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Fachgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft rotierende Systeme, die einen in
einem Stator drehend gelagerten, um eine Rotationsmittelachse rotierenden
Rotor umfassen und die die Radiallage des Rotors in dem Stator erkennen
müssen.
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Die
Erkennung der Radiallage des Rotors ermöglicht zum Beispiel, die Abnutzung
der Lager, die den Rotor tragen, zu erkennen, wie in dem Dokument
US 4,199,718 A beschrieben.
In diesem Dokument umfasst der Radiallagegeber drei Sensoren, die
im Stator im Wesentlichen in einem Winkel von 120° zueinander
um den Rotor herum verteilt und in gleichem Abstand von der Rotationsmittelachse
des Rotors angeordnet sind. Jeder Sensor ist eine Spule, die an
ihren Klemmen eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von einem Magnetfeld
erzeugt, das von einer Vielzahl vom Rotor getragener Magnetpole
generiert wird. Die Spulen sind in Reihe geschaltet, um ein periodisches
Spannungssignal zu erzeugen, dessen Verarbeitung die Beurteilung
der Radiallage des Rotors im Stator ermöglicht. Dieser Aufbau erfordert, dass
ein mehrpoliger Rotorabschnitt vorgesehen wird, der das von den
Spulen aufgenommene Magnetfeld erzeugt. Diese für die Überwachung der Abnutzung von
mechanischen Lagern geeignete Vorrichtung wäre nicht für die Steuerung von Magnetlagern
geeignet, in denen die Elektro-Schwebemagnete ein Magnetfeld erzeugen,
das die Funktionsweise der Sensoren stören kann.
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Das
Dokument
CH 251 155 A beschreibt eine
Vorrichtung zur Konzentrizitätsüberwachung
eines Drahtes in seiner Umhüllung.
Ein Magnetkreis mit drei sternförmig
angeordneten radialen Zweigen, die durch einen am Rand verlaufenden
Ring verbunden sind, trägt
drei in einer Sternschaltung mit gemeinsamem Anschlusspunkt verbundene
Wicklungen. Die Wicklungen werden über eine dreiphasige Spannungsquelle
mit Sternpunkt gespeist. Ein Spannungssensor, der zwischen den Sternpunkt
und den Anschlusspunkt geschaltet ist, liefert ein zur Amplitude
der Exzentrizität
des Drahtes proportionales Signal. Die Vorrichtung misst nicht und
ermöglicht
auch nicht die Messung des Momentanwerts der Radiallage einer rotierenden
Welle.
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Für die Steuerung
eines Magnetlagers ist zum Beispiel ein Geber für die Radiallage des Rotors bekannt,
wie er in dem Dokument
US
4,114,960 A beschrieben wird, der mindestens zwei Paare
induktiver Sensoren umfasst. Die Sensoren eines Sensorpaars sind
im Verhältnis
zum Rotor an diametral entgegengesetzten Positionen angeordnet,
und sie sind elektrisch in Reihe geschaltet, damit sie von einer
Sinusspannung gespeist werden können.
Die Ausgangsklemme des Sensors ist mit dem Anschlusspunkt der Sensoren
verbunden und erzeugt ein elektrisches Signal, das die Verschiebung
des Rotors in Richtung des die beiden Sensoren verbindenden Durchmessers
abbildet. Die Erkennung der Radiallage des Rotors in allen Richtungen
um die Rotationsmittelachse erfordert mindestens zwei Sensorpaare,
die zum Beispiel an zwei zueinander senkrecht stehenden Durchmessern
ausgerichtet sind.
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Darstellung
der Erfindung
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Das
durch die Erfindung gestellte Problem besteht darin, eine neue Struktur
für den
Radiallagegeber des Rotors im Stator mit Hilfe einer geringen Anzahl
von Sensoren sowie mit Sensoren zu entwickeln, die eine geringe
Empfindlichkeit gegenüber den
magnetischen Induktionen in der Umgebung aufweisen.
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Die
Idee, welche der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, drei induktive
Sensoren zu verwenden, die in geeigneter Weise angeschlossen und gespeist
werden, um die Anzahl der Sensoren zu verringern, um die für ihren
Anschluss benötigte
Verkabelung zu verringern, um die erforderlichen Verbindungen und
Anschlüsse
zu verringern und um die mechanischen Teile zu begrenzen, die für die mechanische
Befestigung der Sensoren im Stator benötigt werden.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Verarbeitung des
Ausgangssignals zu erleichtern, das die Beurteilung der Radiallage
des Rotors ermöglicht,
und dabei seine spätere
Nutzung zum Beispiel für
die Steuerung der Elektro-Schwebemagnete in den Magnetlagern zu
ermöglichen,
die dafür
sorgen, dass der Rotor zentriert gehalten wird.
