NL1005344C2

NL1005344C2 - Driven magnetic bearing.

Info

Publication number: NL1005344C2
Application number: NL1005344A
Authority: NL
Inventors: Alexander Molenaar
Original assignee: Stichting Tech Wetenschapp
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 1998-08-24
Also published as: WO1998037335A1; AU6123498A

Description

Aangedreven magneetlagerDriven magnetic bearing

De uitvinding heeft betrekking op een aangedreven magneetlager omvattende een statordeel en een transleerbaar deel waarbij het statordeel en het transleerbaar deel van een magnetisch circuit deel uitmaken, het statordeel een juk 5 heeft dat voorzien is van ten minste een primaire draadwikke-ling voor elektrische stroom, en het transleerbare deel voorzien is van een secundaire draadwikkeling voor elektrische stroom zodat bij een stroomvoerende primaire en secundaire draadwikkeling het transleerbare deel een aandrijfkracht on-10 dervindt, en waarbij in het juk een permanente magneet is opgenomen dat met het transleerbare deel een eerste magnetisch circuit vormt, en de primaire draadwikkeling is voorzien op een deel van het juk dat met het transleerbare deel een ten dele van het eerste magnetische circuit gescheiden 15 tweede magnetisch circuit vormt, waarbij het eerste magnetische circuit en het tweede magnetische circuit het transleerbare deel althans gedeeltelijk gemeenschappelijk hebben.The invention relates to a driven magnetic bearing comprising a stator part and a translatable part, wherein the stator part and the translatable part form part of a magnetic circuit, the stator part has a yoke 5 provided with at least one primary wire winding for electric current, and the translatable part is provided with a secondary wire winding for electric current, so that in the current-carrying primary and secondary wire winding the translatable part undergoes a driving force, and in the yoke a permanent magnet is included which, with the translatable part, a first magnetic circuit and the primary wire winding is provided on a portion of the yoke which, with the translatable portion, forms a second magnetic circuit separated in part from the first magnetic circuit, the first magnetic circuit and the second magnetic circuit at least partially in common had and.

Een dergelijk aangedreven magneetlager is bekend uit het afstudeerwerk "A New Linear Active Magnetic Suspension 20 Configuration" (subtitel: "a permanent magnet biased non-coplanar circuit") van de auteur M.J.L. Sanders, gedateerd 14 januari 1997, betreffende een afstudeerwerk verricht aan de Technische Universiteit Delft, faculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek. In hoofdstuk 2 van dit werk worden 25 diverse magnetische lageringen welke uit de stand van de techniek bekend zijn, beschreven. Fig. 2.12 van deze publika-tie beschrijft een lineaire lagering waarin een transleerbaar deel tussen de poolschoenen van een stator is opgenomen, welke stator een eerste magnetisch circuit heeft en een tweede 30 magnetisch circuit, waarbij het eerste magnetische circuit gevoed wordt door permanente magneten en het tweede magnetische circuit gevoed wordt door elektromagneten.Such a driven magnetic bearing is known from the graduation work "A New Linear Active Magnetic Suspension 20 Configuration" (subtitle: "a permanent magnet biased non-coplanar circuit") by the author M.J.L. Sanders, dated January 14, 1997, concerning a graduation work performed at Delft University of Technology, Faculty of Mechanical and Maritime Technology. In chapter 2 of this work, various magnetic bearings known from the prior art are described. Fig. 2.12 of this publication describes a linear bearing in which a translatable portion is included between the pole shoes of a stator, the stator having a first magnetic circuit and a second magnetic circuit, the first magnetic circuit being fed by permanent magnets and the second magnetic circuit is powered by electromagnets.

In dit bekende aangedreven magneetlager leveren de permanente magneten, welke deel uitmaken van het eerste mag-35 netische circuit, een trekkracht welke wordt uitgeoefend op het transleerbare element zodanig dat deze krachten elkaarIn this known driven magnetic bearing, the permanent magnets, which are part of the first magnetic circuit, provide a tensile force which is exerted on the translatable element such that these forces mutually

