WO1984001802A1 - Magnetic bearing - Google Patents

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WO1984001802A1
WO1984001802A1 PCT/EP1983/000284 EP8300284W WO8401802A1 WO 1984001802 A1 WO1984001802 A1 WO 1984001802A1 EP 8300284 W EP8300284 W EP 8300284W WO 8401802 A1 WO8401802 A1 WO 8401802A1
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magnetic bearing
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Werner Auer
Rainer Sindlinger
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Teldix Gmbh
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    • F16C32/044Active magnetic bearings
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C32/0474Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0485Active magnetic bearings for rotary movement with active support of three degrees of freedom

Definitions

  • the invention relates to a magnetic bearing in which the Lucasspal tdiameter is large compared to the axial length of the bearing, in which the rotor is radially passive at least on the rotor side by permanent magnets, in which the axial position of the rotor is actively controlled by a control device, and in which several sensor arrangements for determining the axial position as well as control amplifiers and windings are used to exert forces on the rotor.
  • a magnetic bearing with these features is known from EU patent application 49 300.
  • a flywheel is mounted there with the help of such a magnetic bearing.
  • the flywheel ring contains two permanent magnet rings on the axial surfaces.
  • magnetic circuits are formed there which have axial air gaps between the rotor and stator. This stabilizes the rotor radially.
  • the rotor carries three segment-shaped windings. The magnetic fluxes generated in this way are also conducted through the air gaps; sector by sector are the Axial forces acting on the rotor can be varied.
  • Each of the windings is assigned a sensor monitoring the axial position of the rotor and a downstream control amplifier.
  • the rotor is hereby forced into a predetermined axial position.
  • the invention has for its object to improve the bearing properties of such a magnetic bearing with a small axial expansion compared to the radial expansion.
  • tilting regulators are additionally created for two axes perpendicular to one another and to the axis of rotation.
  • the system switches to a three-channel controller, which then again operates at least four windings. It is sufficient to use four sensors per se.
  • the input signals of the first and second control amplifiers are cross-coupled, i.e. a portion of the input signal of one amplifier is superimposed on the input signal of the other amplifier.
  • This cross-coupling is preferably designed to be speed-dependent, i.e. the cross-coupled portion increases with increasing speed.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a control for a magnetic bearing according to the invention
  • FIG. 2 shows a possible structure of the magnetic bearing, which is regulated as shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows other embodiments for the radial passive bearing
  • FIG. 4 shows other embodiments for the application of moments and forces
  • FIG. 5 shows another possibility of control
  • Fig. 6 shows an embodiment for the construction of the camp, which can be controlled according to FIG. 5.
  • Fig. 1 four sensor arrangements 1-4 are provided, of which the sensor arrangements 1 and 2 lie on an axis (x-axis) perpendicular to the axis of rotation (z-axis) and diametrically to the axis of rotation and on axial movements in their output signals in the same way react.
  • the sensor arrangements 3 and 4 are arranged on the y axis perpendicular to the x and z axes.
  • differential amplifiers 5 and 6 differential signals are formed from the output signals of the arrangements 1 and 2 or 3 and 4, a difference occurring when the rotor sensed by the sensor arrangements has a tilting movement about the respectively perpendicular to the axis on which the interconnected sensor arrangements lie. lying axis.
  • the signals then reach windings 16 to 19 via control amplifiers 7 and 8, inverters 9 and 10, summing elements 11 to 14 and power amplifiers 15; each of these windings 16 to 19 is spatially assigned to one of the sensor arrangements 1 to 4 and generates an axial force on the rotor when actuated. All 4 sensor arrangements 1 to 4 are also connected to a summing amplifier 20, the output signal of which also reaches the windings 16 to 19 via a control amplifier 21 and the summing amplifiers 11 to 14 and the power amplifiers 15.
  • the O-point of the tilt controller can be adjusted, so that there is a defined misalignment of the rotor axis.
  • a magnetic bearing constructed in accordance with FIG. 2 can be regulated with the control circuit shown in FIG. 1.
  • Fig. 2a shows a perspective view and Fig. 2b shows a section.
  • a rotor, designated 31, of the bearing consists of a radially magnetized permanent magnet ring 32, at the poles of which two pole plate rings 33 and 34 are connected.
  • This rotor is offset axially offset on both sides by U-shaped stator ring segments 35 to 38 or 35 'to 38' made of magnetically highly conductive material; the training is such that the free legs of the U are just opposite the pole plate rings 33 and 34.
  • Segment windings 39 to 42 and 39 'to 42' are wound in the circumferential direction around these ring segments.