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Um
diese ebenso wie weitere Ziele zu erreichen, sieht die Erfindung
ein rotierendes System vor, umfassend einen in einem Stator um eine Rotationsmittelachse
drehend gelagerten Rotor und umfassend einen Radiallagegeber des
Rotors im Stator, umfassend drei Sensoren, die im Stator im Wesentlichen
in einem Winkel von 120° zueinander
um den Rotor und im gleichen Abstand von der Rotationsmittelachse
angeordnet sind; gemäß der Erfindung:
- – sind
die Sensoren induktive Sensoren, die gegenüber einem Rotorabschnitt aus
einem magnetischen Werkstoff angeordnet sind;
- – speist
eine symmetrische Dreiphasen-Sinusspannungsquelle mit Sternpunkt
die zu einer Sternschaltung verkabelten induktiven Sensoren;
- – ermöglichen
Mittel, die Ausgangsspannung zwischen dem Sternpunkt der symmetrischen
Dreiphasenspannungsquelle und dem gemeinsamen Anschlusspunkt der
zu einer Sternschaltung verkabelten induktiven Sensoren zu erfassen
und daraus die Radiallage des Rotors im Stator abzuleiten.
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Die
Erfindung kann in Steuerungssystemen für Magnetlager Anwendung finden.
In diesem Fall umfasst das rotierende System mindestens ein Magnetlager,
dessen Elektro-Schwebemagnete von einem Steuerkreis gespeist werden,
der über
die Ausgangsspannung des entsprechenden Radiallagegebers gesteuert
wird.
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In
dieser Anwendung besteht eine besonders vorteilhafte Lösung darin,
ein Magnetlager zu verwenden, welches drei Elektro-Schwebemagnete umfasst,
die um den Ständer
entlang von drei Achsen verteilt sind, die zueinander im Winkel
von 120° stehen.
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In
diesem Fall können
die induktiven Sensoren vorteilhafterweise in ihrem Winkel versetzt
zwischen den von den Elektro-Schwebemagneten belegten Winkelpositionen
angeordnet sein.
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Aufgrund
der Tatsache, dass die Anzahl der induktiven Sensoren drei beträgt, wird
es im Fall eines Magnetlagers mit drei Elektro-Schwebemagneten möglich, dass
die induktiven Sensoren zwischen den Elektro-Schwebemagneten desselben
Magnetlagers eingefügt
werden, sodass das Gesamtsystem einen geringeren axialen Platzbedarf
aufweist.
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Für einen
Rotor werden vorzugsweise zwei Magnetlager vorgesehen, die in Längsrichtung
zwischen sich einen Zwischenraum aufweisen.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
wird die Ausgangsspannung von Signalverarbeitungsmitteln verarbeitet,
um ein Amplitudensignal und ein Phasensignal bezogen auf die von
der symmetrischen Dreiphasenspannungsquelle gelieferte Spannung
zu erzeugen, wobei das Amplitudensignal ein Signal darstellt, das
die Amplitude der Radialverschiebung der Schwerpunktachse des Rotors
gegenüber
der Rotationsmittelachse abbildet, und wobei das Phasensignal ein
Signal darstellt, das die Winkelposition der Schwerpunktachse des
Rotors um die Rotationsmittelachse bezogen auf die induktiven Sensoren
abbildet. Man erhält
somit ausgehend von nur drei Sensoren zwei Signale, die das Abbild
der Amplitude und der Winkelposition der Radialverschiebung der Schwerpunktachse
des Rotors im Stator darstellen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführung
dieser ersten Ausführungsform
umfassen die Signalverarbeitungsmittel:
- – einen
Amplitudenmesskreis, der mit dem Ausgang des Radiallagegebers verbunden
ist und ein Amplitudensignal erzeugt, das zur Amplitude der Ausgangsspannung
des Radiallagegebers proportional ist;
- – einen
Phasenmesskreis, der mit dem Ausgang des Radiallagegebers verbunden
ist und der ein Phasensignal erzeugt, das zur Phasenverschiebung
zwischen der Ausgangsspannung und einer der drei Sinusspannungen
proportional ist, die die in Sternschaltung angeordneten induktiven
Sensoren speisen;
- – Mittel
zur digitalen Verarbeitung, die das Amplitudensignal und das Phasensignal
empfangen und die die Steuersignale für die Speisung der Elektro-Schwebemagnete erzeugen,
die darauf abzielen, die Schwerpunktachse des Rotors bezogen auf
die Rotationsmittelachse im Stator zentriert zu halten.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform
wird die Ausgangsspannung von Signalverarbeitungsmitteln verarbeitet,
die mindestens zwei Amplitudensignale erzeugen, welche jeweils das
