DE69305762T2

DE69305762T2 - Elektromagnetisches Lager

Info

Publication number: DE69305762T2
Application number: DE69305762T
Authority: DE
Inventors: Guy Lemarquand; Denis Perrillat-Amede; Didier Pierrejean
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1992-02-05
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2013-02-02
Also published as: US5304876A; DE69305762D1; FR2686952B1; FR2686952A1; EP0559504A1; EP0559504B1; JPH05280543A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Lager. Das französische Patent 2 322 294 beschreibt ein elektromagnetisches Lager mit einem drehenden Element, das mit dem in Drehrichtung zu lagernden beweglichen Organ verbunden ist, und mit einem Statorelement, das acht Magnetkerne mit je einer Wirkspule und je einer Lageerfassungsspule aufweist. Es ist nämlich sehr günstig, wenn die Lagedetektoren dem Lager selbst zugeordnet sind, da auf diese Weise die Messung der Lage des beweglichen Organs in der Wirkebene der von den Wirkspulen des Lagers erzeugten Kräfte erfolgt. Außerdem führt eine solche Anordnung zu einer Verringerung des Raumbedarfs und der Kosten der Einheit für die Lagerung und die Lageerfassung.
In dieser Druckschrift werden jedoch die vier Wirkspulen des Lagers jeder Achse Y und X alle in Reihe und nicht paarweise getrennt gespeist, so daß eine exzentrische Lage des drehenden Organs nicht korrigiert werden kann.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektromagnetisches Lager kombinierter Art vorzuschlagen, das die beiden Funktionen der Lageerfassung und der Lageeinstellung durch Wirkspulen kombiniert, wobei die Lageerfassungsspulen durch den Magnetfluß in den Wirkspulen nicht beeinflußt werden und natürlich die Wirkspulen in jeder Achsrichtung X bzw. Y für jede Halbachse getrennt gespeist werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektromagnetisches Lager, das einen Rotor in einem Stator radial in der Schwebe hält, mit einem Magnetkreis, der einen ersten, rotorischen Bereich, der mit dem Rotor verbunden ist, und einen zweiten, statorischen Bereich aufweist, der mit dem Stator verbunden ist, wobei der statorische Bereich gegenüber dem rotorischen Bereich zahlreiche Magnetkerne enthält, die einerseits elektrische Lageerfassungsspulen, die mit einem elektrischen Erfassungs-Wechselstrom gespeist werden, und andererseits elektrische Schwebewicklungen tragen, die Starkströme empfangen, wobei die Magnetkerne in vier Gruppen aufgeteilt sind, nämlich eine Gruppe 1, eine Gruppe II, eine Gruppe III und eine Gruppe IV, und in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgen, wobei die Gruppen I und III einer radialen Kraftwirkung in Richtung einer Y-Achse und in Gegenrichtung dazu entsprechen und die Gruppen II und IV einer radialen Kraftwirkung entlang einer zur Y-Achse senkrechten X-Achse und in Gegenrichtung dazu entsprechen, wobei jeder Kern jeder Gruppe eine Lageerfassungsspule trägt und diese Spulen der Kerne einer Gruppe in Reihe geschaltet sind, wobei der Wicklungssinn einer Spule auf jedem Kern so gewählt ist, daß in einem beliebigen gegebenen Augenblick der von dem Speisewechselstrom erzeugte Magnetfluß in den beiden ersten Kernen der Gruppe entgegengesetzte Richtung hat, wobei jede Gruppe außerdem elektrische Schwebewicklungen auf den Kernen der Gruppe aufweist, derart, daß in einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt der von dem eingespeisten Schwebestarkstrom erzeugte Magnetfluß die gleiche Richtung und den gleichen Wert in den beiden ersten Kernen der Gruppe besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß sechzehn Magnetkerne vorgesehen sind, und zwar vier aufeinanderfolgende Kerne je Gruppe, daß für jede Gruppe der Wicklungssinn der Spule des dritten Kerns und der Spule des vierten Kerns so gewählt ist, daß in einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt der vom Speisewechselstrom erzeugte Magnetfluß im dritten Kern und im vierten Kern den gleichen Wert und entgegengesetzte Richtung zu den Magnetflüssen in den beiden ersten Kernen (A, B) aufweist, und daß die elektrischen Schwebewicklungen jeder Gruppe getrennt gespeist werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die elektrischen Lageerfassungsspulen der Gruppen I und III in Reihe verbunden und gespeist, ebenso wie die Spulen der Gruppen II und IV.
Gemäß einem anderen Merkmal werden die elektrischen Lageerfassungsspulen mit Wechselstrom einer konstanten Amplitude und einer Frequenz vorzugsweise zwischen 10 und 100 kHz gespeist, und jede Einheit von zwei Gruppen von in Reihe liegenden Spulen ist in eine Meßbrücke eingefügt, die bei einer zentrierten Lage des Rotors im Stator gemäß der betrachteten Achse X oder Y entsprechend den beiden Gruppen von in Reihe liegenden Spulen abgeglichen ist, wobei die Brücke in der einen Diagonale gespeist und in der anderen Diagonale zur Messung der der exzentrischen Lage entsprechenden Brückenspannung verwendet wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform besitzt jede Gruppe von Kernen zwei elektrische Schwebewicklungen, von denen die erste die beiden ersten Kerne der Gruppe und die zweite den dritten und den vierten Kern der Gruppe umgibt und die beiden Wicklungen in Serie verbunden und gespeist werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist jede Gruppe von Kernen mit vier elektrischen Schwebewicklungen versehen, die in Serie verbunden und gespeist werden, wobei eine Wicklung auf jedem Kern der Gruppe sitzt.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt sehr schematisch ein Magnetlager gemäß der Erfindung.
Figur 2 zeigt schematisch einen Teil des Lagers mit einer Variante bezüglich Figur 1.
Figur 3 ist ein elektrisches Schaltbild, das das Meßprinzip für die Lageerfassung zeigt.
Gemäß Figur 1 enthält das Magnetlager einen Magnetkreis mit einem ersten Rotorbereich 1, der natürlich mit dem zu tragenden Rotor fest verbunden ist, und einem zweiten Statorbereich 2, der natürlich mit dem Stator der Maschine verbunden ist.
Der Statorbereich 2 enthält gegenüber dem Rotorbereich 1 sechzehn Magnetkerne A bis P. Diese Magnetkerne tragen einerseits elektrische Spulen zur Lageerfassung und andererseits elektrische Schwebewicklungen, wie nachfolgend im einzelnen erläutert wird. Die sechzehn oben erwähnten Kerne sind in vier Gruppen aufgeteilt, nämlich eine Gruppe 1 mit den Kernen A, B, C und D, die Gruppe II mit den Kernen E, F, G, H, die Gruppe III mit den Kernen 1, J, K, L und die Gruppe IV mit den Kernen M, N, O und P.
Die Gruppen 1 und III entsprechen der Achse Y in der Figur und die Speisung der Schwebewicklungen der Gruppe 1 führt zu einer radialen Anziehungskraft des Rotors in Richtung des Pfeils der Y-Achse, während die Speisung der Gruppe III eine radiale Anziehungskraft des Rotors in entgegengesetzter Richtung zum Pfeil der Y-Achse erzeugt.
In gleicher Weise entsprechen die Gruppen II und IV der X-Achse in der Figur, und die Speisung der Wicklungen der Gruppe II oder IV erzeugt eine Anziehungskraft des Rotors entweder in Richtung des Pfeils der X-Achse (Gruppe II) oder in entgegengesetzter Richtung (Gruppe IV).
Aus Gründen der Klarheit sind in der Figur nur die Lageerfassungsspulen und Schwebewicklungen der Y-Achse dargestellt, aber die prinzipielle Anordnung dieser Spulen und Wicklungen ist für die Gruppen II und IV der X-Achse absolut die gleiche.
Jeder Kern A, B, C und D der Gruppe I besitzt eine elektrische Lageerfassungsspule, nämlich der Kern A eine Spule 3, die im Uhrzeigersinn (gesehen vom Rotor aus in Richtung zum betreffenden Kern) gewickelt ist, der Kern B eine Spule 4, die in trigonometrischer Richtung gewickelt ist, der Kern C eine Spule 5, die im Uhrzeigersinn gewickelt ist, und der Kern D eine Spule 6, die in trigonometrischer Richtung gewickelt ist. Die vier Spulen 3, 4, 5 und 6 sind in Reihe geschaltet und bilden die erste Gruppe 1, die ihrerseits in Reihe mit der Gruppe III geschaltet ist, zu der die Spulen 7, 8, 9 und 10 auf den Kernen I, J, K und L gehören und die ihrerseits auch in Reihe geschaltet sind. Die Spulen 7, 8, 9 und 10 sind mit einem Wickelsinn aufgewickelt, der durch die bekannten Symbole und bezeichnet sind, die bereits für die Gruppe 1 verwendet wurden.
Die Gruppen I und III werden also in Reihe von den Leitern 11 und 12 mit Wechselstrom einer Frequenz von beispielsweise 20 kHz gespeist (vorzugsweise zwischen 10 und 100 kHz).
Wichtig beim Wicklungssinn der Spulen ist, daß in den beiden ersten Kernen A und B der vom Speisewechselstrom erzeugte Magnetfluß in einem beliebigen Zeitpunkt einander entgegengesetzt ist. In den beiden Kernen A und B verläuft der Magnetfluß in einem bestimmten Augenblick beispielsweise gemäß der mit Pfeil versehenen und mit unterbrochenen Linien dargestellten Verlauf 13. Für die Kerne C und D muß der Magnetfluß in umgekehrter Richtung verlaufen. Der mit unterbrochenen Linien dargestellte Verlauf 14 zeigt den Fluß, der von den Spulen 5 und 6 in diesen Kernen erzeugt wird, wobei die Richtung in einem bestimmten Augenblick durch die Pfeile angedeutet ist. Dagegen kann unabhängig von der jeweiligen Flußrichtung in den Kernen B und C der angegebene Magnetfluß oder auch der entgegengesetzte herrschen. Wichtig ist nur, daß in den Kernen A und B die Flüsse einander entgegengesetzt sind, was auch für die Kerne C und D gilt. Entsprechendes gilt auch für die Gruppe III: In den Kernen I und J muß die Flußrichtung einander entgegengesetzt sein und auch in den Kernen K und L muß die Flußrichtung einander entgegengesetzt sein.
Mit unterbrochenen Linien zeigt die gepfeilte Linie 15 die Richtung des Magnetflusses, der von den Spulen 7 und 8 erzeugt wird, und durch die gepfeilte Linie 16 die Richtung des Magnetflusses, der von den Spulen 9 und 10 erzeugt wird. An den Speisedrähten 11 und 12 sind Pfeile eingetragen, die die Richtung des Stroms in einem bestimmten Augen blick angeben, der dem ebenfalls durch die Pfeile der Linien und 16 angegebenen Magnetfluß unter Berücksichtigung der durch die Symbole und angegebenen Wicklungsrichtung entspricht.
Selbstverständlich ist es wichtig, daß in einem gegebenen Augenblick der Magnetfluß in den beiden ersten Kernen jeder Gruppe einander entgegengesetzt ist, ebenso wie in den beiden letzten Kernen jeder Gruppe, und daß dies auch durch andere Wickelrichtungen erreicht werden kann als in der Figur 1 angegeben.
Zwischen den beiden Gruppen 1 und III in Reihe liegt ein Abgriff 17, der für die Lagemessung verwendet wird, die anhand der Figur 3 erläutert wird.
Wie bereits erwähnt, besitzt jede Gruppe auch Schwebespulen, die voneinander unabhängig gespeist werden. Die Beschreibung erfolgt nur für die Gruppe 1, aber dies gilt auch für die drei anderen, identischen Gruppen. Die Wicklungen der Gruppe III sind jedoch in Figur 1 dargestellt.
Für die Schwebewicklungen ist wichtig, daß der von diesen Wicklungen erzeugte Magnetfluß in einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt entweder die gleiche Richtung in den beiden ersten Kernen, d.h. für die Gruppe 1 den Kernen A und B, und entgegengesetzte Richtung in den beiden anderen Kernen C und D hat (d.h. eine gemeinsame Flußrichtung in den Kernen C und D, die der in den Kernen A und B entgegengesetzt ist).
Figur 1 zeigt ein Beispiel, wie dieses Ergebnis erreicht werden kann. Figur 2 wird danach beschrieben und zeigt ein anderes Beispiel.
In Figur 1 gibt es zwei Schwebewicklungen 18 und 19, die in Reihe geschaltet und über Anschlußleiter 20 und 21 gespeist werden. Die Wicklung 18 umgibt die Gesamtheit der Kerne A und B, während die Wicklung 19 die Gesamtheit der Kerne C und D umgibt. Sie sind in Gegenrichtung zueinander gewickelt, wie dies die hier wieder verwendeten Symbole für den Wicklungssinn zeigen: und . Bei den Symbolen wurde nur der Kreis in ein Rechteck verwandelt, um die Schwebewicklungen von den Lageerfassungsspulen zu unterscheiden. Der von diesen Wicklungen erzeugte Magnetfluß ist mit durchgezogenen Linien 22 und 23 angedeutet, wobei die Flußrich tung durch Pfeile auf diesen Linien angegeben ist und einem Strom entspricht, dessen Richtung ebenfalls durch die Pfeile auf den Speiseleitern 20 und 21 angegeben ist.
Hier kann der Strom entweder ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom sein.
Gleiches gilt für die anderen Gruppen II, III und IV. Für die Gruppe III entgegengesetzt zur Gruppe 1 wurden die beiden Wicklungen 24 und 25 mit den Speiseleitern 26 und 27 und die Flußlinien 28 und 29 in durchgezogenen Strichen eingetragen.
Figur 2 zeigt einen Teil des Lagers mit einer zum selben Ergebnis führenden Ausführungsvariante Hier gibt es vier Schwebewicklungen 30, 31, 32 und 33, d.h. eine je Kern. Die beiden ersten Wicklungen 30 und 31 sind gleichsinnig gewickelt und die beiden anderen Wicklungen 32 und 33 sind in Gegensinn zu den beiden ersten gewickelt. Die vier Wicklungen sind in Reihe geschaltet. Abgesehen von den Schwebewicklungen gleicht diese Figur der Figur 1.
Beschränkt man sich gemäß Figur 1 auf die Gruppe 1, da diese den anderen gleicht, dann erkennt man, daß der von den Schwebewicklungen 18 und 19 erzeugte Magnetfluß die Lageerfassungsspulen nicht beeinflußt. Der von den Schwebewicklungen 18 erzeugte Magnetfluß teilt sich nämlich gleichmäßig auf die beiden Kerne A und B auf und durchquert sie in gleicher Richtung. Aus der Sicht der beiden Spulen 3 und 4 zur Positionserfassung erkennt man, daß der Schwebefluß die Erfassungsspule 3 in der gleichen Richtung wie der von dieser Spule 3 erzeugte Erfassungsfluß durchfließt, während für die Spule 4 der Schwebefluß diese Erfassungsspule entgegengesetzt zur Richtung des von ihr selbst erzeugten Flusses durchläuft. Daraus ergibt sich, daß für diese beiden Erfassungsspulen 3 und 4, die in Reihe geschaltet sind, der resultierende Schwebefluß Null ist. So werden die Erfassungsspulen nicht durch den von den Schwebewicklungen erzeugten Fluß beeinflußt, was die elektrische Schaltung für die Lageerfassung stark vereinfacht, deren Prinzip nachfolgend anhand der Figur 3 beschrieben wird. Genau die gleiche Situation ergibt sich für die beiden anderen Spulen 5 und 6, die positiv und negativ (bezüglich der Flußrichtung, die sie selbst erzeugen) vom durch die Schwebewicklung 19 erzeugten Magnetfluß durchflossen werden.
Das Prinzip der Messung der Lage des Rotors bezüglich des Stators wird nun anhand von Figur 3 für die Y-Achse erläutert, wobei für die X-Achse das gleiche Prinzip gilt und die Messung dann durch die Erfassungsspulen erfolgt, die auf den Gruppen II und IV von Kernen sitzen und in eine gleiche elektrische Schaltung wie in Figur 3 gezeigt eingefügt sind.
In dieser Figur 3 wurden die Lageerfassungsspulen der Gruppe I als variable Induktivität L1 bzw. für die Gruppe III als variable Induktivität L3 dargestellt. Je nach der Stellung des Rotors 1 bezüglich des Stators variiert nämlich der magnetische Widerstand des Magnetkreises und damit auch der Selbstinduktionskoeffizient L der Spulen.
Die beiden Gruppen I und III werden also in Reihe von den Speiseleitern 11 und 12 mit einem Wechselstrom hoher Frequenz in der Größenordnung von 10 bis 100 kHz gespeist. Sie liegen in einer Meßbrücke mit einer Impedanz 34 und einer regelbaren Impedanz 35, an der die Brücke abgeglichen werden kann, um eine Spannung Null in der Diagonale 17-36 mit einem Meßinstrument 38 zu erhalten, wenn der Rotor vollkommen im Stator zentriert ist (bezüglich der Achse Y). Wenn der Rotor dagegen in der einen oder anderen Richtung aus der zentrischen Lage abweicht, ist die Spannung im Meßgerät 38 positiv oder negativ und hängt von der Größe der Exzentrizität ab. Dementsprechend wird der Strom in den Schwebespulen der Gruppe I oder III je nach der Abweichung gesteuert.

Claims

1. Elektromagnetisches Lager, um einen Rotor in einem Stator radial in der Schwebe zu halten, mit einem Magnetkreis, der einen ersten, rotorischen Bereich (2), der mit dem Rotor verbunden ist, und einen zweiten, statorischen Bereich aufweist, der mit dem Stator verbunden ist, wobei der statorische Bereich gegenüber dem rotorischen Bereich (2) zahlreiche Magnetkerne (A bis P) enthält, die einerseits elektrische Lageerfassungsspulen (3, 4, 5, 6), die mit einem elektrischen Erfassungs-Wechselstrom gespeist werden, und andererseits elektrische Schwebewicklungen (18, 19) tragen, die Starkströme empfangen, wobei die Magnetkerne in vier Gruppen aufgeteilt sind, nämlich eine Gruppe 1, eine Gruppe II, eine Gruppe III und eine Gruppe IV, und in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgen, wobei die Gruppen I und III einer radialen Kraftwirkung in Richtung einer Y-Achse oder in Gegenrichtung dazu entsprechen und die Gruppen II und IV einer radialen Kraftwirkung entlang einer zur Y-Achse senkrechten X-Achse oder in Gegenrichtung dazu entsprechen, wobei jeder Kern jeder Gruppe eine Lageerfassungsspule (3, 4, 5, 6) trägt und diese Spulen der Kerne einer Gruppe in Reihe geschaltet sind, wobei der Wicklungssinn einer Spule auf jedem Kern so gewählt ist, daß in einem beliebigen gegebenen Augenblick der von dem Speisewechselstrom erzeugte Magnetfluß (13) in den beiden ersten Kernen (A, B) der Gruppe entgegengesetzte Richtung hat, wobei jede Gruppe außerdem elektrische Schwebewicklungen auf den Kernen der Gruppe aufweist, derart, daß in einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt der von dem eingespeisten Schwebestarkstrom erzeugte Magnetfluß die gleiche Richtung und den gleichen Wert in den beiden ersten Kernen der Gruppe besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß sechzehn Magnetkerne vorgesehen sind, und zwar vier aufeinanderfolgende Kerne je Gruppe, daß für jede Gruppe der Wicklungssinn der Spule des dritten Kerns (C) und der Spule des vierten Kerns (D) so gewählt ist, daß in einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt der vom Speisewechselstrom erzeugte Magnetfluß im dritten Kern (C) und im vierten Kern (D) den gleichen Wert und entgegengesetzte Richtung zu den Magnetflüssen in den beiden ersten Kernen (A, B) aufweist, und daß die elektrischen Schwebewicklungen jeder Gruppe getrennt gespeist werden.

2. Elektromagnetisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Lageerfassungsspulen (3 bis 10) der Gruppen I und III in Reihe verbunden und gespeist werden und daß in gleicher Weise die Spulen der Gruppen II und IV in Reihe verbunden und gespeist werden.

3. Elektromagnetisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Kernen zwei elektrische Schwebewicklungen (18, 19) besitzt, von denen die erste (18) die beiden ersten Kerne (A, B) der Gruppe und die zweite (19) den dritten und den vierten Kern (C, D) der Gruppe gemeinsam umgibt und daß die beiden Wicklungen in Serie geschaltet und gespeist werden.

4. Elektromagnetisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Kernen vier elektrischen Schwebewicklungen (30 bis 33) aufweist, die in Serie verbunden und gespeist werden, wobei eine Wicklung auf jedem Kern der Gruppe sitzt.

5. Elektromagnetisches Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Lageerfassungsspulen mit einem Wechselstrom einer konstanten Stärke gespeist werden und daß jede Serienschaltung von zwei Spulengruppen (I, III) in eine Meßbrücke eingefügt ist, die in der konzentrischen Lage des Rotors bezüglich des Stators in X- oder Y-Richtung entsprechend den beiden in Serie geschalteten Spulengruppen abgeglichen ist, wobei die Brücke in einer ihrer Diagonalen (11, 12) gespeist wird, während die andere Diagonale (17-36) zur Messung der einer exzentrischen Lage entsprechenden Brückenspannung (38) verwendet wird.

6. Elektromagnetisches Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageerfassungs-Wechselstrom eine Frequenz zwischen 10 und 100 kHz besitzt.