  • the two winding groups are controlled by the control device shown in FIG. 1 as a function of distance signals which are generated by sensor arrangements 43 to 46 or 43 'to 46'. It is from the signals of a pair of sensors z. B. 45 and 45 'each formed the difference; this difference signal represents the output signal of one of the sensor arrangements 1 to 4 of FIG. 1.
  • the air gaps between rotor 1 and stator are designated 47 and 47 'or 48 and 48'.
  • the sensor pairs 45 and 45 'and 43 and 43' and the sensor arrangements 1 and 2 of FIG. 1 corresponding to them generate output signals.
  • the windings 16 and 17 are driven in opposite directions and produce a counterturning morale.
  • the winding 16 corresponds to the partial windings 41 and 41 'connected in series, which are wound in opposite directions and support each other in their effect.
  • the winding 17 and the partial windings 39 and 39 ' are superimposed in the air gaps 47 and 47 '.
  • cross coupling lines 24 and 25 via which a portion of the input signals of the control amplifiers 7 and 8 can be coupled into the other control amplifier.
  • the cross-coupled components preferably increase with the speed, which can be realized by an amplifier with an adjustable gain factor in each cross-coupling line.
  • 3a to 3c are other exemplary embodiments of a possible passive radial! Aging shown, here a stator ring 50 is arranged coaxially to a rotor ring 51 and the radial bearing is achieved by repelling magnetic poles of permanent magnets.
  • control amplifiers 7 and 8 responsible for the tilt control are connected via power amplifiers 70 to series-connected but oppositely wound windings 72 and 73 or 74 and 75.
  • the winding pairs 72 and 73 or 74 and 75 are again arranged diametrically to the axis of rotation.
  • a separate winding 76 is connected to the output of the controller 21, which generates an axial force, while the winding pairs 72 and 73 or 74 and 75 generate tilting moments.
  • This connection can be used, for example, in a magnetic bearing according to FIG. 6.
  • 80 denotes a rotor ring, 81 a stator ring and 82 a passive radial bearing.
  • a radial magnetic field is generated with the help of the magnets 82a and 84, in which an annular coil 85 fixed on the stator side and a sector winding 86 also fixed on the stator side are partially immersed.
  • 6b shows that 4 sector windings 86 and a ring winding 85 are provided.

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Abstract

The magnetic bearing which is rapidly formed comprises a radially passive storage and an axially active regulation. By using only four sensor devices and three regulating amplifiers, a magnetic bearing is obtained which enables, in addition to the axial regulation, a supplementary regulation on two inclination axes perpendicular to the rotation axis.

Description

Hagnetlager Magnetic bearing
Die Erfindung betrifft ein Magnetlager, bei dem der Luftspal tdurchmesser groß gegenüber der axialen Länge des Lagers ist, bei dem der Rotor durch Permanentmagnete zumindest auf der Rotorseite radial passiv gelagert ist, bei dem die axiale Lage des Rotors durch eine Regeleinrichtung aktiv geregelt wird, und bei dem mehrere Sensoranordnungen zur Bestimmung der axialen Lage sowie Regelverstärker und Wicklungen zur Ausübung von Kräften auf den Rotor verwendet sind.The invention relates to a magnetic bearing in which the Luftspal tdiameter is large compared to the axial length of the bearing, in which the rotor is radially passive at least on the rotor side by permanent magnets, in which the axial position of the rotor is actively controlled by a control device, and in which several sensor arrangements for determining the axial position as well as control amplifiers and windings are used to exert forces on the rotor.
Ein Magnetlager mit diesen Merkmalen ist aus der EU-Patentanmeldung 49 300 bekannt. Dort wird ein Schwungring mit Hilfe eines derartigen Magnetlagers gelagert. Gemäß dem einen Ausführungsbeispiel enthält der Schwungring an den axialen Oberflächen zwei Permanentmagnetringe. Mit diesen und mit Hilfe von Jochringen auf dem Rotor und Stator werden dort Magnetkreise gebildet, die axiale Luftspalte zwischen Rotor und Stator aufweisen. Hierdurch wird der Rotor radial stabilisiert. Der Rotor trägt drei segmentförmige Wicklungen. Die hierdurch erzeugten Magnetflüsse werden ebenfalls über die Luftspalte geleitet; damit sind sektorweise die auf den Rotor einwirkenden axialen Kräfte variierbar. Jeder der Wicklungen ist ein die axiale Lage des Rotors überwachender Sensor und ein nachgeschalteter Regel Verstärker zugeordnet.A magnetic bearing with these features is known from EU patent application 49 300. A flywheel is mounted there with the help of such a magnetic bearing. According to one exemplary embodiment, the flywheel ring contains two permanent magnet rings on the axial surfaces. With these and with the help of yoke rings on the rotor and stator, magnetic circuits are formed there which have axial air gaps between the rotor and stator. This stabilizes the rotor radially. The rotor carries three segment-shaped windings. The magnetic fluxes generated in this way are also conducted through the air gaps; sector by sector are the Axial forces acting on the rotor can be varied. Each of the windings is assigned a sensor monitoring the axial position of the rotor and a downstream control amplifier.
