rotorachse, wird in der Regel durch einen Linearantrieb mit kleinem Hub gesteuert. Das ist hinsichtlich der Anordnung zusätzlicher Antriebe und hinsichtlich ihrer Steuerung und Synchronisation sehr aufwendig.This offset movement, transverse to the rotor axis, is in the Usually controlled by a linear actuator with a small stroke. That is with the arrangement of additional drives and very much in terms of their control and synchronization complex.
Ziel der Erfindung ist die Reduzierung der Kosten für derartige Antriebssysteme bei Sicherung einer hohen Laufru he auch bei hohen Drehzahlen.The aim of the invention is to reduce the cost of such drive systems while ensuring a high Laufru he even at high speeds.
Die Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, die es erlaubt, die geometrische Achse des Rotors bei der Drehbewegung auf einer unrunden Bahn zu bewegen und diese dabei entweder dem unregelmäßigen Abstand von der jeweili gen Schwerachse und/oder dem Programm für die gesteuerte Versatzbewegung des Rotors entsprechend seiner Arbeitsfunk tion folgen zu lassen.The task is to create an arrangement that it allows the geometric axis of the rotor at the To move rotary motion on a non-circular path and this either the irregular distance from the respective axis and / or the program for the controlled Offset movement of the rotor according to its working radio tion to follow.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 definierten Elemente gelöst. Die Verwendung von Sollwert programmen für mindestens eine Umdrehung und deren Eingabe über einen Sollwertgenerator, deren Abhängigkeit von Signa len eines Drehwinkelsensors gesteuert wird, gibt dem Regler Sollwerte vor, die nahezu ohne Zeitverzug in Stellsignale umgewandelt, verstärkt werden und auf diese Weise die Lage der geometrischen Achse des Rotors der Position anpaßt, die diese Achse einnehmen würde, wenn der Rotor frei um seine augenblickliche Schwerachse rotiert.According to the invention this object is achieved by the in claim 1 defined elements solved. The use of setpoint programs for at least one revolution and their entry via a setpoint generator, whose dependence on Signa len is controlled by a rotation angle sensor gives the controller Setpoints before that with almost no delay in control signals transformed, strengthened and in this way the situation the geometric axis of the rotor of the position that would take up this axis if the rotor was free around its current axis of gravity rotates.
Das bedeutet, daß nicht der Regler mit seinen Stellkräften die Lage des Rotors verändern muß, sondern der Regler lediglich die Lagerkräfte der geometrischen Rotorachse der Lage anpaßt, die der Rotor bei freier Rotation um seine augenblickliche Schwerachse einnehmen würde. Das Magnetla ger verhindert damit lediglich, daß sich die Lage des Rotors beim Auftreten anderer äußerer Kräfte oder Schwin gungen aus seiner Position entfernt.This means that not the controller with its actuating forces the position of the rotor must change, but the controller only the bearing forces of the geometric rotor axis of the Adapts position, which the rotor rotates around its free rotation would occupy the current axis of gravity. The Magnetla ger only prevents the situation of the Rotors when other external forces or vibrations occur removed from its position.
Auch bei sehr hohen Drehzahlen folgt die geometrische Achse des Rotors praktisch trägheitslos dem einmal ermittelten, vorgegebenen Programm.The geometric axis follows even at very high speeds of the rotor practically inertia, once determined, given program.
Das vorgegebene Programm kann - wie bereits festgestellt - sowohl die unterschiedlichen Abstände der geometrischen Achse von der veränderlichen, tatsächlichen Schwerachse bei einem Umlauf des Rotors berücksichtigen.The specified program can - as already stated - both the different distances of the geometric Axis from the variable, actual axis of gravity at take one rotation of the rotor into account.
Sie kann aber auch berücksichtigen, welche Lage der Rotor bspw. ausgebildet als Werkzeug - im Verhältnis zu einem ortsfesten oder langsam rotierenden Werkstück innerhalb einer oder mehrerer Umdrehungen ausführen muß. Falls das Werkzeug bei diesem Arbeitsvorgang erfaßbare, vorzugsweise kontinuierliche Schnittkräfte aufbringen muß, die eine definierte Richtung und Größe haben, kann man auch diese Kräfte in dem Programm berücksichtigen.But it can also take into account the position of the rotor For example, designed as a tool - in relation to one stationary or slowly rotating workpiece inside one or more revolutions. If that Tool detectable in this operation, preferably must apply continuous cutting forces, the one have defined direction and size, you can also use this Consider forces in the program.