100534 J100534 J

2 nagenoeg compenseren. Met de elektromagneten kan de positie en rotatie van het transleerbare element tussen de poolschoe-nen van het juk verder beïnvloed worden zodanig dat deze afhankelijk van de door het transleerbare element ingenomen 5 positie in meer of mindere mate bekrachtigd worden. Door deze variabele bekrachtiging vindt een continue aanpassing van het door de permanente magneten verschafte magneetveld plaats aan de bedrijfsomstandigheden, zodat het transleerbare element een zwevende maar gedefinieerde positie kan innemen tussen 10 de poolschoenen van het juk. Binnen het juk kan het transleerbare element dan verder in een tweede richting bewogen worden doordat dit transleerbare element voorzien is van een secundaire draadwikkeling welke door bekrachtiging in samenhang met het magneetveld onderworpen wordt aan Lorenz-krach-15 ten die als aandrijfkracht fungeren. Met deze bekende inrichting is een nauwkeurige positie-instelling van het transleerbare element mogelijk tot beneden 1 μπι. Het probleem van het bekende aangedreven magneetlager is echter dat de verplaat-singsmogelijkheden van het transleerbare element niet bij zon-20 der groot zijn doordat, zodra het transleerbare element buiten het bereik van de poolschoenen van het juk geraakt, het magnetische lager niet aan zijn functie kan voldoen. Bovendien is een probleem dat het juk zelf aan grote uitwijkingen van het transleerbare deel in de weg staat.2 almost compensate. With the electromagnets, the position and rotation of the translatable element between the pole shoes of the yoke can be further influenced such that they are energized to a greater or lesser extent depending on the position occupied by the translatable element. Due to this variable actuation, a continuous adaptation of the magnetic field provided by the permanent magnets to the operating conditions takes place, so that the translatable element can occupy a floating but defined position between the pole shoes of the yoke. Within the yoke, the translatable element can then be moved further in a second direction in that this translatable element is provided with a secondary wire winding which, by energizing in connection with the magnetic field, is subjected to Lorenz forces acting as driving force. With this known device, an accurate position adjustment of the translatable element is possible below 1 μπι. The problem of the known driven magnetic bearing is, however, that the displaceable possibilities of the translatable element are not particularly great because, as soon as the translatable element becomes out of reach of the pole shoes of the yoke, the magnetic bearing does not function can meet. Moreover, a problem is that the yoke itself gets in the way of large deflections of the translatable part.

25 Met de uitvinding wordt nu beoogd een aangedreven magnetisch lager van de in de aanhef beschreven soort te verschaffen, waarmee zeer grote translatiebewegingen mogelijk zijn.The object of the invention is now to provide a driven magnetic bearing of the type described in the preamble, with which very large translation movements are possible.

Daartoe wordt volgens de uitvinding het aangedreven 30 magneetlager erdoor gekenmerkt, dat het juk voorzien is van benen die in hoofdzaak liggen buiten het vlak van het trans-leerbare deel. Hiermee wordt voorkomen dat, zoals in het aangedreven magneetlager volgens de stand van de techniek het geval is, het transleerbare deel in zijn beweging gehinderd 35 wordt door deze jukdelen.To this end, according to the invention, the driven magnetic bearing is characterized in that the yoke is provided with legs which lie substantially outside the plane of the translatable part. This prevents the translatable part from being hindered in its movement by these yoke parts, as is the case in the driven magnetic bearing according to the prior art.

Wenselijk is daarbij dat het transleerbare deel altijd de benen van het juk kruist. Zodoende kan het lager op alle posities die het transleerbare deel kan innemen, functioneel zijn.It is desirable that the translatable part always crosses the legs of the yoke. Thus, the bearing can be functional at all positions the translatable part can take.

1005344 31005344 3

Het magneetlager kan zo zijn uitgevoerd dat de benen van het juk zich slechts boven het vlak van het transleerbare deel bevinden.The magnetic bearing can be designed in such a way that the legs of the yoke are only above the plane of the translatable part.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van het aangedreven 5 magneetlager volgens de uitvinding is er echter door gekenmerkt, dat het juk benen heeft die verdeeld zijn over een eerste vlak juist boven het vlak van het transleerbare deel, en een tweede vlak juist onder het vlak van het transleerbare deel. Dit heeft het voordeel dat de fluxdichtheid in het 10 transleerbare deel niet afhankelijk is van de positie die het transleerbare deel in haar vlak inneemt ten opzichte van het juk aangezien de totale luchtspleet, welke bepalend is voor deze fluxdichtheid, dan constant is en onafhankelijk van de positie van dit transleerbare deel in haar bewegingsvlak. Het 15 kracht-wegdiagram van het transleerbare deel voor verplaatsingen naar het eerste respectievelijk tweede vlak is daardoor rond haar instelpunt gelineariseerd, terwijl bij een enkelzijdig juk dit kracht-wegdiagram een kwadratisch karakter heeft.However, a preferred embodiment of the driven magnetic bearing according to the invention is characterized in that the yoke has legs distributed over a first plane just above the plane of the translatable part, and a second plane just below the plane of the translatable part. This has the advantage that the flux density in the translatable part does not depend on the position of the translatable part in its plane with respect to the yoke since the total air gap, which determines this flux density, is then constant and independent of the position of this translatable part in its plane of movement. The force-path diagram of the translatable part for displacements to the first and second planes is therefore linearized around its set point, while in a one-sided yoke this force-path diagram has a quadratic character.