Abbild der Momentanverschiebungskomponenten des Schwerpunkt des
Rotors in zwei unterschiedlichen festen Radialrichtungen des Stators
um die Rotationsmittelachse darstellen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
dieser zweiten Ausführungsform
umfassen die Signalverarbeitungsmittel:
- – einen
ersten Amplitudenmesskreis, von dem ein erster Eingang mit dem Ausgang
des Radiallagegebers verbunden ist und von dem ein zweiter Eingang
mit einer ersten Phase der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle
verbunden ist und der an seinem Ausgang ein erstes Amplitudensignal
erzeugt, das zum Mittelwert der Ausgangsspannung proportional ist,
der während eines
mit dieser ersten Phase der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle
synchronen Abtastwertes berechnet wird;
- – einen
zweiten Amplitudenmesskreis, von dem ein erster Eingang mit dem
Ausgang des Radiallagegebers verbunden ist und von dem ein zweiter
Eingang mit einer anderen Phase der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle,
zum Beispiel mit der dritten Phase, verbunden ist und der an seinem
Ausgang ein zweites Amplitudensignal erzeugt, das zum Mittelwert
der Ausgangsspannung proportional ist, der während eines mit dieser dritten
Phase der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle synchronen Abtastwertes
berechnet wird;
- – Mittel
zur digitalen Verarbeitung, die die beiden Amplitudensignale empfangen
und die die Steuersignale für
die Speisung der Elektro-Schwebemagnete erzeugen, die darauf abzielen,
die Schwerpunktachse des Rotors bezogen auf die Rotationsmittelachse
im Stator zentriert zu halten.
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Die
Erfindung findet eine besonders vorteilhafte Anwendung im Aufbau
eines Rotors und eines Stators einer Vakuumpumpe.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachfolgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsformen
hervorgehen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt, auf
denen:
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1 ein
Längsschnitt
eines rotierenden Systems mit einem Rotor ist, der in einem Stator
von Magnetlagern gehalten wird, wobei das System eine Vakuumpumpe
bildet;
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2 in
schematischer Form die Verteilung der Sensoren um einen Rotor in
einem Radiallagegeber gemäß der Erfindung
darstellt;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines induktiven Sensors ist, der in einem
Radiallagegeber gemäß der Erfindung
verwendet werden kann;
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4 ein
Längsschnitt
des induktiven Sensors von 3 ist;
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5 in
schematischer Form eine elektrische Schaltung zum Aufbau eines Radiallagegebers nach
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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6 die
Wellenform der sinusförmigen Dreiphasen-Speisespannung
der Sensoren darstellt;
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7 die
Eingangs- und Ausgangsspannungen des Amplitudenmesskreises in der
Schaltung von 5 darstellt;
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8 die
Wellenformen der Spannungen am Eingang des Phasenmesskreises in
der Schaltung von 5 darstellt, wobei die zu messende
Phasenverschiebung dargestellt ist;
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9 in
schematischer Form eine elektrische Schaltung zum Aufbau eines Radiallagegebers nach
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung darstellt; und
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10 ein
Zeitdiagramm ist, das die jeweiligen Wellenformen der Signale darstellt,
welche die Lageberechnung in der Schaltung von 9 ermöglichen.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 stellt
eine Anwendung der vorliegenden Erfindung bei der Ausführung einer
Vakuumpumpe dar, die einen Rotor 1 umfasst, der in einem
Stator 2 um eine Rotationsmittelachse I-I drehend gelagert ist.
Der Rotor 1 wird in der zentrierten Lage entlang der Rotationsmittelachse
I-I von Magnetlagern 3 und 4 gehalten, die in
Längsrichtung
zwischen sich einen Zwischenraum aufweisen und von denen jedes Elektro-Schwebemagnete
umfasst, die von einem Steuerkreis gespeist werden, der über die
Ausgangsspannung eines Radiallagegebers 5 beziehungsweise 6 gesteuert
wird.