Auf Grund dessen, daß die geforderten Lagekorrekturen der geometrischen Rotorachse nur im Bereich von wenigen Milli metern oder Bruchteilen von Millimetern erforderlich sind, reicht die Toleranz zwischen minimalem und maximalem Luft spalt in den aktiven Magnetlagern aus, diese Korrekturen ohne zusätzliche Antriebe auszuführen.Due to the fact that the required position corrections of the geometric rotor axis only in the range of a few milli meters or fractions of a millimeter are required the tolerance between minimum and maximum air is sufficient gaps in the active magnetic bearings, these corrections without additional drives.
Die Vorteile, die durch die Eingabe von Sollwertprogrammen für eine oder mehrere Umdrehungen entstehen, bestenen in einer sehr hohen Laufruhe bei Rotoren mit unterschiedlichem Profil längs ihres Umfanges.The benefits of entering setpoint programs for one or more turns, best in very smooth running for rotors with different Profile along its circumference.
Bei Rotoren, die eine Versatzbewegung für die Ausführung einer bestimmten Funktion vorgesehen sind, kann ein zusätz licher Versatzantrieb eingespart werden.For rotors that have an offset movement for execution a certain function are provided, an additional offset drive can be saved.
Werden die Arbeitsprogramme bezüglich des Versatzes der Rotorachse in Intervallen durchgeführt, die deutlich größer sind als eine Rotorumdrehung, dann ist es zweckmäßig, entweder getrennte Steuerungen mit unterschiedlichen Programmen oder kombinierte Programme für eine einheitliche Steuerung einzusetzen.Are the work programs related to the offset of the Rotor axis performed at intervals that are significantly larger are as one rotor revolution, then it is appropriate either separate controls with different ones Programs or combined programs for a uniform Control.
Unter kombinierten Programmen werden solche Programme verstanden, die ein erstes Programm haben, das einmal die Lagerkräfte auf die Position der geometrischen Achse orien tieren, die sie bei freier Rotation um die Schwerachse einnehmen würde, steuert und andererseits ein zweites Programm besitzt, das aktive Versatzbewegungen des Rotors zum Zwecke der Ausführung von Arbeitsfunktionen auslöst. Beide Programme sind dabei einander überlagert.Such programs are called combined programs understood who have a first program that once the Bearing forces on the position of the geometric axis orien animals that they rotate freely around the axis of gravity would take, controls and on the other hand a second Program that has active rotor offset movements triggers for the purpose of performing work functions. Both programs are superimposed on one another.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail.
In der einzigen Figur ist als Rotor 4 eine Werkzeugspindel vorgesehen. Dieser Rotor 4 wird mittels aktiv steuerbarer, gestellfest angeordneter Magnete 6 gelagert. Die Lage des Rotors 4 wird durch die resultierenden Magnet kräfte der Magnete 6 bestimmt. Die geometrische Achse des Rotors 4 befindet sich stets dort, wo die Summe aller auf den Rotor 4 wirkenden Kräfte gleich Null ist.In the single figure, a tool spindle is provided as rotor 4 . This rotor 4 is supported by means of actively controllable magnets 6 arranged in a fixed frame. The position of the rotor 4 is determined by the resulting magnetic forces of the magnets 6 . The geometric axis of the rotor 4 is always where the sum of all the forces acting on the rotor 4 is zero.
Unter geometrischer Achse des Rotors 4 verstehen wir die geometrische Achse des Lagerzapfens des Rotors 4.The geometric axis of the rotor 4 means the geometric axis of the bearing journal of the rotor 4 .
Als Schwerachse wollen wir hier die Achse bezeichnen, auf der, horizontal gelagert, der Rotor 4 in der jeweiligen Winkellage im Gleichgewicht ist.We shall refer to the axis of gravity here as the axis on which, horizontally mounted, the rotor 4 is in equilibrium in the respective angular position.
Bei einem in Umfangsrichtung des Rotors 4 unterschiedlichen Profil kann diese Schwerachse im Laufe einer Umdrehung unterschiedlich weit von der geometrischen Achse entfernt sein.With a different profile in the circumferential direction of the rotor 4 , this center of gravity can be at different distances from the geometric axis in the course of one revolution.
Die aktiven Magnete 6 befinden sich, paarweise gegeneinan der gerichtet, einmal auf der X-Achse und zum anderen auf der Y-Achse. The active magnets 6 are in pairs directed against each other, once on the X-axis and on the other on the Y-axis.