20 Voorts wordt daarmee het voordeel verkregen dat de aandrijfkracht welke wordt uitgeoefend op het transleerbare deel, eveneens onafhankelijk is van de positie die dit inneemt ten opzichte van het juk. Hier wordt de reden gevormd door het constant zijn van de luchtspleet tussen het trans-25 leerbare deel en de onderscheiden benen van het juk.Furthermore, this provides the advantage that the driving force exerted on the translatable part is also independent of the position it occupies with respect to the yoke. Here, the reason is the constant air gap between the transducible part and the distinct legs of the yoke.

Hoewel de uitvinding goed toepasbaar is op een aangedreven magneetlager met een slechts in één richting transleerbaar deel, heeft het de voorkeur dat de benen van het juk in het eerste en het tweede vlak uit onder ten minste een 30 hoek ten opzichte van elkaar geplaatste delen bestaan, en het transleerbare deel de benen van het juk aan weerszijden van de ingesloten hoek kruist. Beweging van het transleerbare deel is daarmee in beginsel mogelijk in alle richtingen.Although the invention is well applicable to a driven magnetic bearing with a part translatable in one direction only, it is preferred that the legs of the yoke in the first and second faces consist of parts placed at least at an angle to each other , and the translatable portion intersects the legs of the yoke on either side of the included angle. In principle, movement of the translatable part is possible in all directions.

In een bepaald aspect van het aangedreven magneetla-35 ger volgens de uitvinding zijn de benen van het juk in het eerste vlak magnetisch gekoppeld zijn met de benen van het juk in het tweede vlak voor het vormen van het tweede magnetische circuit.In one aspect of the driven magnetic bearing according to the invention, the legs of the yoke in the first plane are magnetically coupled to the legs of the yoke in the second plane to form the second magnetic circuit.

1005344 41005344 4

Daarbij is wenselijk dat er voorzien is in zoveel primaire draadwikkelingen op jukdelen die de benen van het juk in het eerste vlak magnetisch koppelen met de benen van het juk in het tweede vlak, als er kruispunten zijn van het 5 transleerbare deel met de benen van het juk. Op deze wijze kan het transleerbare deel goed gepositioneerd worden tussen het eerste vlak waarin de boven het transleerbare deel aanwezige benen van het juk geplaatst zijn, en een tweede vlak waarin de benen zijn geplaatst welke liggen onder het transit) leerbare deel van het juk.In addition, it is desirable to provide as many primary wire windings on yoke parts that magnetically couple the legs of the yoke in the first plane with the legs of the yoke in the second plane, if there are intersections of the translatable part with the legs of the yoke. yoke. In this manner, the translatable portion can be properly positioned between the first face in which the legs of the yoke disposed above the translatable portion are positioned, and a second face in which the legs located below the transitable portion of the yoke are positioned.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin fig. 1 het aangedreven magneetlager volgens de stand van de techniek toont; 15 fig. 2 een eerste uitvoeringsvorm van het aangedre ven magneetlager volgens de uitvinding toont; en fig. 3 een tweede uitvoeringsvorm van het magneetlager volgens de uitvinding toont.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, in which Fig. 1 shows the driven magnetic bearing according to the prior art; Fig. 2 shows a first embodiment of the driven magnetic bearing according to the invention; and Fig. 3 shows a second embodiment of the magnetic bearing according to the invention.

Onderdelen met dezelfde functies zijn in de figuren 20 aangeduid met hetzelfde verwijzingscijfer.Parts with the same functions are indicated with the same reference numerals in Figures 20.

In het algemeen wordt in de figuren 1 t/m 3 met verwijzingscijfer 1 het aangedreven magneetlager aangeduid. Dit magneetlager 1 omvat een statordeel 2 en een transleerbaar deel 3, waarbij het statordeel 2 en het transleerbare deel 3 25 van een magnetisch circuit deel uitmaken.In general, reference numeral 1 denotes the driven magnetic bearing in Figures 1 to 3. This magnetic bearing 1 comprises a stator part 2 and a translatable part 3, the stator part 2 and the translatable part 3 being part of a magnetic circuit.