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Jeder
Radiallagegeber 5 oder 6 hat die Aufgabe, die
Radialverschiebung des Rotors aus der Rotationsmittelachse I-I heraus
zu erkennen, um die Speisung der Elektromagnete des entsprechenden Lagers 3 oder 4 zu
steuern, indem Magnetkräfte
erzeugt werden, welche die Tendenz aufweisen, sich der Radialverschiebung
des Rotors 1 entgegenzustellen und ihn dadurch wieder in
die zentrierte Lage entlang der Rotationsmittelachse I-I zurückzuführen.
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Wie
in 2 dargestellt, umfasst ein Radiallagegeber wie
der Geber 5 gemäß der Erfindung
drei induktive Sensoren 51, 52 und 53,
die im Stator 2 im Wesentlichen im Winkel von 120° zueinander
um den Rotor 1 sowie in gleichem Abstand von der Rotationsmittelachse
I-I angeordnet sind. Die Sensoren 51, 52 und 53 sind
induktive Sensoren, damit sie mit einem Abschnitt 100 (1)
des Rotors 1 aus einem magnetischen Werkstoff zusammenwirken,
dem gegenüber
sie angeordnet sind.
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Jeder
induktive Sensor kann einem bekannten Typ entsprechen, der einen
fest am Stator 2 befestigten Magnetkreis umfasst, zum Beispiel
einen U-förmigen
Magnetkreis aus Ferrit, der eine Spule trägt und mit dem Abschnitt des
Rotors 1 aus einem magnetischen Werkstoff zusammenwirkt,
welcher den Magnetkreis schließt,
wobei er einen geringen radialen Luftspalt e1, e2 oder e3 zwischen
dem vom Stator getragenen U-förmigen
Magnetkreis und dem Abschnitt 100 des Rotors aus einem
magnetischen Werkstoff lässt.
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Die
Schwankungen im Wert des Luftspalts, die durch eventuelle Radialbewegungen
des Rotors 1 entstehen, verändern die magnetischen Eigenschaften
des Magnetkreises, und infolgedessen verändern sie die Eigeninduktivität der um
den U-förmigen
Magnetkreis angebrachten Wicklung.
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Die 3 und 4 stellen
eine mögliche Form
des induktiven Sensors 51 dar, der gemäß der Erfindung verwendet werden
kann: Der induktive Sensor 51 hat eine im Wesentlichen
zylindrische Form, in der man den Magnetkreis erkennt, der von einem
zentralen axialen Magnetkern 510 gebildet wird, dessen
erstes Ende einen ersten Pol 511 bildet und dessen anderes
Ende über
einen Radialflansch 512 mit einem zylindrischen, am Umfang
verlaufenden Magnetanker 513 verbunden ist, dessen freier Rand
den zweiten Pol 514 bildet. Eine ringförmige Induktionsspule 515 ist
in den ringförmigen
Raum zwischen dem zentralen axialen Magnetkern 510 und dem
am Umfang verlaufenden Magnetanker 513 eingefügt. Man
erkennt auch die Ausgangsleiter 516 und 517 der
ringförmigen
Induktionsspule 515, welche den elektrischen Anschluss
ermöglichen.
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Im
Betrieb ist der Abschnitt des Rotors aus dem magnetischen Werkstoff
gegenüber
der Seite angeordnet, die die Pole 511 und 514 des
induktiven Sensors 51 umfasst, und dadurch neigt er dazu,
den Magnetkreis um die ringförmige
Induktionsspule 515 zu schließen.
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Betrachtet
wird 2. Die Impedanz eines induktiven Sensors 51, 52 oder 53 ist
umgekehrt proportional zum jeweiligen Luftspalt e1, e2 oder e3,
der ihn vom Rotor trennt. Wenn der Rotor 1 radial im Stator 2 zentriert
ist, sind die Luftspalte e1, e2 und e3 identisch. Die Impedanzen
der drei induktiven Sensoren 51, 52, 53 sind
dann gleich. In diesem Fall ist das in Sternschaltung angeordnete
System der induktiven Sensoren 51, 52 und 53 im
Gleichgewicht, sodass das Potential des gemeinsamen Anschlusspunkts
(5) der Sensoren gleich dem Potential des Sternpunkts 56 der
symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 ist. Mit
anderen Worten: Die Ausgangsspannung Ve ist null.
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Wenn
es zu einer Verschiebung des Rotors kommt, sind die Luftspalte e1,
e2 und e3, die den Rotor 1 vom Stator 2 trennen,
unterschiedlich. Die Impedanzen der drei induktiven Sensoren 51, 52 und 53 sind
nicht mehr gleich, und das in Sternschaltung angeordnete System
der Sensoren nicht mehr im Gleichgewicht.
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Daraus
entsteht am gemeinsamen Anschlusspunkt 54 der Sensoren
eine Spannung ungleich null, deren Amplitude zur Radialverschiebung proportional
ist und deren Phase zu der in einem Bezugspunkt definierten Winkelverschiebung
proportional ist.
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Nun
wird auf 5 Bezug genommen, die eine erste
Ausführungsform
der elektrischen Schaltung darstellt und auf der die induktiven
Sensoren 51, 52 und 53 sowie in Sternschaltung
angeordnete Stromkabel mit einem gemeinsamen Anschlusspunkt 54,
die von einer symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 mit
Sternpunkt gespeist werden, zu finden sind. Die symmetrische Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 ist
in der Figur durch drei Generatoren dargestellt, deren eine Klemme
mit dem gemeinsamen Sternpunkt 56 verbunden ist und deren andere
Klemme eine jeweilige Spannung V1, V2 und V3 liefert, die über einen
jeweiligen Verstärker 57, 58 oder 59 an
eine entsprechende Klemme eines der jeweiligen induktiven Sensoren 51, 52 oder 53 geschickt
wird.
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Der
gemeinsame Anschlusspunkt 54 der induktiven Sensoren 51, 52 und 53 und
der Sternpunkt 56 der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 bilden
die zwei Ausgangsklemmen des Radiallagegebers 5 gemäß der Erfindung.
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6 stellt
die Wellenform der drei Spannungen V1, V2 und V3 dar, die von der
symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 geliefert
werden.
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Die
zwischen dem gemeinsamen Anschlusspunkt 54 und dem Sternpunkt 56 abgegriffene
Ausgangsspannung Ve wird von Signalverarbeitungsmitteln verarbeitet,
die ihre Amplitude und ihre Phase bezogen auf die von der symmetrischen
Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 gelieferte Spannung bestimmen.
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In
der ersten Ausführungsform,
die in 5 dargestellt ist, umfassen die Signalverarbeitungsmittel
einen Amplitudenmesskreis 7 und einen Phasenmesskreis 8.
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Der
Amplitudenmesskreis 7 ist mit dem Ausgang 54, 56 des
Radiallagegebers 5 verbunden und erzeugt an seinem Ausgang 70 ein
Amplitudensignal Vs, das die Amplitude der Ausgangsspannung Ve des
Radiallagegebers 5 abbildet. 7 stellt
die Wellenform der Ausgangsspannung Ve des Radiallagegebers 5 gemäß der Erfindung
im Fall eines Ungleichgewichts der Impedanz der induktiven Sensoren 51, 52 und 53 dar,
die durch eine Exzentrizität des
Rotors 1 entsteht: Die Ausgangsspannung Ve ist sinusförmig mit
der Frequenz der Spannungen V1, V2 und V3 der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55.
Der Amplitudenmesskreis 7 erzeugt an seiner Ausgangsklemme 70 ein
kontinuierliches Amplitudensignal Vs, das zur Amplitude der sinusförmigen Ausgangsspannung
Ve proportional ist.
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Der
Phasenmesskreis 8 umfasst einen ersten mit dem Ausgang 54, 56 des
Radiallagegebers 5 verbundenen Eingang, und er umfasst
einen zusätzlichen
Eingang 81, der mit einer der Spannungen V1, V2 oder V3
der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 verbunden
ist, zum Beispiel mit der Spannung V1, um einen Phasenbezug herzustellen.
Wie in 8 zu sehen ist, empfängt der Phasenmesskreis 8 somit
die Sinusspannung V1 und die Ausgangsspannung Ve, bei denen es sich
um zwei Sinusspannungen mit derselben Frequenz handelt, die eine
Phasenverschiebung t aufweisen, welche ein Abbild der Winkelverschiebung
um die Rotationsmittelachse I-I zwischen dem ersten induktiven Sensor 51 und
der gemessenen Radialverschiebungsrichtung des Rotors 1 ist.
Der Phasenmesskreis 8 erzeugt an seinem Ausgang 80 ein
Phasensignal Vt, welches die auf diese Weise bestimmte Phasenverschiebung
t abbildet.
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Somit
stellt das Amplitudensignal Vs ein Signal dar, das die Amplitude
der Radialverschiebung der Schwerpunktachse des Rotors 1 gegenüber der Rotationsmittelachse
I-I abbildet. Das Phasensignal Vt an der Ausgangsklemme 80 stellt
ein Signal dar, das die Winkelposition der Schwerpunktachse des Rotors 1 um
die Rotationsmittelachse bezogen auf die induktiven Sensoren 51, 52 und 53 im
Stator abbildet.
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Digitale
Signalverarbeitungsmittel 12 empfangen das Amplitudensignal
Vs und das Phasensignal Vt und erzeugen Steuersignale für die Speisung der
Elektro-Schwebemagnete,
die darauf abzielen, die Schwerpunktachse des Rotors 1 gegenüber der Rotationsmittelachse
I-I im Stator 2 zentriert zu halten.
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Man
versteht, dass zur Erzielung einer guten Genauigkeit bei der Bestimmung
der Radiallage des Rotors 1 im Stator 2 die Frequenz
F der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 sehr viel
höher als
die Rotationsfrequenz des Rotors 1 im Stator 2 sein
muss. Bei eventuellen Schwingungen des Rotors 1 im Stator 2 wird
die Ausgangsspannung Ve einer Amplituden- und Phasenmodulation unterzogen,
und der Amplitudenmesskreis 7 ist in der Lage, den Amplitudenschwankungen
der Ausgangsspannung Ve zu folgen, während der Phasenmesskreis 8 in
der Lage ist, den Phasenschwankungen der Winkelposition des Rotors 1 mit
der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 1 zu folgen.
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Nun
wird auf 9 Bezug genommen, die eine zweite
Ausführungsform
der elektrischen Schaltung gemäß der Erfindung
darstellt.
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In
dieser zweiten Ausführungsform
findet man dieselbe Struktur des Radiallagegebers 5, die bereits
in der vorhergehenden Ausführungsform
beschrieben wurde, und dieselben Elemente sind durch dieselben Bezugsziffern
gekennzeichnet: die drei Spannungen V1, V2, V3 der symmetrischen
Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 mit
einem Sternpunkt 56, die drei induktiven Sensoren 51, 52 und 53 und die
drei Verstärker 57, 58 und 59 sowie
der Ausgang 54 des Radiallagegebers.
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Der
Unterschied besteht darin, dass die Signalverarbeitungsmittel nach
dem Prinzip der synchronen Gleichrichtung arbeiten, die es ermöglicht, eine
bessere Empfindlichkeit bei der Beurteilung der Phasenverschiebung
und der Amplitude der Radialverschiebung des Rotors zu erzielen.
Diese bessere Empfindlichkeit bietet den Vorteil, dass sie eine
größere Präzision darin
ermöglicht,
den Rotor 1 in unmittelbarer Nähe seiner theoretischen zentrierten
Lage entlang der Rotationsmittelachse I-I im Stator zu halten.
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In
dieser Ausführungsform
umfassen die Signalverarbeitungsmittel einen ersten Amplitudenmesskreis 17,
von dem ein erster Eingang mit dem Ausgang 54, 56 des
Radiallagegebers 5 verbunden ist und von dem ein zweiter
Eingang 171 mit einer ersten Phase V1 der symmetrischen
Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 verbunden ist. Der erste
Amplitudenmesskreis 17 erzeugt an seinem Ausgang 170 ein
erstes Amplitudensignal Vs1, das zum Mittelwert der Ausgangsspannung
Ve proportional ist, der während
eines Abtastwertes berechnet wird, der mit dieser ersten Phase V1
der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 synchron
ist.
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Um
diese Funktionsweise zu verstehen, kann man zum Beispiel auf 10 Bezug
nehmen, welche die jeweiligen Wellenformen der drei Phasen V1, V2
und V3 der symmetrischen Dreiphasensinusspannung 55 darstellt
sowie der Ausgangsspannung Ve des Radiallagegebers 5. Die
Wellenformen sind sinusförmig,
und die Ausgangsspannung Ve ist gegenüber den Spannungen V1, V2 und
V3 um eine Phasenverschiebung phasenverschoben, die von der Winkelposition
des Schwerpunkts des Rotors gegenüber dem Stator abhängt. In 10 wurde
die Ausgangsspannung Ve in einem Beispiel dargestellt, das einer
Spitzenspannung von 0,5 Volt und einer Phasenverschiebung von 60° gegenüber der
Spannung V1 entspricht, das heißt
bezogen auf die Position des Sensors 51.
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Das
erste Amplitudensignal Vs1 kann zum Beispiel berechnet werden, indem
der Mittelwert der Spannung Ve während
der positiven Halbperiode der Spannung V1 der ersten Phase berechnet
werden.
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In ähnlicher
Weise umfassen die Signalverarbeitungsmittel einen zweiten Amplitudenmesskreis 18,
von dem ein erster Eingang mit dem Ausgang 54, 56 des
Radiallagegebers 5 verbunden ist und von dem ein zweiter
Eingang 181 mit einer anderen Phase der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 verbunden,
ist, zum Beispiel mit der dritten Phase V3. Der zweite Amplitudenmesskreis 18 erzeugt
an seinem Ausgang 180 ein zweites Amplitudensignal VS2,
das zum Mittelwert der Ausgangsspannung Ve proportional ist, der
während
eines Abtastwertes berechnet wird, der mit dieser dritten Phase
V3 der symmetrischen Dreiphasen-Sinusspannungsquelle 55 synchron
ist.
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Unter
erneuter Betrachtung von 10 kann zum
Beispiel das zweite Amplitudensignal Vs2 durch den Mittelwert der
Spannung Ve berechnet werden, die während der positiven Halbperiode
der Spannung Ve der dritten Phase ermittelt wurde. In dem in der
Figur dargestellten Beispiel hat die Ausgangsspannung Ve eine zur
Spannung V3 entgegengesetzte Phase.
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Somit
stellt das erste Amplitudensignal Vs1 ein Signal dar, das die Momentanverschiebungskomponente
des Schwerpunkts des Rotors 1 in der festen Radialrichtung
des ersten Sensors 51 im Stator 2 abbildet, während das
zweite Amplitudensignal Vs2 das Abbild der Momentanverschiebungskomponente
des Schwerpunkts des Rotors 1 in der festen Radialrichtung
des dritten Sensors 53 im Stator 2 ist.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 9 empfangen digitale Verarbeitungsmittel 120 die
beiden Amplitudensignale Vs1 und Vs2 und erzeugen die Steuersignale
für die
Speisung der Elektro-Schwebemagnete, die darauf abzielen, die Schwerpunktachse des
Rotors 1 bezogen auf die Rotationsmittelachse I-I im Stator 2 zentriert
zu halten.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 1 sieht man, dass das Magnetlager 3 axial
gegenüber
dem Radiallagegeber 5 verschoben ist. In diesem Fall kann
die Winkelposition der induktiven Sensoren, aus denen der Radiallagegeber 5 besteht,
bezogen auf die Winkelposition der Magnete, aus denen das Magnetlager 3 besteht,
neutral sein.
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Vorteilhafterweise
kann jedoch vorgesehen werden, dass das Magnetlager 3 drei
Elektro-Schwebemagnete umfasst und dass die drei induktiven Sensoren,
die den Radiallagegeber 5 bilden, in ihrem Winkel zwischen
den von den Elektro-Schwebemagneten
des Magnetlagers 3 belegten Positionen versetzt sind.
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In
diesem letztgenannten Fall versteht man, dass die drei induktiven
Sensoren vorteilhafterweise zwischen die drei Elektro-Schwebemagnete
eingefügt
werden können,
sodass das Gesamtsystem weniger Platz in der Länge des Rotors einnimmt, wobei der
Radiallagegeber 5 in diesem Fall in das Magnetlager 3 verschachtelt
angeordnet ist.
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In
der in derselben 1 dargestellten Ausführung ist
das rotierende System gemäß der Erfindung
eine Vakuumpumpe, in der man einen axialen Ansaugeingang 9,
Ansaugflügel 10 des
Rotors 1 und einen radialen Förderausgang 11 erkennt.
Der Rotor 1 dreht sich mit großer Geschwindigkeit und wird
von den Magnetlagern 3 und 4 im Stator 2 gehalten.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die ausdrücklich beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern sie schließt
die verschiedenen, dem Fachmann zugängliche Varianten und Verallgemeinerungen
ein, ohne sich von der Formulierung der Ansprüche zu entfernen.