Parallel dazu sind, vorteilhaft nahe an diesen Magneten 6 Sensoren 5 am Umfang des Rotors 4 im Bereich 41 angeordnet, die die tatsächliche Lage oder Bahn der geometrischen Achse des Rotors 4 erfassen und über die Wegmeßsysteme 1x, 1y den Reglern 2x, 2y in Form proportionaler elektrischer Signale als IST-Wert zuführen.In parallel, 6 sensors 5 are advantageously arranged close to these magnets on the circumference of the rotor 4 in the region 41 , which detect the actual position or path of the geometric axis of the rotor 4 and the controllers 2 x, 2 via the measuring systems 1 x, 1 y y in the form of proportional electrical signals as actual value.
Wiederum parallel zu diesen Sensoren 5 ist auf der Achse des Rotors 4 ein Drehwinkelgeber 42 vorgesehen, der über einen Sollwertgenerator 8 winkelbezogen gespeicherte Soll wertprogramme Wx, Wy aus einem Sollwertprogrammspeicher abruft.Again, parallel to these sensors 5 , a rotation angle transmitter 42 is provided on the axis of the rotor 4 , which calls up reference value programs Wx, Wy stored in a reference value program memory from a reference value generator 8 via a reference value generator.
Diese programmartig wechselnden Sollwerte Wx, Wy werden dem Sollwerteingang des Reglers 2x, 2y zugeführt.These program-changing setpoints Wx, Wy are fed to the setpoint input of the controller 2 x, 2 y.
Das von den Reglern 2x, 2y bereitgestellte Stellsignal wird über einen Verstärker 3x, 3y verstärkt und in differenzier ter Form den beiden Spulen der Magnete 6 einer Achse, einem sogenannten Magnetsystem zugeführt.The control signal provided by the controllers 2 x, 2 y is amplified by an amplifier 3 x, 3 y and supplied in differentiated form to the two coils of the magnets 6 of an axis, a so-called magnet system.
Die aus diesem Stellsignal in der Summe entstehenden resul tierenden Stellkräfte passen sich somit der Lageveränderung der geometrischen Achse des Rotors 4 an, so, daß der Rotor 4 sicher bei seiner Rotation um die augenblickliche Schwe rachse in dieser Lage gehalten ist. Das bedeutet, daß die geometrische Summe der Stellkräfte aller aktiven Magnete 6 in der augenblicklichen Lage der geometrischen Achse des Rotors 4 gleich Null ist.The resulting resul ting actuating forces resulting from this control signal adapt to the change in position of the geometric axis of the rotor 4 , so that the rotor 4 is safely held in its rotation around the instantaneous axis axis in this position. This means that the geometric sum of the actuating forces of all active magnets 6 is zero in the current position of the geometric axis of the rotor 4 .
Unabhängig von der Masse des Rotors 4, der Kräfte der aktiven Magnete 6 und der Größe des Korrekturhubes, arbei tet diese Regelvorrichtung praktisch trägheitslos. Der Rotor 4 rotiert dadurch um seine tatsächliche Schwerachse.Regardless of the mass of the rotor 4 , the forces of the active magnets 6 and the size of the correction stroke, this control device works practically inertia. The rotor 4 thereby rotates about its actual axis of gravity.
Muß der Rotor 4 zur Ausführung einer Arbeitsfunktion eine zusätzliche, kleine Versatzbewegungen quer zu seiner Achse ausführen, wird das Programm dieses Versatzes dem Programm für die Rotation um die tatsächliche Schwerachse überla gert.If the rotor 4 has to carry out an additional, small offset movements transversely to its axis in order to carry out a work function, the program of this offset is superimposed on the program for rotation about the actual axis of gravity.
Auf diese Weise kann die Werkzeugspindel einerseits sehr hochtourig - ohne Übertragung von Schwingungen auf das Gestell - angetrieben werden und kann zusätzlich, entspre chend einem Arbeitsprogramm quer zu ihrer Längsachse inner halb der Luftspalttoleranzen bewegt werden.In this way, the tool spindle can do a lot high-speed - without transmission of vibrations to the Frame - can be driven and can also correspond a work program transverse to its longitudinal axis half of the air gap tolerances are moved.
Das dafür eingegebene Programm kann dabei, soweit definiert erfaßbar, auch die gegebenenfalls auftretenden Schnitt kräfte mit berücksichtigen.The program entered for this can, as far as defined detectable, also the cut that may occur consider forces.