In fig. 1 is het aangedreven magneetlager volgens de stand van de techniek afgebeeld overeenkomstig met fig.In FIG. 1, the prior art driven magnetic bearing is shown in accordance with FIG.

2.12(b) op blz. 16 van hoofdstuk 2 van het afstudeerverslag "A New Linear Active Magnetic Suspension Configuration" dat 30 reeds boven is genoemd. Het statordeel 2 heeft een juk dat in het getoonde geval voorzien is van twee primaire draadwikkelingen 4 voor het voeren van een elektrische stroom. Hoewel niet getoond, is ook het transleerbare deel 3 voorzien van een in dit geval secundaire draadwikkeling voor het voeren 35 van elektrische stroom. In het juk 2 zijn voorts een tweetal permanente magneten 5 opgenomen, die te zamen met het trans-leerbare deel 3 een eerste magnetisch circuit vormen, dat schematisch is aangegeven met de pijlen 6. De beide primaire draadwikkelingen 4 zijn voorzien op een deel van het juk 2 1005344 5 dat met het transleerbare deel 3 een ten dele van het eerste magnetische circuit 6 gescheiden tweede magnetisch circuit 7 vormt. Het eerste magnetische circuit 6 en het tweede magnetische circuit 7 hebben daarbij het transleerbare deel 3 ge-5 deeltelijk gemeenschappelijk. Tot zover stemt de stand van de techniek, zoals getoond in fig. 1, overeen met het aangedreven magneetlager volgens de uitvinding zoals getoond in de fig. 2 en 3.2.12 (b) on page 16 of Chapter 2 of the graduation report "A New Linear Active Magnetic Suspension Configuration" already mentioned above. The stator part 2 has a yoke which in the shown case is provided with two primary wire windings 4 for carrying an electric current. Although not shown, the translatable part 3 is also provided with, in this case, a secondary wire winding for carrying electric current. In the yoke 2 are further included two permanent magnets 5, which together with the translatable part 3 form a first magnetic circuit, which is schematically indicated by the arrows 6. The two primary wire windings 4 are provided on a part of the yoke 2 1005344 5 which, with the translatable part 3, forms a second magnetic circuit 7 separated partly from the first magnetic circuit 6. The first magnetic circuit 6 and the second magnetic circuit 7 partly have the translatable part 3 in common. Thus far, the prior art, as shown in Fig. 1, corresponds to the driven magnetic bearing according to the invention as shown in Figs. 2 and 3.

