EP1836406A2 - Regelverfahren für eine magnetlagerung und hiermit korrespondierende einrichtung - Google Patents

Regelverfahren für eine magnetlagerung und hiermit korrespondierende einrichtung

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Publication number
EP1836406A2
EP1836406A2 EP05850476A EP05850476A EP1836406A2 EP 1836406 A2 EP1836406 A2 EP 1836406A2 EP 05850476 A EP05850476 A EP 05850476A EP 05850476 A EP05850476 A EP 05850476A EP 1836406 A2 EP1836406 A2 EP 1836406A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
control
control signals
control device
rotational
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05850476A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ingo Menz
Hartmut Walter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1836406A2 publication Critical patent/EP1836406A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
    • F16C32/0453—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control for controlling two axes, i.e. combined control of x-axis and y-axis

Definitions

  • the present invention relates to a control method for a magnetic bearing in which a rotary member is rotatably mounted in a base body about a rotation axis, wherein a Erfas ⁇ sungs adopted detected radial deflections of the rotary member relative to the axis of rotation and a control device supplies, which based on the radial deflections of the rotary control signals for the Determined magnetic bearing and outputs to the Magnetla ⁇ tion.
  • the present invention further relates to a device corresponding thereto.
  • Control methods for magnetic bearings and the devices corresponding thereto are well known. For example, reference is made to DE-A-31 50 122.
  • critical speeds can occur below the maximum rotational speed of the rotary member. If the rotary element is variable in speed, the ⁇ se speeds can also be in the speed control range. At critical speeds, the rotary element is very vibratory and reacts even to small and smallest excitations with strong vibrations. The relevant guidelines therefore require a safety distance between the operating range of the rotary member and the pre-determinable critical speeds.
  • the object of the present invention is to provide a re gel method for a magnetic bearing of the type initially mentioned and which is hereby corresponding feature fen to sheep ⁇ by means of which the problem of the critical speeds is releasable.
  • control device from the radial deflections of the rotary member eliminates at least one frequency component, which comprises the proportions of the radial deflections of the rotary member having frequencies in the vicinity of a filter frequency, which is in a predetermined ratio to the rotational frequency,
  • control device determines frequency control signals on the basis of the frequency component according to a frequency control scheme
  • the control device based on the difference of the radial deflections of the rotary member and the frequency component determines a residual share and determined based on the remainder of a residual control scheme residual control signals and - that the control device determines the control signals for the magnetic ⁇ storage by summing the frequency control signals and the residual control signals.
  • the object is achieved by the korrespondie ⁇ ing device features of claim 14.
  • the detection device also detects an instantaneous rotational position of the rotary element together with the rotational frequency and feeds it to the control device, the control method according to the invention works even better. If this a pulse of the detecting means at predetermined rotational positions of the rotary member respectively generates a trigger pulse and transmitted to the control device, the detection of rotary position and Drehfre acid sequence is particularly accurate possible.
  • the pulse generator generates and transmits exactly one trigger pulse per revolution of the rotary element.
  • control device determines the frequency control signals and / or the residual control signals in response to the supplied rotational position of the rotary element and outputs to the Magnetla ⁇ delay, an even better compensation of Radi ⁇ alauslenkept is possible. Because in particular the control signals (of course extrapolated) rotational position can be output in this case, within each revolution of the Drehele ⁇ ments depending on its.
  • the control method according to the invention operates particularly flexibly. It is in particular possible that the Re ⁇ gel means determines the frequency of control signals such that the magnetic bearing has a negative dynamic stiffness in the vicinity of the filter frequency.
  • the residual control scheme may be independent of the rotational frequency. It is preferably determined such that the controller determines the remainder of the control signals such that the magnetic bearing counteracts the radial deflections of the rotary element, thus has a positive dynamic stiffness ⁇ .
  • the control method according to the invention shows its advantages into ⁇ special when it is running at a resonant frequency at which the rotating member would be resonant when the control signals ⁇ would be determined by the control device as a whole according to the residual control scheme.
  • the filter frequency is an integer Dahlfa ⁇ Ches half the rotational frequency. In many cases, it is even an integer multiple of the rotation frequency. In the simplest case, the filter frequency is identical to the rotation frequency.
  • control method according to the invention is appli ⁇ det, when the rotary member in a rotational frequency range is speed controlled, which contains the resonant frequency.
  • the present invention is applicable to any type of device .
  • it is applied to electric machines, turbines or compressors.
  • FIG. 1 shows a device with a base body and a rotary element
  • Magnetic bearing of Figure 2 and 4 shows a speed-stiffness diagram (so-called keel lenberger diagram).
  • a device has a main body 1 and a rotary element 2.
  • the rotary element 2 is mounted by means of magnetic bearings 3 in the base body 1 such that it is rotatable about ei ⁇ ne axis of rotation 4. This is indicated in FIG 1 by a double arrow 5.
  • the axis of rotation 4 can be kari- Piell (inclined horizontal, verti cal ⁇ ) assume any orientation in space.
  • a stator 6 is arranged in the base body 1.
  • a rotor 7 is arranged on the rotary element 2.
  • the device of FIG 1 is therefore designed as elekt ⁇ cal machine.
  • This embodiment is purely exemplary. In principle, the present invention in any type of device, for. B. Turbines or compressors applicable.
  • Radial deflections x, y of the rotary element 2 relative to the axis of rotation 4 in the region of the magnetic bearings 3 can be detected, inter alia, by means of the detection devices 8.
  • Tangential with respect to the axis of rotation 4, the detection devices 8 form an angle of approx. 90 °. But this is not mandatory.
  • the Erfas sungs slaughter 8 are connected to control devices 9 data technology.
  • the detection devices 8 are thus able to supply the radial deflections x, y of the rotary element 2 detected by them to their corresponding control devices 9.
  • the control devices 9 determine based on the radial deflections x, y of the rotary member 2 corresponding control signals Sx, Sy. They are connected to their magnetic bearings 3 in a control-engineering manner. They are therefore able to output the control signals Sx, Sy determined by them to the magnetic bearings 3.
  • the control signals Sx for the Reakti ⁇ on the radial deflections are determined independently of the radial deflections y x of Fig. 3 The same applies to the control signals Sy.
  • the detection devices 8 also have a pulse generator 10.
  • the pulse generator 10 can be the detection devices 8 together.
  • the pulse generator 10 generates at predetermined rotational positions of the rotary member 2 each have a trigger pulse P and transmits it to the Re ⁇ gel wornen 9.
  • According to embodiment generates and transmits the pulse generator 10 per revolution of the rotary member 2 exactly one trigger pulse P. In principle, however, it could also generate several trigger pulses P per revolution of the rotary element 2.
  • the detection means 8 Due to the release of the trigger pulses P by the pulse generator 10, the detection means 8 thus also detect the rotational frequency f of the rotary element 2 and lead this rotation frequency f their control devices 9. Further, since the trigger pulses P are delivered from Impulsge ⁇ about 10 at predetermined rotational positions, detect the detection means 8 together with the rotational frequency f and the respective instantaneous rotational position of the rotary member 2 and lead them to their respective control device 9. Thus, the control devices 9 are able to determine the frequency, residual and control signals Fx, Fy, Rx, Ry, Sx, Sy in the correct phase and they also in phase (ie, depending on the supplied rotational position and the phase) to the magnetic bearings 3 off.
  • the control devices 9 have according to FIG 3 on the input side parameterizable frequency filter 11 (bandpass filter 11). Both the radial deflections x, y and the trigger pulses P are supplied to these frequency filters 11. By means of the trigger impulses P resp.
  • the frequency filter 11 is parameterized to the corresponding rotational frequency f in such a way that it filters out of the radial deflections x, y of the rotary element 2 the frequency components which have frequencies in the vicinity of an integer multiple of the rotational frequency f. Only these components are let through by the frequency filters 11.
  • the control devices 9 thus divide from the radial deflections x, y of the rotary element 2 a proportion - referred to below as the frequency component - comprising the portions of the radial deflections x, y of the rotary element 2, which frequencies are close to this integer multiple of the rotational frequency f exhibit .
  • a period of the transmitted frequency component substantially corresponds to the time interval T of FIG. 3
  • the frequency component thus comprises the Antei ⁇ le radial deflections of the x, y of the rotary member 2, the frequencies in the vicinity of the rotation frequency f themselves have.
  • the filtered-out frequency component and the entire Radialaus ⁇ steerings x, y are subtractors 12 supplied.
  • the subtractors 12 determine on the basis of the total radial deflections x, y of the rotary element 2 and the filtered-out frequency component their difference. This difference will be called residual share below.
  • the control devices 9 furthermore have frequency control signal detectors 13 and residual control signal detectors 14.
  • the frequency components are supplied to the frequency control signal determiners 13. These determine frequency control signals Fx, Fx on the basis of the frequency components supplied to them according to a frequency control scheme. The remaining portions are the Restêtsig ⁇ nalermittemper 14 supplied. These determine residual control signals Rx, Ry according to a residual control scheme.
  • the frequency control signals Fx, Fy and the residual control signals Rx, Ry are supplied to adders 15. These determine by summing the frequency control signals Fx, Fy and the Reststeu ⁇ ersignale Rx, Ry, the control signals Sx, Sy.
  • the residual control signal determiners 14 generally determine the residual control signals Rx, Ry independently of the rotational frequency f.
  • the residual control scheme is thus independent or added from the Drehfre acid sequence f. is maintained regardless of the rotational frequency f. It is therefore - see FIG. 3 - not necessary to give them the trigger pulses P or. to supply the rotation frequency f.
  • the frequency control signal detectors 13 receive the trigger impulses P resp. the rotational frequency f supplied.
  • Resonance frequency curves fRK are also shown in FIG. 4, by means of which it is apparent at which resonant frequencies fR the rotary element 2 would be resonant if the control signals Sx, Sy were determined in their entirety according to the residual control scheme.
  • the frequency control signal determiners 13 always determine the frequency control signals Fx, Fy such that the rotary element 2 is not resonant even at the resonance frequencies fR in the type of control signal determination according to the invention.
  • the frequency control signal determiner 13 to determine a part of the possible frequency range the frequency control signals Fx, Fy thereby so ⁇ even such that the magnetic bearings 3 (respectively.
  • a - shown in phantom in FIG 4 drawn - have stiffness S, which is negative.
  • the Drehele- ment of the present invention is speed-controllable in a rotational frequency range which at least one resonance fre acid sequence fR - frequencies even multiple resonance in the present case fR - contains.

Abstract

Eine Erfassungseinrichtung (8) erfasst Radialauslenkungen (x, y) eines Drehelements (2), das mittels einer Magnetlagerung (3) in einem Grundkörper (1) um eine Drehachse (4) drehbar gelagert ist, und führt sie einer Regeleinrichtung (9) zu. Diese ermittelt anhand der Radialauslenkungen (x, y) Steuer- signale (Sx,Sy) für die Magnetlagerung (3) und gibt sie an die Magnetlagerung (3) aus. Die Erfassungseinrichtung (8) er- fasst auch eine Drehfrequenz (f) des Drehelements (2) und führt sie der Regeleinrichtung (9) zu. Diese spaltet von den Radialauslenkungen (x,y) mindestens einen Frequenzanteil ab, der die Anteile der Radialauslenkungen (x,y) umfasst, die Frequenzen in der Nähe einer Filterfrequenz aufweisen, die in einem vorbestimmten Verhältnis zur Drehfrequenz (f) steht. Anhand des Frequenzanteils ermittelt die Regeleinrichtung (9) gemäß einem Frequenzregelschema Frequenzsteuersignale (Fx, Fy). Anhand der Differenz der Radialauslenkungen (x,y) und des Frequenzanteils ermittelt sie einen Restanteil, anhand des Restanteils gemäß einem Restregelschema Reststeuersignale (Rx,Ry). Durch Summieren der Frequenzsteuersignale (Fx, Fy) und der Reststeuersignale (Rx,Ry) ermittelt sie dann die Steuersignale (Sx,Sy).

Description

Beschreibung
Regelverfahren für eine Magnetlagerung und hiermit korrespondierende Einrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelverfahren für eine Magnetlagerung, in der ein Drehelement in einem Grundkörper um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei eine Erfas¬ sungseinrichtung Radialauslenkungen des Drehelements relativ zur Drehachse erfasst und einer Regeleinrichtung zuführt, welche anhand der Radialauslenkungen des Drehelements Steuersignale für die Magnetlagerung ermittelt und an die Magnetla¬ gerung ausgibt .
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine hiermit korrespondierende Einrichtung .
Regelverfahren für Magnetlagerungen und die hiermit korrespondierenden Einrichtungen sind allgemein bekannt . Beispiel- haft sei hierzu auf die DE-A-31 50 122 verwiesen .
Insbesondere bei Einrichtungen, welche schnelldrehende Dreh¬ elemente aufweisen, können unterhalb der maximalen Drehzahl des Drehelements sogenannte kritische Drehzahlen auftreten . Falls das Drehelement dabei drehzahlvariabel ist, können die¬ se Drehzahlen auch im Drehzahlregelbereich liegen . Bei kritischen Drehzahlen ist das Drehelement sehr schwingungsfreudig und reagiert schon auf kleine und kleinste Anregungen mit starken Schwingungen . Die einschlägigen Richtlinien fordern daher einen Sicherheitsabstand zwischen dem Betriebsbereich des Drehelements und den vorab bestimmbaren kritischen Drehzahlen .
Im Stand der Technik wird durch aktive Bedämpfung des Dreh- elements bei den kritischen Drehzahlen und durch gutes Auswuchten versucht, auch bei den kritischen Drehzahlen einen möglichst ruhigen Lauf des Drehelements zu erreichen . Trotz aller Bemühungen des Standes der Technik müssen bei den kritischen Drehzahlen jedoch oftmals höhere Schwingungen toleriert werden, als nach den Richtlinien gefordert ist . Je nach Lage des Einzelfalls werden diese höheren Schwingungen tole- riert oder aber der entsprechende Drehzahlbereich wird ge¬ sperrt .
Aktive Magnetlagerungen erlauben zwar die drehzahlabhängige Variation der Lagersteifigkeit und der Lagerdämpfung . Auch mit derartigen aktiven Magnetlagern lässt sich aber die Problematik der kritischen Drehzahlen im Stand der Technik nicht lösen .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Re- gelverfahren für eine Magnetlagerung der eingangs genannten Art und die hiermit korrespondierende Einrichtung zu schaf¬ fen, mittels derer die Problematik der kritischen Drehzahlen lösbar ist .
Die Aufgabe wird für das Regelverfahren dadurch gelöst ,
- dass die Erfas sungseinrichtung auch eine Drehfrequenz des Drehelements erfasst und der Regeleinrichtung zuführt,
- dass die Regeleinrichtung von den Radialauslenkungen des Drehelements mindestens einen Frequenzanteil abspaltet, der die Anteile der Radialauslenkungen des Drehelements um- fasst , die Frequenzen in der Nähe einer Filterfrequenz aufweisen, die in einem vorbestimmten Verhältnis zur Drehfrequenz steht,
- dass die Regeleinrichtung anhand des Frequenzanteils gemäß einem Frequenzregelschema Frequenzsteuersignale ermittelt,
- dass die Regeleinrichtung anhand der Differenz der Radialauslenkungen des Drehelements und des Frequenzanteils einen Restanteil ermittelt und anhand des Restanteils gemäß einem Restregelschema Reststeuersignale ermittelt und - dass die Regeleinrichtung die Steuersignale für die Magnet¬ lagerung durch Summieren der Frequenzsteuersignale und der Reststeuersignale ermittelt . Für die Einrichtung wird die Aufgabe durch die korrespondie¬ renden Einrichtungsmerkmale des Anspruchs 14 gelöst .
Wenn die Erfassungseinrichtung zusammen mit der Drehfrequenz auch eine momentane Drehstellung des Drehelements erfasst und der Regeleinrichtung zuführt, arbeitet das erfindungsgemäße Regelverfahren noch besser . Wenn hierzu ein Impulsgeber der Erfassungseinrichtung bei vorbestimmten Drehstellungen des Drehelements jeweils einen Triggerimpuls erzeugt und an die Regeleinrichtung übermittelt, ist die Erfassung von Drehfre¬ quenz und Drehstellung besonders genau möglich . Vorzugsweise erzeugt und übermittelt der Impulsgeber dabei pro Umdrehung des Drehelements genau einen Triggerimpuls .
Wenn die Regeleinrichtung die Frequenzsteuersignale und/oder die Reststeuersignale in Abhängigkeit von der zugeführten Drehstellung des Drehelements ermittelt und an die Magnetla¬ gerung ausgibt, ist eine noch bessere Kompensation der Radi¬ alauslenkungen möglich . Denn insbesondere können in diesem Fall die Steuersignale innerhalb jeder Umdrehung des Drehele¬ ments in Abhängigkeit von dessen ( selbstverständlich extrapolierter) Drehstellung ausgegeben werden .
Wenn das Frequenzregelschema von der Drehfrequenz abhängig ist, arbeitet das erfindungsgemäße Regelverfahren besonders flexibel . Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Re¬ geleinrichtung die Frequenzsteuersignale derart ermittelt, dass die Magnetlagerung in der Nähe der Filterfrequenz eine negative dynamische Steifigkeit aufweist .
Das Restregelschema hingegen kann von der Drehfrequenz unabhängig sein . Es ist vorzugsweise derart bestimmt, dass die Regeleinrichtung die Reststeuersignale derart ermittelt, dass die Magnetlagerung den Radialauslenkungen des Drehelements entgegenwirkt , also eine positive dynamische Steifigkeit auf¬ weist . Das erfindungsgemäße Regelverfahren zeigt seine Vorteile ins¬ besondere dann, wenn es bei einer Resonanzfrequenz ausgeführt wird, bei der das Drehelement resonant wäre, wenn die Steuer¬ signale von der Regeleinrichtung in ihrer Gesamtheit gemäß dem Restregelschema ermittelt würden .
In der Regel ist die Filterfrequenz ein ganzzahliges Vielfa¬ ches der halben Drehfrequenz . In vielen Fällen ist sie sogar ein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz . Im einfachsten Fall ist die Filterfrequenz mit der Drehfrequenz identisch .
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Regelverfahren angewen¬ det, wenn das Drehelement in einem Drehfrequenzbereich drehzahlregelbar ist, der die Resonanzfrequenz enthält .
Prinzipiell ist die vorliegende Erfindung bei jeder Art Ein¬ richtung anwendbar . Beispielsweise wird sie bei elektrischen Maschinen, Turbinen oder Kompressoren angewendet .
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen . Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
FIG 1 eine Einrichtung mit einem Grundkörper und einem Drehelement,
FIG 2 einen Schnitt durch eine Magnetlagerung der Einrichtung von FIG 1 , FIG 3 schematisch die Ermittlung von Steuersignalen für die
Magnetlagerung von FIG 2 und FIG 4 ein Drehzahl-Steifigkeitsdiagramm ( sogenanntes KeI- lenbergerdiagramm) .
Gemäß FIG 1 weist eine Einrichtung einen Grundkörper 1 und ein Drehelement 2 auf . Das Drehelement 2 ist mittels Magnet- lagerungen 3 im Grundkörper 1 derart gelagert , das s es um ei¬ ne Drehachse 4 drehbar ist . Dies ist in FIG 1 durch einen Doppelpfeil 5 angedeutet . Die Drehachse 4 kann dabei prinzi- piell eine beliebige Orientierung im Raum (horizontal, verti¬ kal, geneigt ) annehmen .
Gemäß FIG 1 ist im Grundkörper 1 ein Stator 6 angeordnet . Hiermit korrespondierend ist auf dem Drehelement 2 ein Rotor 7 angeordnet . Die Einrichtung der FIG 1 ist daher als elekt¬ rische Maschine ausgebildet . Diese Ausgestaltung ist aber rein beispielhaft . Prinzipiell ist die vorliegende Erfindung bei jeder Art Einrichtung, z . B . Turbinen oder Kompressoren anwendbar .
Gemäß den FIG 1 und 2 weist die Einrichtung pro Magnetlage¬ rung 3 eine Erfassungseinrichtung 8 auf . Mittels der Erfassungseinrichtungen 8 sind unter anderem Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 relativ zur Drehachse 4 im Bereich der Magnetlagerungen 3 erfassbar . Tangential bezüglich der Drehachse 4 bilden die Erfassungseinrichtungen 8 dabei in der Regel einen Winkel von ca . 90 ° . Dies ist aber nicht zwingend erforderlich .
Die Erfas sungseinrichtungen 8 sind mit Regeleinrichtungen 9 datentechnisch verbunden . Die Erfas sungseinrichtungen 8 sind somit in der Lage, die von ihnen erfassten Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 ihren korrespondierenden Regelein- richtungen 9 zuzuführen .
Die Regeleinrichtungen 9 ermitteln anhand der Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 entsprechende Steuersignale Sx, Sy . Sie sind mit ihren Magnetlagerungen 3 steuerungstech- nisch verbunden . Sie sind daher in der Lage, die von ihnen ermittelten Steuersignale Sx, Sy an die Magnetlagerungen 3 auszugeben . Dabei werden die Steuersignale Sx für die Reakti¬ on auf die Radialauslenkungen x gemäß FIG 3 unabhängig von den Radialauslenkungen y ermittelt . Analoges gilt für die Steuersignale Sy . Es könnte aber auch eine gegenseitige Wech¬ selwirkung der Radialauslenkungen x, y einer einzelnen Magnetlagerung 3 und/oder der Radialauslenkungen x, y mehrerer Magnetlagerungen 3 untereinander berücksichtigt werden . Dies ist Fachleuten allgemein bekannt .
Gemäß FIG 1 weisen die Erfassungseinrichtungen 8 auch einen Impulsgeber 10 auf . Der Impulsgeber 10 kann dabei den Erfassungseinrichtungen 8 gemeinsam sein . Der Impulsgeber 10 erzeugt bei vorbestimmten Drehstellungen des Drehelements 2 jeweils einen Triggerimpuls P und übermittelt ihn an die Re¬ geleinrichtungen 9. Gemäß Ausführungsbeispiel erzeugt und übermittelt der Impulsgeber 10 dabei pro Umdrehung des Drehelements 2 genau einen Triggerimpuls P . Prinzipiell könnte er aber auch pro Umdrehung des Drehelements 2 mehrere Triggerimpulse P erzeugen .
Aus dem zeitlichen Abstand T der vom Impulsgeber 10 abgegebenen Triggerimpulse P ergibt sich direkt und unmittelbar eine Drehfrequenz f des Drehelements 2. Auf Grund der Abgabe der Triggerimpulse P durch den Impulsgeber 10 erfassen die Erfassungseinrichtungen 8 somit auch die Drehfrequenz f des Dreh- elements 2 und führen diese Drehfrequenz f ihren Regeleinrichtungen 9 zu . Da ferner die Triggerimpulse P vom Impulsge¬ ber 10 bei vorbestimmten Drehstellungen abgegeben werden, erfassen die Erfassungseinrichtungen 8 zusammen mit der Drehfrequenz f auch die jeweilige momentane Drehstellung des Drehelements 2 und führen diese ihrer jeweiligen Regeleinrichtung 9 zu . Somit sind die Regeleinrichtungen 9 in der Lage, die Frequenz-, Rest- und Steuersignale Fx, Fy, Rx, Ry, Sx, Sy phasenrichtig zu ermitteln und sie auch phasenrichtig (also in Abhängigkeit von der zugeführten Drehstellung und der Phasenlage) an die Magnetlagerungen 3 aus zugeben .
Die Regeleinrichtungen 9 weisen gemäß FIG 3 eingangsseitig parametrierbare Frequenzfilter 11 (Bandpassfilter 11 ) auf . Diesen Frequenzfiltern 11 werden sowohl die Radialauslenkun- gen x, y als auch die Triggerimpulse P zugeführt . Mittels der Triggerimpulse P bzw . der korrespondierenden Drehfrequenz f werden gemäß Aus führungsbeispiel die Frequenzfilter 11 derart parametriert, dass sie von den Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 die Frequenzanteile aus fil- tern, die Frequenzen in der Nähe eines ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz f aufweisen . Nur diese Anteile werden von den Frequenzfiltern 11 durchgelassen . Die Regeleinrichtungen 9 spalten somit von den Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 einen Anteil - nachfolgend Frequenzanteil ge- nannt - ab, der die Anteile der Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 umfasst , welche Frequenzen in der Nähe dieses ganz zahligen Vielfachen der Drehfrequenz f aufweisen .
Gemäß FIG 3 entspricht eine Periode des durchgelas senen Fre- quenzanteils im Wesentlichen dem zeitlichen Abstand T der
Triggerimpulse P . Der Frequenzanteil umfasst somit die Antei¬ le der Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 , die Frequenzen in der Nähe der Drehfrequenz f selbst aufweisen . Prinzipiell wäre es aber auch möglich, Anteile mit Frequenzen in der Nähe eines „echten" ganz zahligen Vielfachen der Drehfrequenz f oder der halben Drehfrequenz f aus zufiltern . Auch beliebige andere Filterfrequenzen sind möglich, wenn sie nur in einem vorbestimmten Verhältnis zur Drehfrequenz stehen . Auch ist es möglich, mehrere derartiger Frequenzfilter 11 pa- rallel zu ordnen, wobei in diesem Fall jedes Frequenzfilter 11 einen anderen Frequenzanteil aus filtert, also z . B . auf ein anderes ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz f abge¬ stimmt ist . Dadurch ist es möglich, jeden ausgefilterten Frequenzanteil unabhängig von den anderen ausgefilterten Fre- quenzanteilen und auch unabhängig vom Restanteil ( siehe nachstehend) zu behandeln .
Der ausgefilterte Frequenzanteil und die gesamten Radialaus¬ lenkungen x, y werden Subtrahierern 12 zugeführt . Die Subtra- hierer 12 ermitteln anhand der gesamten Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 und des ausgefilterten Frequenzanteils deren Differenz . Diese Differenz wird nachfolgend Restanteil genannt .
Die Regeleinrichtungen 9 weisen weiterhin Frequenz steuersig- nalermittler 13 und Reststeuersignalermittler 14 auf .
Die Frequenzanteile werden den Frequenzsteuersignalermittlern 13 zugeführt . Diese ermitteln anhand der ihnen zugeführten Frequenzanteile gemäß einem Frequenzregelschema Frequenzsteu- ersignale Fx, Fx . Die Restanteile werden den Reststeuersig¬ nalermittlern 14 zugeführt . Diese ermitteln gemäß einem Restregelschema Reststeuersignale Rx, Ry .
Die Frequenzsteuersignale Fx, Fy und die Reststeuersignale Rx, Ry werden Summierern 15 zugeführt . Diese ermitteln durch Summieren der Frequenz steuersignale Fx, Fy und der Reststeu¬ ersignale Rx, Ry die Steuersignale Sx, Sy .
Die Reststeuersignalermittler 14 ermitteln die Reststeuersig- nale Rx, Ry in aller Regel unabhängig von der Drehfrequenz f . Das Restregelschema ist somit in der Regel von der Drehfre¬ quenz f unabhängig bzw . wird unabhängig von der Drehfrequenz f beibehalten . Es ist daher - siehe FIG 3 - nicht erforderlich, ihnen die Triggerimpulse P bzw . die Drehfrequenz f zu- zuführen .
Selbst wenn aber, wie in FIG 4 gestrichelt angedeutet ist, das Restregelschema geringfügig von der Drehfrequenz f abhän¬ gig ist, bewirkt dies keinen wesentlichen Unterschied. Denn in beiden Fällen ermitteln die Reststeuersignalermittler 14 die Reststeuersignale Rx, Ry derart , dass die Magnetlagerun¬ gen 3 den Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 entgegenwirken . Bezüglich der Reststeuersignale Rx, Ry weisen die Magnetlagerungen 3 somit eine - in FIG 4 gestrichelt einge- zeichnete - dynamische Steifigkeit S auf, die positiv ist . Die Frequenzsteuersignalermittler 13 hingegen ermitteln die Frequenzsteuersignale Fx, Fy in aller Regel in Abhängigkeit von der Drehfrequenz f . Das Frequenzregelschema ist somit von der Drehfrequenz f abhängig bzw . wird in Abhängigkeit von der Drehfrequenz f variiert . Dies ist deutlich aus FIG 4 ersicht¬ lich . Denn insbesondere ist die dynamische Steifigkeit S der Magnetlagerungen 3 bezüglich der Frequenz steuersignale Fx, Fy eine Funktion der Drehfrequenz f . Den Frequenzsteuersignalermittlern 13 werden daher gemäß FIG 3 die Triggerimpulse P bzw . die Drehfrequenz f zugeführt .
Ebenfalls in FIG 4 eingezeichnet sind Resonanzfrequenzkurven fRK, anhand derer ersichtlich ist, bei welchen Resonanzfrequenzen fR das Drehelement 2 resonant wäre, wenn die Steuer- Signale Sx, Sy in ihrer Gesamtheit gemäß dem Restregelschema ermittelt würden . Wie aus FIG 4 ersichtlich ist, ermitteln die Frequenzsteuersignalermittler 13 die Frequenzsteuersignale Fx, Fy aber stets derart, dass das Drehelement 2 auch bei den Resonanzfrequenzen fR bei der erfindungsgemäßen Art der Steuersignalermittlung nicht resonant ist . Über einen Teil des möglichen Frequenzbereichs ermitteln die Frequenzsteuersignalermittler 13 die Frequenz steuersignale Fx, Fy dabei so¬ gar derart, dass die Magnetlagerungen 3 in der Nähe der Filterfrequenz (bzw . hier in der Nähe der Drehfrequenz f) , auf welche die Frequenzfilter 11 parametriert sind, eine - in FIG 4 strichpunktiert eingezeichnete - dynamische Steifigkeit S aufweisen, die negativ ist .
Schließlich ist aus FIG 4 noch ersichtlich, dass das Drehele- ment der vorliegenden Erfindung in einem Drehfrequenzbereich drehzahlregelbar ist, welcher mindestens eine Resonanz fre¬ quenz fR - im vorliegenden Fall sogar mehrere Resonanz frequenzen fR - enthält .
Durch die erfindungsgemäße regelungstechnische Trennung der statischen Tragfunktion der Magnetlagerungen 3 - Stichwort Restregelsignale Rx, Ry - von deren dynamischen Eigenschaften - Stichwort Frequenzsteuersignale Fx, Fy - ist somit eine er¬ hebliche Verbesserung des Schwingungsverhaltens des Drehele¬ ments 2 und damit verbunden eine deutliche Erweiterung des zulässigen Drehfrequenzregelbereichs möglich . Dies kann ins¬ besondere deshalb erreicht werden, weil durch die erfindungs¬ gemäße Vorgehensweise negative dynamische Steifigkeiten S der aktiven Magnetlagerungen 3 erreicht werden können, ohne die Stabilität der Magnetlagerungen 3 zu gefährden .

Claims

Patentansprüche
1. Regelverfahren für eine Magnetlagerung (3 ) , in der ein Drehelement ( 2 ) in einem Grundkörper ( 1 ) um eine Drehachse ( 4 ) drehbar gelagert ist,
- wobei eine Erfassungseinrichtung ( 8 ) Radialauslenkungen (x, y) des Drehelements (2 ) relativ zur Drehachse ( 4 ) erfas st und einer Regeleinrichtung ( 9 ) zuführt ,
- wobei die Regeleinrichtung ( 9 ) anhand der Radialauslenkun- gen (x, y) des Drehelements ( 2 ) Steuersignale (Sx, Sy) für die Magnetlagerung (3 ) ermittelt und an die Magnetlagerung ( 3 ) ausgibt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass die Erfas sungseinrichtung ( 8 ) auch eine Drehfrequenz ( f) des Drehelements (2 ) erfasst und der Regeleinrichtung
( 9 ) zuführt,
- dass die Regeleinrichtung ( 9 ) von den Radialauslenkungen
(x, y) des Drehelements (2 ) mindestens einen Frequenzanteil abspaltet, der die Anteile der Radialauslenkungen (x, y) des Drehelements ( 2 ) umfasst, die Frequenzen in der Nähe einer Filterfrequenz aufweisen, die in einem vorbestimmten Verhältnis zur Drehfrequenz ( f) steht,
- dass die Regeleinrichtung ( 9 ) anhand des Frequenzanteils gemäß einem Frequenzregelschema Frequenzsteuersignale (Fx, Fy) ermittelt,
- dass die Regeleinrichtung ( 9 ) anhand der Differenz der Radialauslenkungen (x, y) des Drehelements (2 ) und des Fre¬ quenzanteils einen Restanteil ermittelt und anhand des Restanteils gemäß einem Restregelschema Reststeuersignale (Rx, Ry) ermittelt und
- dass die Regeleinrichtung ( 9 ) die Steuersignale (Sx, Sy) für die Magnetlagerung (3 ) durch Summieren der Frequenz steuersignale (Fx, Fy) und der Reststeuersignale (Rx, Ry) ermit¬ telt .
2. Regelverfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass die Erfassungseinrichtung ( 8 ) zusammen mit der Drehfrequenz ( f) auch eine momentane Drehstellung des Drehelements ( 2 ) erfas st und der Regeleinrichtung ( 9 ) zuführt .
3. Regelverfahren nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s ein Impulsgeber ( 10 ) der Er¬ fas sungseinrichtung ( 8 ) bei vorbestimmten Drehstellungen des Drehelements ( 2 ) j eweils einen Triggerimpuls (P ) erzeugt und an die Regeleinrichtung ( 9 ) übermittelt .
4. Regelverfahren nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s der Impulsgeber ( 10 ) pro Um¬ drehung des Drehelements ( 2 ) genau einen Triggerimpuls (P ) erzeugt und an die Regeleinrichtung ( 9 ) übermittelt .
5. Regelverfahren nach Anspruch 2 , 3 oder 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Regeleinrichtung ( 9 ) die Frequenz steuersignale (Fx, Fy) und/oder die Reststeuersig¬ nale (Rx, Ry) in Abhängigkeit von der zugeführten Drehstellung des Drehelements ( 2 ) ermittelt und an die Magnetlagerung ( 3 ) ausgibt .
6. Regelverfahren nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s das Fre- quenzregelschema von der Drehfrequenz ( f) abhängig ist .
7. Regelverfahren nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Re¬ geleinrichtung ( 9 ) die Frequenz steuersignale (Fx, Fy) derart ermittelt , das s die Magnetlagerung ( 3 ) in der Nähe der Fil¬ terfrequenz eine negative dynamische Stei figkeit ( S ) auf¬ weist .
8. Regelverfahren nach einem der obigen Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s das Restre¬ gels chema von der Drehfrequenz ( f) unabhängig ist .
9. Regelverfahren nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Re¬ geleinrichtung ( 9 ) die Reststeuersignale (Rx, Ry) derart er¬ mittelt , das s die Magnetlagerung ( 3 ) den Radialaus lenkungen (x, y) des Drehelement s ( 2 ) entgegenwirkt .
10. Regelverfahren nach einem der obigen Ansprüche , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s es bei einer Resonanz frequenz ( fR) ausgeführt wird, bei der das Drehele- ment ( 2 ) resonant wäre , wenn die Steuersignale ( Sx, Sy) von der Regeleinrichtung ( 9 ) in ihrer Gesamtheit gemäß dem Restregelschema ermittelt würden, und das s die Regeleinrichtung ( 9 ) die Frequenz steuersignale (Fx, Fy) derart ermittelt , das s das Drehelement ( 2 ) bei der Resonanz frequenz ( fR) nicht reso- nant ist .
11. Regelverfahren nach einem der obigen Ansprüche , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Filter¬ frequenz ein ganz zahliges Vielfaches der halben Drehfrequenz ( f) ist .
12. Regelverfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Filterfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz (f) ist.
13. Regelverfahren nach Anspruch 12 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Filterfrequenz gleich der Drehfrequenz ( f) ist .
14. Einrichtung mit einem Grundkörper ( 1 ) und einem Drehelement (2 ) , das mittels einer Magnetlagerung (3 ) im Grundkörper ( 1 ) derart gelagert ist, dass es um eine Drehachse ( 4 ) dreh¬ bar ist,
- wobei die Einrichtung eine Erfas sungseinrichtung ( 8 ) auf- weist , mittels derer Radialauslenkungen (x, y) des Drehele¬ ments (2 ) relativ zur Drehachse ( 4 ) erfassbar sind, - wobei die Erfassungseinrichtung ( 8 ) mit einer Regeleinrichtung ( 9 ) datentechnisch verbunden ist, so dass die von der Erfas sungseinrichtung ( 8 ) erfassten Radialauslenkungen (x, y) des Drehelements (2 ) der Regeleinrichtung ( 9 ) zuführbar sind,
- wobei die Regeleinrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist, dass von ihr anhand der Radialauslenkungen (x, y) des Drehelements (2 ) Steuersignale (Sx, Sy) für die Magnetlagerung (3 ) ermittelbar sind, - wobei die Regeleinrichtung ( 9 ) mit der Magnetlagerung ( 3 ) steuerungstechnisch verbunden ist, so dass die von der Regeleinrichtung ( 9 ) ermittelten Steuersignale (Sx, Sy) der Magnetlagerung (3 ) zuführbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - dass die Erfas sungseinrichtung ( 8 ) derart ausgebildet ist, dass von ihr auch eine Drehfrequenz ( f) des Drehelements ( 2 ) erfassbar und der Regeleinrichtung ( 9 ) zuführbar ist,
- dass die Regeleinrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist, dass von ihr von den Radialauslenkungen (x, y) des Drehelements ( 2 ) mindestens ein Frequenzanteil abspaltbar ist, der die Anteile der Radialauslenkungen (x, y) des Drehelements ( 2 ) umfas st, die Frequenzen in der Nähe einer Filterfrequenz aufweisen, die in einem vorbestimmten Verhältnis zur Drehfrequenz ( f) steht, - dass die Regeleinrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist, dass von ihr anhand des Frequenzanteils gemäß einem Frequenzre¬ gelschema Frequenzsteuersignale (Fx, Fy) ermittelbar sind,
- dass die Regeleinrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist, dass von ihr anhand der Differenz der Radialauslenkungen (x, y) des Drehelements (2 ) und des Frequenzanteils ein Restanteil und anhand des Restanteils gemäß einem Restregelschema Reststeuersignale (Rx, Ry) ermittelbar sind, und
- dass die Regeleinrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist, dass von ihr die Steuersignale (Sx, Sy) für die Magnetlagerung ( 3 ) durch Summieren der Frequenz steuersignale (Fx, Fy) und der Reststeuersignale (Rx, Ry) ermittelbar sind.
15. Einrichtung nach Anspruch 14 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s mittels der Erfas sungsein¬ richtung ( 8 ) zusammen mit der Drehfrequenz ( f ) auch eine momentane Drehstellung des Drehelements ( 2 ) erfas sbar und der Regeleinrichtung ( 9 ) zuführbar ist .
16. Einrichtung nach Anspruch 15 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Erfas sungseinrichtung
( 8 ) einen Impulsgeber ( 10 ) aufweist , der bei vorbestimmten Drehstellungen des Drehelements ( 2 ) jeweils einen Triggerimpuls (P ) erzeugt und an die Regeleinrichtung ( 9 ) übermittelt .
17. Einrichtung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Impulsgeber (10) pro Um- drehung des Drehelements ( 2 ) bei genau einer Drehstellung ei¬ nen Triggerimpuls (P ) erzeugt und an die Regeleinrichtung ( 9 ) übermittelt .
18. Einrichtung nach Anspruch 15 , 16 oder 17 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Regeleinrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist , das s sie die Frequenz steuersignale ( Sx, Sy) und/oder die Rest steuersignale (Rx, Ry) in Abhängig¬ keit von der zugeführten Drehstellung des Drehelements ( 2 ) ermittelt und an die Magnetlagerung ( 3 ) ausgibt .
19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Re¬ geleinrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist , das s sie das Fre¬ quenzregelschema in Abhängigkeit von der Drehfrequenz ( f) va- riiert .
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Regel¬ einrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist , das s sie die Fre- quenz steuersignale (Fx, Fy) derart ermittelt , das s die Magnet¬ lagerung ( 3 ) in der Nähe der Filterfrequenz eine negative dynami sche Stei figkeit ( S ) aufwei st .
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Regel¬ einrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist , das s sie das Restre¬ gels chema unabhängig von der Drehfrequenz ( f) beibehält .
22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Regel¬ einrichtung ( 9 ) derart ausgebildet ist , das s sie die Rest¬ steuersignale (Rx, Ry) derart ermittelt , das s die Magnetlage- rung ( 3 ) den Radialaus lenkungen (x, y) des Drehelements ( 2 ) entgegenwirkt .
23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie bei ei- ner Resonanzfrequenz ( fR) betreibbar ist, bei der das Drehelement ( 2 ) resonant wäre, wenn die Regeleinrichtung ( 9 ) derart ausgebildet wäre, dass sie die Steuersignale ( Sx, Sy) in ihrer Gesamtheit gemäß dem Restregelschema ermittelte, und dass die Regeleinrichtung ( 9 ) die Frequenzsteuersignale (Fx, Fy) derart ermittelt, dass das Drehelement (2 ) bei der Reso¬ nanz frequenz ( fR) nicht resonant ist .
24. Einrichtung nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Drehelement (2) in einem Drehfrequenzbereich drehzahlregelbar ist und das s der Drehfrequenzbereich die Resonanz frequenz ( fR) enthält .
25. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 24 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Filter- frequenz ein ganz zahliges Vielfaches der halben Drehfrequenz ( f) ist .
26. Einrichtung nach Anspruch 25 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Filterfrequenz ein ganz- zahliges Viel faches der Drehfrequenz ( f) ist .
27. Einrichtung nach Anspruch 26, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass die Filterfrequenz gleich der Drehfrequenz (f) ist.
28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 27, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie als e- lektrische Maschine, Turbine oder Kompressor ausgebildet ist.
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