Der Ort und die Art und Weise der Überlagerung der Program me für den Korrekturhub und den Arbeitshub ist praktisch nicht von Bedeutung.The location and manner of overlaying the programs me for the correction stroke and the working stroke is practical not significant.
Beim gegenwärtigen Entwicklungsstand der Rechentechnik und der vorhandenen Software ist es sinnvoll, einem Regler ein kombiniertes Programm vorzugeben.At the current state of development of computing technology and The existing software makes sense to use a controller to specify a combined program.
Daneben ist es aber auch möglich, einen ersten Regler mit einem festen Regelprogramm für den Korrekturhub zu versehen und über einen zweiten Regler das Sollwertprogramm für die Arbeitshübe dem Magnetlager zuzuleiten.In addition, it is also possible to use a first controller to provide a fixed control program for the correction stroke and the setpoint program for the Feed working strokes to the magnetic bearing.
Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used
1x, 1y Wegmeßsystem
2x, 2y Regler
3x, 3y Verstärker
4 Rotor
41 - Bereich für Sensoren
42 - Drehwinkelgeber
5 Sensoren
6 Magnete
8 Sollwertgenerator
x Achse, horizontal
y Achse, vertikal
Wx, Wy Sollwertprogramm 1 x, 1 y position measuring system
2 x, 2 y controller
3 x, 3 y amplifier
4 rotor
41 - Area for sensors
42 - Angle of rotation encoder
5 sensors
6 magnets
8 setpoint generator
x axis, horizontal
y axis, vertical
Wx, Wy setpoint program
Claims (3)
wobei Magnetsysteme paarweise, diametral gegenüber der Wellenachse, auf mindestens zwei sich kreuzenden, radialen Achsen angeordnet sind, und
die Anordnung zum Stellen des Stromes der Magnetlager
- - Sensoren zum Erfassen der tatsächlichen Position der geometrischen Rotorachse,
- - mindestens einen Geber für den Sollwert der Lage der geometrischen Rotorachse,
- - mindestens eine Verarbeitungseinheit für die Ermitt lung von Stellwerten für den Strom der Magnetlager und
- - Verstärker für die Stellwerte besitzt,
dadurch gekennzeichnet, - - daß der Geber für den Sollwert ein Programmspeicher mit einer Folge von drehwinkeibezogenen Einzelsollwer ten (Sollwertprogramm Wx, Wy) ist,
- - daß das Sollwertprogramm (Wx, Wy) die Parameter der Bahnkurve der geometrischen Rotorachse um die Bahn der tatsächlichen Schwerachse des Rotors enthält,
- - daß dem Sollwertspeicher ein Sollwertgenerator (8) zugeordnet ist, der mit einem Drehwinkelsensor (42) an der Rotorwelle (4) gekoppelt ist.
wherein magnet systems are arranged in pairs, diametrically opposite the shaft axis, on at least two intersecting radial axes, and
the arrangement for adjusting the current of the magnetic bearings
- Sensors for detecting the actual position of the geometric rotor axis,
- at least one encoder for the setpoint of the position of the geometric rotor axis,
- - At least one processing unit for determining control values for the current of the magnetic bearings and
- - has amplifiers for the control values,
characterized, - that the encoder for the setpoint is a program memory with a sequence of individual setpoints relating to the angle of rotation (setpoint program Wx, Wy),
- that the setpoint program (Wx, Wy) contains the parameters of the path curve of the geometric rotor axis around the path of the actual center of gravity of the rotor,
- - That the setpoint memory is assigned a setpoint generator ( 8 ) which is coupled to a rotation angle sensor ( 42 ) on the rotor shaft ( 4 ).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4227015A DE4227015A1 (en) | 1992-08-14 | 1992-08-14 | Magnetic rotor bearing current control arrangement - contains actual geometric position sensors, required position program unit coupled to shaft and sensor, and amplifier for control valves. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4227015A DE4227015A1 (en) | 1992-08-14 | 1992-08-14 | Magnetic rotor bearing current control arrangement - contains actual geometric position sensors, required position program unit coupled to shaft and sensor, and amplifier for control valves. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4227015A1 true DE4227015A1 (en) | 1994-02-17 |
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ID=6465607
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DE4227015A Withdrawn DE4227015A1 (en) | 1992-08-14 | 1992-08-14 | Magnetic rotor bearing current control arrangement - contains actual geometric position sensors, required position program unit coupled to shaft and sensor, and amplifier for control valves. |
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