Het aangedreven magneetlager volgens de uitvinding 10 heeft, zoals is getoond in de uitvoeringsvoorbeelden van fig. 2 en 3, een juk 2 dat voorzien is van benen die in hoofdzaak liggen buiten het vlak van het transleerbare deel 3. Daarbij kan, zoals in de getoonde uitvoeringsvormen, het juk benen hebben die verdeeld zijn over een eerste vlak juist boven het 15 vlak van het transleerbare deel 3, en een tweede vlak dat juist onder het vlak van het transleerbare deel 3 ligt. Met deze uitvoeringsvormen en met de voorziening dat het trans-leerbare deel 3 altijd de benen van het juk 2 kruist, zie de pijlen A en B in fig. 2 en de pijlen A, B en C in fig. 3, 20 wordt een permanente en goed verdeelde magnetische ophanging van het transleerbare deel 3 verschaft, hetgeen mogelijkheid biedt om deze als basiselement te gebruiken voor een op dit transleerbare deel 3 afgesteunde XY-tafel of XY0-tafel. Denkbaar zijn overigens andere uitvoeringsvormen waarbij het juk 25 bijvoorbeeld in hoofdzaak als een driehoek is gevormd, terwijl het transleerbare deel 3 de vorm van een Y is gegeven, maar verdere variaties zijn binnen het kader van de uitvinding ook mogelijk. De benen van het juk 2 in het eerste vlak, dat wil zeggen boven het vlak van het transleerbare deel 3, 30 zijn magnetisch gekoppeld met de benen van het juk in het tweede vlak, dat is het vlak onder het vlak van het trans-leerbare deel 3. De primaire draadwikkelingen 4 zijn daarbij voorzien op de jukdelen die de benen van het juk 2 in het eerste en het tweede vlak met elkaar verbinden. Deze primaire 35 draadwikkelingen 4 worden in afhankelijkheid van de door het transleerbare element 3 ingenomen verticale positie bekrachtigd zodanig dat het met de permanente magneten 5 opgewekte magneetveld wordt bijgestuurd en de positie van het transleerbare element 3 tussen het eerste en het tweede vlak zo 100534 6 goed mogelijk wordt gehandhaafd. Op het transleerbare deel 3 is verder ten minste een secundaire draadwikkeling 8 aanwezig, waarmede in samenhang met de magnetische veldlijnen welke door het transleerbare deel 3 verlopen, een aandrijfkracht 5 wordt verkregen zodat het deel 3 in de gewenste richtingen kan worden aangedreven en gepositioneerd. Alhoewel de secundaire draadwikkeling 8 in fig. 3 haaks is aangebracht op het transleerbare deel 3, is het binnen het kader van de uitvinding mogelijk om tevens een verdere secundaire draadwikkeling 10 8 onder een hoek of in de lengterichting van het transleerba re deel 3 te plaatsen. Hiermede kan worden voorzien in even-zovele aandrijf- en positioneerkrachten waarvan de richting overeenstemt met deze verdere secundaire draadwikkelingen 8.As shown in the exemplary embodiments of Figs. 2 and 3, the driven magnetic bearing according to the invention has a yoke 2 which is provided with legs which lie substantially outside the plane of the translatable part 3. In addition, as shown in the shown In embodiments, the yoke has legs distributed over a first plane just above the plane of the translatable part 3, and a second plane just below the plane of the translatable part 3. With these embodiments and with the provision that the translatable part 3 always crosses the legs of the yoke 2, see arrows A and B in Figure 2 and arrows A, B and C in Figures 3, 20 become a permanent and provides well-distributed magnetic suspension of the translatable part 3, which makes it possible to use it as a basic element for an XY table or XY0 table supported on this translatable part 3. Incidentally, other embodiments are conceivable in which, for example, the yoke 25 is substantially formed as a triangle, while the translatable part 3 is given the shape of a Y, but further variations are also possible within the scope of the invention. The legs of the yoke 2 in the first plane, i.e. above the plane of the translatable part 3, 30 are magnetically coupled to the legs of the yoke in the second plane, that is, the plane below the plane of the translatable part 3. The primary wire windings 4 are provided on the yoke parts which connect the legs of the yoke 2 in the first and the second plane. Depending on the vertical position occupied by the translatable element 3, these primary wire windings 4 are energized such that the magnetic field generated with the permanent magnets 5 is adjusted and the position of the translatable element 3 between the first and the second plane is thus correct. may be maintained. Furthermore, at least a secondary wire winding 8 is present on the translatable part 3, with which, in conjunction with the magnetic field lines extending through the translatable part 3, a driving force 5 is obtained so that the part 3 can be driven and positioned in the desired directions. Although the secondary wire winding 8 in Fig. 3 is arranged at right angles to the translatable part 3, it is within the scope of the invention to also place a further secondary wire winding 8 at an angle or in the longitudinal direction of the translatable part 3. . This can provide as many driving and positioning forces, the direction of which corresponds to these further secondary wire windings.

10053441005344

Claims

1. Driven magnetic bearing comprising a stator part and a translatable part, wherein the stator part and the translatable part are part of a magnetic circuit, the stator part has a yoke provided with at least one primary wire winding for electric current, and the translatable part is provided with a secondary wire winding for electric current, so that in the case of a current-carrying primary and secondary wire winding, the translatable part experiences a driving force, and in which a permanent magnet is incorporated in the yoke which forms a first magnetic circuit with the translatable part, and the primary wire winding is provided on a part of the yoke which with the translatable part forms a second magnetic circuit separated in part from the first magnetic circuit, the first magnetic circuit and the second magnetic circuit having at least partly in common the translatable part, characterized in that the yoke v is provided with legs which are substantially outside the plane of the translatable part.

Driven magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the yoke has legs distributed over a first plane just above the plane of the translatable part, and a second plane just below the plane of the translatable part.

Driven magnetic bearing according to claim 1 or 2, characterized in that the translatable part always crosses the legs of the yoke.

Driven magnetic bearing according to any one of claims 1-3, characterized in that the legs of the yoke in the first and the second plane consist of parts placed at least at an angle to each other, and the translatable part the legs of the yoke crosses on either side of the included corner.

Driven magnetic bearing according to any one of the preceding claims, characterized in that the legs of the yoke in the first plane are magnetically coupled to the legs of 1005344 the yoke in the second plane to form the second magnetic circuit.

Driven magnetic bearing according to claims 4 and 5, characterized in that there are provided as many primary wire windings on yoke parts that magnetically couple the legs of the yoke in the first plane with the legs of the yoke in the second plane if there are intersections are of the translatable part with the legs of the yoke. : 10D5: