EP2705264A1 - Magnetlager mit drehfeld und verfahren - Google Patents

Magnetlager mit drehfeld und verfahren

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Publication number
EP2705264A1
EP2705264A1 EP12725694.9A EP12725694A EP2705264A1 EP 2705264 A1 EP2705264 A1 EP 2705264A1 EP 12725694 A EP12725694 A EP 12725694A EP 2705264 A1 EP2705264 A1 EP 2705264A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
stator
electromagnets
magnetic bearing
magnetic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12725694.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Bittner
Markus HÖSLE
Hilmar Konrad
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 EP2705264A1 publication Critical patent/EP2705264A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F16C32/0459—Details of the magnetic circuit
    • F16C32/0461—Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit
    • F16C32/0463—Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit with electromagnetic bias, e.g. by extra bias windings
    • 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
    • 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
    • F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/048—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of two degrees of freedom, e.g. radial magnetic bearings

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic bearing with a stator having electromagnets, a rotor rotating at a speed in or around the stator, and a control device for driving the electromagnets of the stator such that the rotor in or is magnetically supported on the stator.
  • Reference DE 23 58 527 AI referenced The active magnetic bearing presented there is equipped with a rotary drive consisting of stator and rotor with an air gap monitored by sensors. A rotating field generated by stator windings by three-phase current supply is superimposed on a control field generated by windings in the stator by the output currents of amplifiers.
  • document EP 2 148 104 A1 discloses a magnetic radial bearing which has circumferentially distributed electromagnets.
  • the electromagnets each have a common coil for generating a Vormagneti ⁇ tion and a magnetic, multi-phase rotating field.
  • First and second halves of the coils are each connected together in a neutral point. Both star points to close at ⁇ to a DC power supply to Vormagnetleiterserregung provided.
  • the remaining coil ends are provided for parallel connection to a corresponding multi-phase three-phase controller for rotating field excitation.
  • the known magnetic bearings have in common that the associated multipolar magnetic field is fixed with respect to the circumferential direction.
  • this bias field can be superimposed by a magneti ⁇ cal rotating field, which is generated by a corre ⁇ sponding phase-shifted energization of the three-phase winding.
  • the result is a magnetic two-pole field wave, which can be rotated accordingly with respect to the circumferential direction for position control.
  • the magnetic bearing is provided, for example, for mounting a rotor / rotor of an electrical machine (in particular a motor or generator), then, at high rotational speeds of the rotor of the electric machine, strong eddy currents are induced in the rotor shaft end by the magnetic bearing. The reason for this is the high relative speed between the fixed bias and the quasi-stationary magnetic rotating field.
  • FIG. 1 shows an example of a relative attractive force F A / FAmax a linear eddy current brake of a ICE 3.
  • the tightening force is the magnetic force that pulls the train by which we ⁇ belstrombremse down to the rail.
  • F A corresponds to the current, speed-dependent tightening force and FAmax to the maximum tightening force. From curve 1 it can be seen that the tightening force decreases significantly with increasing speed.
  • the relative braking force F B / F B max is gra ⁇ fish shown with the curve. 2
  • F B means the speed-dependent braking force
  • F Bmax the maximum braking force.
  • the relative braking force initially increases significantly up to a speed of approx. 70 km / h and then drops off slowly.
  • the graph illustrates that a vortex ⁇ power brake only at a certain speed maxima- unfolds le effect, but it also shows that at high Re ⁇ lativ Supremeen the braking force and the attractive force subsides.
  • radial magnetic bearings as mentioned, strong eddy currents occur at the rotating rotor element, eg at the shaft end. To reduce these losses and the related, significant heat input to the shaft end, for example, the shaft end is axially to ⁇ long blecht annular loading.
  • the object of the present invention is to decorate the eddy current losses in a radial magnetic bearings to redu ⁇ . It is intended to provide a corresponding magnetic bearing and a method for magnetic bearings.
  • control device for controlling the electromagnets of the stator such that the rotor is magnetically mounted in or on the stator,
  • the electromagnets of the stator are controllable with the control device such that a magnetic field generated by them with a substantially same speed rotates as the rotor.
  • the invention provides a method for magnetically supporting a rotor in a stator which has electromagnets, wherein
  • the electromagnets are controlled so that a magnetic field generated by them rotates at substantially the same speed as the rotor.
  • the magnetic field generated by the electromagnets of the stator rotates at the same speed like the rotor.
  • the rotor less severe or no eddy currents induced ⁇ to. Consequently, fewer losses occur and the rotor element or shaft end is heated less.
  • the magnetic bearing may have a rotary encoder with which the rotational speed of the rotor can be determined for the control device.
  • the speed of the rotating magnetic field can be controlled so that it corresponds to the speed of the rotor.
  • the magnetic bearing can also have a measuring device in order to measure a magnetic coupling value between the stator and the rotor, with the aid of which a relative speed between stator and rotor can be reduced with the control device.
  • a measuring device in order to measure a magnetic coupling value between the stator and the rotor, with the aid of which a relative speed between stator and rotor can be reduced with the control device.
  • the rotor may be made serrated, so that on the surface of the rotor cooling channels exist. This has the advantage that the rotor or the Rotorele ⁇ ment can be better cooled against a rotor with a smooth surface.
  • the teeth with axially extending teeth is possible because no or only small eddy currents are induced in the rotor.
  • the coils of the electromagnets of the Sta ⁇ tors can be connected to at least one star point, and the at least one star point may be fed back for control of a Posi ⁇ tion of the rotor to the controller.
  • some of the electromagnets of the stator to compensate for the weight force of the rotor and other of the electromagnets of the stator to the positi ⁇ tioning of the rotor can be used. This makes it possible to design the electric magnets or their control for the positioning of the rotor regardless of the weight.
  • the second power converter has a higher crizgenauig ⁇ speed than that first power converter.
  • the magnetic bearing may also be equipped with a backup bearing, with which the rotor is mechanically centered in or on the stator.
  • a backup bearing with which the rotor is mechanically centered in or on the stator.
  • Such a fishing camp is realized for example as a loose ball or plain bearings. It ensures storage of the rotor even in the event of power failures or failures of the controller.
  • the magnetic field of the electromagnets of the magnetic bearing acts on the rotor over its entire circumference.
  • the magnetic ⁇ camp is also carried out in segments, while only seg ⁇ ment as applied to the rotor.
  • a magnetic field at the entire circumference has the advantage that the rotor can be mounted more precisely.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram for the control of a
  • the cross section of FIG. 2 exemplifies a magnetic radial bearing.
  • the stator 3 is designed, for example, as a rotary field machine stator and is preferably made of a laminated core with a plurality of dynamo laminations arranged axially one after the other to reduce the eddy current losses occurring during operation of the magnetic bearing.
  • the magnetic radial bearing shown has, by way of example, twelve stator slots 4, into which, for example, a three-phase stator winding with the coils L1U, L2U, L1V, L2V, L1W and L2W is introduced, which are assigned to the phases U, V and W.
  • stator ⁇ winding and three-phase winding is meant that two or more phase conductors of a coil can be introduced together with other Pha ⁇ senstrnature in a common groove.
  • stator 5 Between the grooves 4 are only schematically drawn stator 5. If appropriate, this At the center of the magnetic bearing is the rotor 6, for example a rotor shaft which rotates at an angular velocity (axis around the axis 7 of the magnetic bearing between the rotor 6 and the inside of the magnetic bearing
  • Stators 3 is an air gap 8. This is in magnetic storage typically about 0.3 mm to 0.5 mm. In the air gap 8 are here symbolically the poles of the stator 3 drawn. On the periphery to the north poles N and south pole S ⁇ alternate.
  • the rotating field has an angular velocity ⁇ > Dr ehfeic the roughly the angular velocity G) W eiie of the rotor 6 and the shaft corresponds to what will be explained in more detail below.
  • FIG 3 shows an example of a drive circuit for the magnetic radial bearing.
  • a three-phase controller 10 in the form of an inverter and on the right side of the connected magnetic radial bearing 9 Darge ⁇ represents.
  • the rotary current controller 10 serving as a control device is a converter with an input-side intermediate circuit 11 and a downstream inverter unit 12 in a so-called full-bridge circuit. This has typically clocked in controllable switching means 14, in particular power transistors and freewheeling diodes ⁇ 15.
  • an intermediate circuit capacitor 13 is provided for testing an input side DC input voltage Ue.
  • the outputs of the alternating Judge means 12 connected to corresponding phase terminals 91, 92, 93 of the radial bearing 9. This Phasenan ⁇ connections are in turn connected to the coils L1U, L2U; L1V, L2V; L1W, L2W connected.
  • a bias current is provided iO. This is fed via bias connections 94, 95 in the radial bearing 9 ⁇ .
  • the intermediate circuit 11 has the function of the DC power supply to excite the bias in the magnetic radial bearing 9.
  • the intermediate circuit 11 is preceded by a rectifier unit 16, for example, which consists of an input AC voltage Un, such as. B. a mains voltage of 230 V, a rectified input DC voltage Ue for the intermediate circuit 11 provides.
  • the input AC voltage Un is provided at Netzanschlüs ⁇ sen 18, 19th
  • the DC power supply here has a clocked switching means 17, in particular a chopper, for setting the bias current iO.
  • the switching means 17, a freewheeling diode 15 is connected in parallel.
  • the aim of the present invention is to reduce the eddy current losses in the radial magnetic bearing.
  • the magnetic rotating field is synchronized with the rotational speed of the rotor shaft 6, ie G)
  • D rehfeici is (approximately) equal (Oweiie ⁇
  • the three-phase winding L1U to L2W is energized so that - viewed from an observer on the rotor shaft end - itself do not change the position of the magnetic poles forming on the inside of the magnetic bearing pedestal, the relative speed between the rotor shaft 6 and the rotating magnetic field is then zero. This also no eddy currents in the shaft end are indu ⁇ ed.
  • a rotary encoder signal of the rotor shaft 6 or a dependent on the relative speed Magneti ⁇ shear coupling value of the three-phase winding can be used.
  • the rotor element (eg the supported shaft) of the magnetic bearing can be serrated, which has the advantage of reducing the inertia of the rotor due to the reduced use of material
  • a particular advantage resides in the fact that grooves are formed by the teeth which form cooling channels for cooling the magnetic bearing and / or the magnetically mounted electric machine.
  • FIG. 3 it is shown that the star points Sl and S2 are fed back to the three-phase controller 10 asymmetrically.
  • the corresponding asymmetries can be regulated by means of the switching means 17 (eg switchable power semiconductors). Due to the feedback of one or both star points, asymmetries can be used for position control.
  • a synchronous machine can then be operated both as a magnetic bearing and as a motor.
  • a magnet bearing is designed such that a first number of windings is provided for forming a magnetic field, which receives, for example, weight forces of the gelager ⁇ th wave.
  • a second number of windings is provided for central positioning of the rotor.
  • a control loop can be formed, which ensures that the rotor is held in a central position.
  • a first power converter is provided for the first number of windings and a second power converter for the second number of windings, wherein the second power converter has a higher crizgenauig ⁇ speed than the first power converter. This makes it possible to realize a very exact positioning of the shaft in the magnetic bearing.
  • a backup bearing can be used as a means of centering.
  • the safety bearing does not have to carry the entire load in rated operation, but is responsible only for a central orientation of the rotor especially in power outages.
  • the magnetic field is thus advantageously synchronized with a Drehgeschwin ⁇ speed of the shaft, so that the formation of eddy currents is counteracted.
  • the magnetic field may also be stationary (eg, temporarily) if the eddy current losses due to low rotational speeds of the shaft are not too great.
  • the magnetic field (rotating field) is synchroni ⁇ Siert not exactly on the rotational speed of the shaft, are already apparent from the small speed difference between the rotating field and shaft speed lower eddy current losses.
  • a magnetic field acts on this shaft in an entire circumferential direction of the shaft.
  • the magnetic field acts only in at least one segment section of the Circumference to the shaft.
  • the magnetic bearing pulls the rotor only with a segment upwards.

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Abstract

Wirbelstromverluste bei einem radialen Magnetlager sollen reduziert werden. Dazu wird ein Magnetlager mit einem Ständer (3), der Elektromagnete aufweist, einem Rotor (6), der sich mit einer Drehzahl in oder um den Ständer (3) dreht, und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Elektromagnete des Ständers (3) derart, dass der Rotor (6) im oder am Ständer magnetisch gelagert ist, vorgeschlagen. Die Elektromagnete des Ständers (3) sind mit der Steuereinrichtung insbesondere so ansteuerbar, dass sich ein von ihnen erzeugtes Magnetfeld mit einer im Wesentlichen gleichen Drehzahl dreht wie der Rotor (6).

Description

Beschreibung
Magnetlager mit Drehfeld und Verfahren Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetlager mit einem Ständer, der Elektromagnete aufweist, einem Rotor, der sich mit einer Drehzahl in oder um den Ständer dreht, und einer Steuereinrichtung zum Ansteuern der Elektromagnete des Ständers derart, dass der Rotor im oder am Ständer magnetisch ge- lagert ist.
Bei herkömmlichen, radialen Magnetlagern, die keine permanenterregte Vormagnetisierung aufweisen, ist die Verwendung einer Drehstromwicklung zur Erzeugung einer stationären Vor- magnetisierung bekannt. Hierzu sei beispielsweise auf die
Druckschrift DE 23 58 527 AI verwiesen. Das dort vorgestellte aktive magnetische Lager ist mit einem Drehantrieb, bestehend aus Ständer und Rotor mit einem von Sensoren überwachten Luftspalt, ausgestattet. Einem von Ständerwicklungen durch Speisung mit Drehstrom erzeugten Drehfeld ist ein Steuerfeld überlagert, das von Wicklungen im Ständer durch die Ausgangsströme von Verstärkern erzeugt wird.
Darüber hinaus offenbart die Druckschrift EP 2 148 104 AI ein magnetisches Radiallager, das in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Elektromagnete aufweist. Die Elektromagnete weisen jeweils eine gemeinsame Spule zur Erzeugung einer Vormagneti¬ sierung und eines magnetischen, mehrphasigen Drehfelds auf. Erste und zweite Hälften der Spulen sind jeweils in einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Beide Sternpunkte sind zum An¬ schließen an eine Gleichstromversorgung zur Vormagnetisierungserregung vorgesehen. Die verbleibenden Spulenenden sind zum parallelen Anschließen an einem entsprechenden mehrphasigen Drehstromsteller zur Drehfelderregung vorgesehen.
Den bekannten Magnetlagern ist gemeinsam, dass das zugehörige, mehrpolige, magnetische Feld in Bezug auf die Umfangs- richtung feststeht. Für eine Positionierung des Rotors im Ständer kann dieses Vormagnetisierungsfeld durch ein magneti¬ sches Drehfeld überlagert werden, welches durch eine entspre¬ chende phasenverschobene Bestromung der Drehstromwicklung erzeugt wird. Es resultiert eine magnetische zweipolige Feld- welle, die in Bezug auf die Umfangsrichtung zur Lageregelung entsprechend verdreht werden kann.
Ein Problem bei Magnetlagern besteht darin, dass in einem schnell drehenden Rotorelement, das in oder von dem Magnetla- ger gelagert wird, starke Wirbelströme induziert werden. Da¬ durch werden Verluste erhöht und es kommt zu einer Erwärmung des Rotorelements.
Ist das Magnetlager beispielsweise zur Lagerung eines Ro- tors/Läufers einer elektrischen Maschine (insbesondere Motor oder Generator) vorgesehen, so werden bei hohen Drehzahlen des Rotors der elektrischen Maschine durch die magnetische Lagerung derselben starke Wirbelströme in das Rotorwellenende induziert. Ursache hierfür ist die hohe Relativgeschwindig- keit zwischen der feststehenden Vormagnetisierung und dem quasi feststehenden magnetischen Drehfeld.
FIG 1 zeigt beispielhaft eine relative Anzugskraft FA/FAmax einer linearen Wirbelstrombremse eines ICE 3. Die Anzugskraft ist diejenige magnetische Kraft, die den Zug durch die Wir¬ belstrombremse nach unten zur Schiene zieht. Dabei entspricht FA der aktuellen, geschwindigkeitsabhängigen Anzugskraft und FAmax der maximalen Anzugskraft. Aus Kurve 1 ist zu erkennen, dass die Anzugskraft mit steigender Geschwindigkeit deutlich abnimmt.
In FIG 1 ist außerdem die relative Bremskraft FB/FBmax gra¬ fisch mit der Kurve 2 dargestellt. Dabei bedeutet wiederum FB die geschwindigkeitsabhängige Bremskraft und FBmax die maxima- le Bremskraft. Die relative Bremskraft steigt zunächst bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/h deutlich an und fällt dann langsam ab. Die Grafik verdeutlicht, dass eine Wirbel¬ strombremse erst bei einer bestimmten Geschwindigkeit maxima- le Wirkung entfaltet, sie zeigt aber auch, dass bei hohen Re¬ lativgeschwindigkeiten die Bremskraft und die Anzugskraft nachlässt . Bei radialen Magnetlagern kommt es, wie erwähnt, zu starken Wirbelströmen am drehenden Rotorelement, z.B. am Wellenende. Zur Verringerung dieser Verluste und des damit verbundenen, nicht unerheblichen Wärmeeintrags in das Wellenende wird bis¬ lang beispielsweise das Wellenende axial, ringförmig be- blecht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Wirbelstromverluste bei einem radialen Magnetlager zu redu¬ zieren. Es soll ein entsprechendes Magnetlager und ein Ver- fahren zum magnetischen Lagern bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Magnetla¬ ger mit
einem Ständer, der Elektromagnete aufweist,
- einem Rotor, der sich mit einer Drehzahl in oder um den Ständer dreht, und
einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Elektromagnete des Ständers derart, dass der Rotor im oder am Ständer magnetisch gelagert ist, wobei
- die Elektromagnete des Ständers mit der Steuereinrichtung derart ansteuerbar sind, dass sich ein von ihnen erzeugtes Magnetfeld mit einer im Wesentlichen gleichen Drehzahl dreht wie der Rotor. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Ver¬ fahren zum magnetischen Lagern eines Rotors in einem Ständer, der Elektromagnete aufweist, wobei
die Elektromagnete so angesteuert werden, dass sich ein von ihnen erzeugtes Magnetfeld im Wesentlichen mit der gleichen Drehzahl dreht wie der Rotor.
In vorteilhafter Weise dreht sich das von den Elektromagneten des Ständers erzeugte Magnetfeld mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor. D.h. die Drehzahl von Drehfeld und Rotor sind synchronisiert. Dies hat zur Folge, dass in dem Rotor weniger starke beziehungsweise keine Wirbelströme mehr induziert wer¬ den. Folglich entstehen weniger Verluste und das Rotorelement bzw. Wellenende wird weniger erwärmt.
In einer Ausführungsform kann das Magnetlager einen Drehgeber aufweisen, mit dem für die Steuereinrichtung die Drehzahl des Rotors ermittelbar ist. Damit lässt sich die Drehzahl des magnetischen Drehfelds so steuern, dass sie der Drehzahl des Rotors entspricht.
Alternativ kann das Magnetlager auch eine Messeinrichtung aufweisen, um einen magnetischen Kopplungswert zwischen Stän- der und Rotor zu messen, anhand dessen mit der Steuereinrichtung eine Relativgeschwindigkeit zwischen Ständer und Rotor reduzierbar ist. Damit ist es nicht notwendig, dass die Dreh¬ zahl des Rotors explizit bekannt ist. Vielmehr wird die Rela¬ tivgeschwindigkeit zwischen Drehfeld und Rotor dazu genutzt, um die Drehgeschwindigkeit des Drehfelds entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Rotors zu regeln.
In einer Ausführungsform kann der Rotor gezahnt ausgeführt sein, sodass an der Oberfläche des Rotors Kühlkanäle beste- hen. Dies hat den Vorteil, dass der Rotor bzw. das Rotorele¬ ment besser gekühlt werden kann gegenüber einem Rotor mit glatter Oberfläche. Die Zahnung mit axial verlaufenden Zähnen ist möglich, da im Rotor keine oder nur geringe Wirbelströme induziert werden.
Darüber hinaus können die Spulen der Elektromagnete des Sta¬ tors an mindestens einem Sternpunkt verschaltet sein, und der mindestens eine Sternpunkt kann für eine Regelung einer Posi¬ tion des Rotors an die Steuereinrichtung zurückgekoppelt sein. Damit können eventuelle Unsymmetrien des Magnetlagers für eine Antriebs- oder Bremsfunktion ausgenutzt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können einige der Elekt- romagnete des Ständers zur Kompensation der Gewichtskraft des Rotors und andere der Elektromagnete des Ständers zur Positi¬ onierung des Rotors dienen. Damit ist es möglich, die Elekt- romagnete bzw. deren Steuerung für die Positionierung des Rotors unabhängig von der Gewichtskraft zu gestalten.
Insbesondere ist es möglich, die Elektromagnete des Ständers für die Kompensation der Gewichtskraft an einen ersten Strom- richter und die Elektromagnete des Ständers für die Positio¬ nierung des Rotors an einen zweiten Stromrichter anzuschließen, wobei der zweite Stromrichter eine höhere Regelgenauig¬ keit besitzt als der erste Stromrichter. Dies hat den Vor¬ teil, dass für die Kompensation der Gewichtskraft ein einfa- cherer Stromrichter eingesetzt werden kann, wohingegen für die Positionierung des Rotors ein sehr präzise geregelter Stromrichter eingesetzt werden kann. Letzterer sorgt dann beispielsweise bei elektrischen Maschinen für geringe Luft¬ spalttoleranzen.
Das Magnetlager kann auch mit einem Fanglager ausgestattet sein, mit dem der Rotor in oder an dem Stator mechanisch zentrierbar ist. Ein derartiges Fanglager ist beispielsweise als lockeres Kugel- oder Gleitlager realisiert. Es stellt ei- ne Lagerung des Rotors auch bei Stromausfällen oder Ausfällen der Steuerung sicher.
In einer weiteren Ausführungsform wirkt das Magnetfeld der Elektromagnete des Magnetlagers am gesamten Umfang auf den Rotor. Prinzipiell ist es aber auch möglich, dass das Magnet¬ lager auch nur segmentartig ausgeführt ist und dabei nur seg¬ mentweise auf den Rotor wirkt. Ein Magnetfeld am gesamten Um¬ fang hat aber den Vorteil, dass der Rotor präziser gelagert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen: FIG 1 Kennlinien der Anzugskraft und der Bremskraft einer linearen Wirbelstrombremse;
FIG 2 einen Querschnitt durch ein radiales Magnetlager mit erfindungsgemäßem Drehfeld und
FIG 3 ein Schaltungsdiagramm für die Ansteuerung eines
Magnetlagers .
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin- dung dar.
Der Querschnitt von FIG 2 gibt beispielhaft ein magnetisches Radiallager wieder. Der Stator 3 ist beispielsweise als Dreh- feldmaschinenstator ausgebildet und ist vorzugsweise aus ei- nem Blechpaket mit einer Vielzahl von axial hintereinander angeordneten Dynamoblechen zur Reduzierung der beim Betrieb des Magnetlagers auftretenden Wirbelstromverluste gefertigt. Das gezeigte magnetische Radiallager weist beispielhaft zwölf Statornuten 4 auf, in welche eine beispielsweise dreiphasige Statorwicklung mit den Spulen L1U, L2U, L1V, L2V, L1W und L2W eingebracht ist, welche den Phasen U, V und W zugeordnet sind .
Die Bewicklung der Nuten 4 erfolgt zum Einstellen einer Pol- paarzahl p beispielsweise gesehnt. Mit „gesehnter" Stator¬ wicklung bzw. Drehstromwicklung ist gemeint, dass zwei oder mehrere Phasenstränge einer Spule zusammen mit anderen Pha¬ sensträngen in einer gemeinsamen Nut eingebracht sein können. Zwischen den Nuten 4 befinden sich die nur schematisch eingezeichneten Statorzähne 5. Gegebenenfalls sind diese auch mit Permanentmagneten versehen. Im Zentrum des Magnetlagers befindet sich der Rotor 6, z. B. eine Rotorwelle. Diese dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit (Oweiie um die Achse 7 des Magnetlagers. Zwischen dem Rotor 6 und der Innenseite des
Stators 3 befindet sich ein Luftspalt 8. Dieser beträgt bei magnetischer Lagerung typischerweise ca. 0,3 mm bis 0,5 mm. In dem Luftspalt 8 sind hier symbolisch die Pole des Stators 3 eingezeichnet. Am Umfang wechseln sich Nordpole N und Süd¬ pole S ab.
Das magnetische Radiallager weist beispielsweise eine drei- phasige Drehstromwicklung mit einer Lochzahl q = 2/5 auf.
Diese resultiert aus der Anzahl der Nuten pro Pol und Strang.
Für eine Vormagnetisierung des Magnetlagers werden beispiels¬ weise zwölf Permanentmagnete verwendet, welche ein Permanent- magnetfeld mit einer Polpaarzahl pvormag von sechs erzeugen.
Die Vormagnetisierung ist statisch, d.h. oVOrmag = 0. Die drei¬ phasige Drehstromwicklung mit gesehnter Verteilung der jeweiligen Phasenstränge LU, LV, LW besitzt beispielsweise eine Polpaarzahl Pürehfeici = 5. Das Drehfeld besitzt eine Winkelge- schwindigkeit <>Drehfeic die in etwa der Winkelgeschwindigkeit G)Weiie des Rotors 6 bzw. der Welle entspricht, was unten näher erläutert werden wird. Bei einer dreiphasigen Erregung der Drehstromwicklung mittels eines dreiphasigen Drehstromstellers wird somit ein in seiner Drehrichtung um die Drehachse 7 drehbares, zehnpoliges Magnetfeld erzeugt.
FIG 3 zeigt ein Beispiel einer Ansteuerschaltung für das magnetische Radiallager. Im linken Teil von FIG 3 ist ein Drehstromsteller 10 in Form eines Umrichters und auf der rechten Seite das angeschlossene magnetische Radiallager 9 darge¬ stellt. In dieser schaltungstechnischen Darstellung ist auch die Verschaltung der sechs Spulen L1U, L2U; L1V, L2V; L1W, L2W in zwei Sternpunkten Sl, S2 zu erkennen. Im vorliegenden Beispiel ist der als Steuereinrichtung dienende Drehstromsteller 10 ein Umrichter mit einem eingangs- seitigen Zwischenkreis 11 und einer nachgeschalteten Wechselrichtereinheit 12 in einer so genannten Vollbrückenschaltung . Diese besitzt in üblicherweise getaktet ansteuerbare Schalt- mittel 14, insbesondere Leistungstransistoren, und Freilauf¬ dioden 15. Zur Prüfung einer eingangsseitig anliegenden Eingangsgleichspannung Ue ist ein Zwischenkreiskondensator 13 vorgesehen. In bekannter Weise sind die Ausgänge der Wechsel- richtereinrichtung 12 mit entsprechenden Phasenanschlüssen 91, 92, 93 des Radiallagers 9 verbunden. Diese Phasenan¬ schlüsse sind ihrerseits mit den Spulen L1U, L2U; L1V, L2V; L1W, L2W verbunden.
Von dem Zwischenkreis 11 des Drehstromstellers 10 wird ein Vormagnetisierungsstrom iO bereitgestellt. Dieser wird über Vormagnetisierungsanschlüsse 94, 95 in das Radiallager 9 ein¬ gespeist. Dies bedeutet, dass hier der Zwischenkreis 11 die Funktion der Gleichstromversorgung zur Erregung der Vormagnetisierung im magnetischen Radiallager 9 aufweist. Dem Zwischenkreis 11 ist beispielhaft eine Gleichrichtereinheit 16 vorgeschaltet, welche aus einer Eingangswechselspannung Un, wie z. B. einer Netzspannung von 230 V, eine gleichgerichtete Eingangsgleichspannung Ue für den Zwischenkreis 11 bereitstellt. Die Eingangswechselspannung Un wird an Netzanschlüs¬ sen 18, 19 bereitgestellt.
Die Gleichstromversorgung besitzt hier ein getaktetes Schalt- mittel 17, insbesondere einen Chopper, zum Einstellen des Vormagnetisierungsstroms iO. Dem Schaltmittel 17 ist eine Freilaufdiode 15 parallel geschaltet. Dadurch ist bei ent¬ sprechend getakteter Ansteuerung des Schaltmittels 17 ein faktisch stufenloser Vormagnetisierungsstrom iO einstellbar. Auf diese Weise können z. B. die Dämpfungseigenschaften des magnetischen Radiallagers eingestellt werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Wirbelstromverluste in dem radialen Magnetlager zu reduzieren. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß das magnetische Drehfeld mit der Drehzahl der Rotorwelle 6 synchronisiert, d.h. G)Drehfeici ist (etwa) gleich (Oweiie · Hierzu wird die Drehstromwicklung L1U bis L2W derart bestromt, dass - von einem Beobachter auf dem Rotorwellenende betrachtet - sich die an der Innenseite des Magnetlagerständers ausbildenden magnetischen Pole in ihrer Position nicht ändern. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Rotorwelle 6 und dem magnetischen Drehfeld beträgt dann null. Dadurch werden auch keine Wirbelströme im Wellenende indu¬ ziert .
Zur Synchronisation kann ein Drehgebersignal der Rotorwelle 6 oder ein von der Relativgeschwindigkeit abhängiger magneti¬ scher Kopplungswert der Drehstromwicklung herangezogen werden. Beispielsweise wird ein Induktionswert in den Spulen ge¬ messen, und für den Fall, dass dieser minimal ist, ist das Drehfeld mit der Welle synchronisiert.
Für den Fall, dass eine vollkommene Synchronisation der Drehzahl des Rotorelements mit der Drehfrequenz des Felds nicht realisierbar ist, ergeben sich auch dann Vorteile, wenn die Differenz zwischen Rotordrehzahl und „Felddrehzahl" reduziert wird, da dadurch auch die Wirbelströme reduziert werden. Ein Beleg dafür ist die Kennlinie 1 der Anzugskraft einer Wirbel¬ strombremse gemäß FIG 1.
Ist die „Felddrehzahl" des Magnetlagers mit der Rotordrehzahl synchronisiert, so kann das Rotorelement (z.B. die gelagerte Welle) des Magnetlagers gezahnt ausgeführt werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass dadurch die Trägheit des Rotors wegen des reduzierten Materialeinsatzes vermindert wird. Ein weiterer besonderer Vorteil liegt darin, dass durch die Zah- nung Nuten entstehen, die Kühlkanäle zur Kühlung des Magnetlagers und/oder der magnetisch gelagerten elektrischen Maschine bilden.
In FIG 3 ist dargestellt, dass die Sternpunkte Sl und S2 an den Drehstromsteller 10 unsymmetrisch rückgeführt sind. Die entsprechenden Unsymmetrien können mithilfe des Schaltmittels 17 (z.B. schaltbarer Leistungshalbleiter) geregelt werden. Durch die Rückführung eines oder beider Sternpunkte können Unsymmetrien zur Positionsregelung genutzt werden. Eine Syn- chronmaschine ist dann sowohl als Magnetlager wie auch als Motor betreibbar. Ein Magnetlager ist derart ausbildbar, dass eine erste Anzahl von Wicklungen zur Ausbildung eines magnetischen Felds vorgesehen ist, welches beispielsweise Gewichtskräfte der gelager¬ ten Welle aufnimmt. Eine zweite Anzahl von Wicklungen ist für eine mittige Positionierung des Rotors vorgesehen. Mit dieser zweiten Anzahl von Wicklungen kann ein Regelkreis ausgebildet werden, welcher gewährleistet, dass der Rotor in einer mittigen Position gehalten wird. Vorteilhaft ist ein erster Stromrichter für die erste Anzahl von Wicklungen vorgesehen und ein zweiter Stromrichter für die zweite Anzahl von Wicklungen, wobei der zweite Stromrichter eine höhere Regelgenauig¬ keit aufweist als der erste Stromrichter. Damit lässt sich eine sehr exakte Positionierung der Welle in dem Magnetlager realisieren .
In einer alternativen Ausgestaltung kann auch ein Fanglager als Mittel zur Zentrierung verwendet werden. Das Fanglager muss dabei im Nennbetrieb nicht mehr die gesamte Last tragen, sondern ist lediglich für eine mittige Ausrichtung des Rotors insbesondere auch bei Stromausfällen zuständig.
Das Magnetfeld ist also vorteilhaft mit einer Drehgeschwin¬ digkeit der Welle synchronisiert, sodass der Ausbildung von Wirbelströmen entgegengewirkt wird. Das Magnetfeld kann aber auch (z.B. zeitweise) stationär sein, falls die Wirbelstromverluste durch geringe Drehgeschwindigkeiten der Welle nicht zu groß sind. Für den Fall, dass das Magnetfeld (Drehfeld) nicht exakt auf die Drehgeschwindigkeit der Welle synchroni¬ siert ist, ergeben sich bereits aus der geringen Differenz- drehzahl zwischen Drehfeld und Wellendrehzahl geringere Wirbelstromverluste .
In einer Ausgestaltung des Magnetlagers wirkt ein Magnetfeld in einer gesamten Umfangsrichtung der Welle auf diese Welle.
Bei einer alternativen Ausgestaltung des Magnetlagers wirkt das Magnetfeld nur in zumindest einem Segmentabschnitt des Umfangs auf die Welle. Beispielsweise zieht das Magnetlager den Rotor nur mit einem Segment nach oben.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetlager (9) mit
einem Ständer (3) , der Elektromagnete aufweist,
- einem Rotor (6), der sich mit einer Drehzahl in oder um den Ständer (3) dreht, und
einer Steuereinrichtung (10) zur Ansteuerung der Elektromagnete des Ständers (3) derart, dass der Rotor (6) im oder am Ständer (3) magnetisch gelagert ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Elektromagnete des Ständers (3) mit der Steuereinrich¬ tung (10) derart ansteuerbar sind, dass sich ein von ihnen erzeugtes Magnetfeld mit einer im Wesentlichen gleichen Drehzahl dreht wie der Rotor (6) .
2. Magnetlager nach Anspruch 1, das einen Drehgeber aufweist, mit dem für die Steuereinrichtung (10) die Drehzahl des Rotors (6) ermittelbar ist.
3. Magnetlager nach Anspruch 1, das eine Messeinrichtung aufweist zum Messen eines magnetischen Kopplungswerts zwischen Ständer (3) und Rotor (6), anhand dessen mit der Steuereinrichtung (10) eine Relativgeschwindigkeit zwischen Ständer und Rotor reduzierbar ist.
4. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (6) gezahnt ausgeführt ist, sodass an der Oberflä¬ che des Rotors Kühlkanäle bestehen.
5. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Spulen der Elektromagnete des Stators (3) an einem Sternpunkt (S1,S2) verschaltet sind, und der Sternpunkt für eine Rege¬ lung einer Position des Rotors (6) an die Steuereinrichtung (10) zurückgekoppelt ist.
6. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einige der Elektromagnete des Ständers zur Kompensation der Gewichtskraft des Rotors und andere der Elektromagnete des Ständers zur Positionierung des Rotors dienen.
7. Magnetlager nach Anspruch 6, wobei die Elektromagnete des Ständers (3) für die Kompensation der Gewichtskraft an einen ersten Stromrichter und die Elektromagnete des Ständers für die Positionierung des Rotors an einen zweiten Stromrichter angeschlossen sind, wobei der zweite Stromrichter eine höhere Regelgenauigkeit besitzt als der erste Stromrichter.
8. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das mit ei¬ nem Fanglager ausgestattet ist, mit dem der Rotor (6) in oder an dem Stator (3) mechanisch zentriert ist.
9. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Magnetfeld am gesamten Umfang auf den Rotor (6) wirkt.
10. Verfahren zum magnetischen Lagern eines Rotors (6) in einem Ständer (3) , der Elektromagnete aufweist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Elektromagnete so angesteuert werden, dass sich ein von ihnen erzeugtes Magnetfeld im Wesentlichen mit der gleichen Drehzahl dreht wie der Rotor (6) .
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Rotor und der Ständer jeweils Teil eines Magnetlagers nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche sind.
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