Hiermit wird der Rotor in eine vorgegebene axiale Stellung gezwungen.The rotor is hereby forced into a predetermined axial position.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lagereigenschäften eines solchen Magnetlagers mit im Vergleich zur radialen Ausdehnung geringer axialer Ausdehnung zu verbessern.The invention has for its object to improve the bearing properties of such a magnetic bearing with a small axial expansion compared to the radial expansion.
Dies wird erfindungsgeraäß dadurch erreicht, daß vier Sensoranordnungen auf zueinander senkrechten und zur Drehachse senkrecht stehenden Achsen und paarweise diametral zur Drehachse liegend angeordnet sind, daß drei Regelverstärker vorgesehen sind, von denen dem ersten und zweiten jeweils die Differenz der Sensorsignale sich diametral gegenüberliegender Sensoranordnungen und dem dritten die Summe aller Sensorausgangssignale zugeführt werden und daß die Ausgänge der drei Regelverstärker, mit Wicklungen derart verbunden und diese derart angeordnet sind, daß bei Ansteuerung des ersten und zweiten Verstärkers auf den Rotor Rückstellmoraente um die zu der Achse, auf der die zugehörigen Sensoranordnungen liegen, jeweils senkrecht liegenden Achse einwirken und daß bei Ansteuerung des dritten Verstärkers eine axiale Rückstellkraft auf den Rotor einwirkt.This is achieved in accordance with the invention in that four sensor arrangements are arranged on axes perpendicular to one another and perpendicular to the axis of rotation and in pairs lying diametrically to the axis of rotation, that three control amplifiers are provided, of which the first and second respectively the difference of the sensor signals diametrically opposed sensor arrangements and the third, the sum of all sensor output signals are supplied and that the outputs of the three control amplifiers are connected to windings and are arranged in such a way that when the first and second amplifiers are actuated on the rotor, restoring torques about the axis on which the associated sensor arrangements are located, each act perpendicular axis and that when the third amplifier is actuated, an axial restoring force acts on the rotor.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird somit nicht nur in axialer Richtung aktiv geregelt, sondern es werden zusätzlieh Kippregler für zwei zueinander und zur Drehachse senkrechte Achsen geschaffen. Ausgehend von vier Sensoranordnungen wird durch Verschaltung auf einen dreikanal igen Regler übergegangen, der dann wieder mindestens vier Wicklungen bedient. Es genügt an sich vier Sensoren zu verwenden. Günstiger ist es jedoch, jede Sensoranordnung aus einem Paar von axial gegeneinander versetzten und auf axiale Rotorbewegungen ent gegengesetzt reagierenden Sensoren zu bilden, und deren Dif ferenzsignal als Sensorausgangssignal zu verwenden.In the solution according to the invention, not only is there active regulation in the axial direction, but tilting regulators are additionally created for two axes perpendicular to one another and to the axis of rotation. Starting with four sensor arrangements, the system switches to a three-channel controller, which then again operates at least four windings. It is sufficient to use four sensors per se. However, it is more favorable to form each sensor arrangement from a pair of axially offset sensors and sensors which react in opposite directions to axial rotor movements, and to use their differential signal as the sensor output signal.
Es sind verschiedene Anordnungen und Ansteuerungen der Wick lungen zur Erzeugung der geforderten Rückstellmomente und Kräfte möglich. Hierauf wird anhand der Ausführungsbeispiele näher eingegangen.There are various arrangements and controls of the windings for generating the required restoring moments and forces possible. This will be discussed in more detail using the exemplary embodiments.
Bei dem erfindungsgemäßen Lager ist es durch Einkoppeln von Signalen in den ersten und zweiten Regelverstärker möglich, den O-Punkt der Regelcharakteristik zu verschieben, d.h., in einem gewissen Rahmen die Drehachse bewußt schief zu stellen, was z.B. bei Lagerung eines Schwungrads für Raumfahrzeuge von Interesse ist.In the case of the bearing according to the invention, by coupling signals into the first and second control amplifiers, it is possible to shift the O point of the control characteristic, i.e. to consciously tilt the axis of rotation to a certain extent, which e.g. is of interest for storage of a flywheel for spacecraft.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden die Eingangssignale des ersten und zweiten Regelverstärkers kreuzgekoppelt, d.h., ein Anteil des Eingangssignals des einen Verstärkers wird dem Eingangssignal des anderen Verstärkers überlagert. Dies hat den Vorteil, daß ausreichende Stabilität bereits mit einfachen Reglern erreicht wird, da die um eine Achse erzeugten Momente eine Präzessions-Winkelgeschwindigkeit um die dazu senkrechte radiale Achse erzeugen. Allerdings verschwindet dieser Effekt bei Stillstand.According to a development of the invention, the input signals of the first and second control amplifiers are cross-coupled, i.e. a portion of the input signal of one amplifier is superimposed on the input signal of the other amplifier. This has the advantage that sufficient stability can be achieved with simple controllers, since the moments generated about an axis produce a precession angular velocity about the radial axis perpendicular thereto. However, this effect disappears when the machine stops.
Vorzugsweise wird diese Kreuzkopplung dazu drehzahlabhängig ausgebildet, d.h., mit steigender Drehzahl wird der kreuzgekoppelte Anteil erhöht.This cross-coupling is preferably designed to be speed-dependent, i.e. the cross-coupled portion increases with increasing speed.
Anhand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zei genThe invention is explained in more detail using the exemplary embodiments of the drawing. Show it
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ansteuerung für ein erfindungsgemäßes Magnetlagers, Fig. 2 ein möglicher Aufbau des Magnetlagers, das wie in Fig. 1 gezeigt geregelt wird,1 shows a first embodiment of a control for a magnetic bearing according to the invention, FIG. 2 shows a possible structure of the magnetic bearing, which is regulated as shown in FIG. 1,
Fig. 3 andere Ausführungsformen für das radiale passive Lager, Fig. 4 andere Ausführungsformen für die Aufbringung von Momenten und Kräften, Fig. 5 eine andere Möglichkeit der Ansteuerung,3 shows other embodiments for the radial passive bearing, FIG. 4 shows other embodiments for the application of moments and forces, FIG. 5 shows another possibility of control,
Fig. 6 eine Ausführungsform für den Aufbau des Lagers, das gemäß Fig. 5 angesteuert werden kann.Fig. 6 shows an embodiment for the construction of the camp, which can be controlled according to FIG. 5.
In Fig. 1 sind vier Sensoranordnungen 1-4 vorgesehen, von denen die Sensoranordnungen 1 und 2 auf einer Achse (x-Achse) senkrecht zur Drehachse (z-Achse) und diametral zur Drehachse liegen und auf axiale Bewegungen in ihren Ausgangssignalen in gleicher Weise reagieren. Entsprechend sind die Sensoranordnungen 3 und 4 auf der zur x- und z-Achse senkrechten y-Achse angeordnet. In Differenzverstärkern 5 und 6 werden aus den Ausgangssignalen der Anordnungen 1 und 2 bzw. 3 und 4 Differenzsignale gebildet, wobei eine Differenz auftritt, wenn der von den Sensoranordnungen abgetastete Rotor eine Kippbewegung um die jeweils senkrecht zur Achse, auf der die zusammengeschalteten Sensoranordnungen liegen, liegenden Achse erfolgt. Über Regelverstärker 7 und 8, Inverter 9 und 10, Summierglieder 11 bis 14 und Leistungsverstärker 15 gelangen dann die Signale zu Wicklungen 16 bis 19; jede dieser Wicklungen 16 bis 19 ist einem der Sensoranordnungen 1 bis 4 räumlich zugeordnet und erzeugt bei Ansteuerung eine axiale Kraft auf den Rotor. Alle 4 Sensoranordnungen 1 bis 4 sind auch an einen Summier verstärker 20 angeschaltet, dessen Ausgangssignal über einen Regelverstärker 21 und die Summierverstärker 11 bis 14 sowie die Leistungsverstärker 15 ebenfalls zu den Wicklungen 16 bis 19 gelangen.In Fig. 1, four sensor arrangements 1-4 are provided, of which the sensor arrangements 1 and 2 lie on an axis (x-axis) perpendicular to the axis of rotation (z-axis) and diametrically to the axis of rotation and on axial movements in their output signals in the same way react. Correspondingly, the sensor arrangements 3 and 4 are arranged on the y axis perpendicular to the x and z axes. In differential amplifiers 5 and 6, differential signals are formed from the output signals of the arrangements 1 and 2 or 3 and 4, a difference occurring when the rotor sensed by the sensor arrangements has a tilting movement about the respectively perpendicular to the axis on which the interconnected sensor arrangements lie. lying axis. The signals then reach windings 16 to 19 via control amplifiers 7 and 8, inverters 9 and 10, summing elements 11 to 14 and power amplifiers 15; each of these windings 16 to 19 is spatially assigned to one of the sensor arrangements 1 to 4 and generates an axial force on the rotor when actuated. All 4 sensor arrangements 1 to 4 are also connected to a summing amplifier 20, the output signal of which also reaches the windings 16 to 19 via a control amplifier 21 and the summing amplifiers 11 to 14 and the power amplifiers 15.
Werden an den Klemmen 22 und 23 Gleichspannungssignale ein gekoppelt, so läßt sich der O-Punkt der Kippregler verstel len, sodaß es zu einer definierten Schiefstellung der Rotor achse kommt.If DC voltage signals are coupled to terminals 22 and 23, the O-point of the tilt controller can be adjusted, so that there is a defined misalignment of the rotor axis.
Mit der in Fig. 1 dargestellten Steuerschaltung läßt sich ein entsprechend Fig. 2 aufgebautes Magnetlager regeln. Fig. 2a zeigt eine perspektivische Ansicht und Fig. 2b einen Schnitt.A magnetic bearing constructed in accordance with FIG. 2 can be regulated with the control circuit shown in FIG. 1. Fig. 2a shows a perspective view and Fig. 2b shows a section.
Ein mit 31 bezeichneter Rotor des Lagers besteht aus einem radial magnetisierten Permanentmagnetring 32, an dessen Polen sich zwei Polblechringe 33 und 34 anschließen. Diesem Rotor stehen axial versetzt zu beiden Seiten u-förmige Statorringsegmente 35 bis 38 bzw. 35' bis 38' aus magnetisch gut leitendem Material gegenüber; dabei ist die Ausbildung so getroffen, oaß die freien Schenkel des U gerade den Polblechringen 33 und 34 gegenüberstehen. Um diese Ringsegmente sind in Umfangsrichtung Segment-Wicklungen 39 bis 42 bzw.39' bis 42' gewickelt. Die beiden Wicklungsgruppen werden von der in Fig. 1 dargestellten Steuereinrichtung, in Abhängigkeit von Abstandssignalen, die von Sensoranordnungen 43 bis 46 bzw. 43' bis 46' erzeugt werden, angesteuert. Dabei wird aus den Signalen je eines Sensorpaars z. B. 45 und 45' jeweils die Differnz gebildet; dieses Differenzsignal stellt das Ausgangssignal einer der Sensoranordnungen 1 bis 4 der Fig. 1 dar. Die Luftspalte zwischen Rotor 1 und Stator sind mit 47 und 47' bzw. 48 und 48' bezeichnet.A rotor, designated 31, of the bearing consists of a radially magnetized permanent magnet ring 32, at the poles of which two pole plate rings 33 and 34 are connected. This rotor is offset axially offset on both sides by U-shaped stator ring segments 35 to 38 or 35 'to 38' made of magnetically highly conductive material; the training is such that the free legs of the U are just opposite the pole plate rings 33 and 34. Segment windings 39 to 42 and 39 'to 42' are wound in the circumferential direction around these ring segments. The two winding groups are controlled by the control device shown in FIG. 1 as a function of distance signals which are generated by sensor arrangements 43 to 46 or 43 'to 46'. It is from the signals of a pair of sensors z. B. 45 and 45 'each formed the difference; this difference signal represents the output signal of one of the sensor arrangements 1 to 4 of FIG. 1. The air gaps between rotor 1 and stator are designated 47 and 47 'or 48 and 48'.
Aus den Figuren 1 und 2 ergibt sich folgende Wirkungsweise.The following mode of operation results from FIGS. 1 and 2.
Bei einer Kippung um die y-Achse erzeugen die Sensorpaare 45 und 45' sowie 43 und 43' und die diesen entsprechenden Sensoranordnungen 1 und 2 der Fig. 1 Ausgangssignale. Hierdurch werden die Wicklungen 16 und 17 entgegengesetzt angesteuert und erzeugen ein Gegenkippmoraent. In Fig. 2 entsprechen der Wicklung 16 die hintereinander geschalteten Teilwicklungen 41 und 41', die entgegengesetzt gewickelt sind und sich in der Wirkung unterstützen. Entsprechendes gilt für die Wicklung 17 und die Teil Wicklungen 39 und 39'. Hier werden in den Luftspalten 47 und 47' die Flüsse des Permanentmagnetrings und der Elektroraagnete überlagert.When tilted about the y axis, the sensor pairs 45 and 45 'and 43 and 43' and the sensor arrangements 1 and 2 of FIG. 1 corresponding to them generate output signals. As a result, the windings 16 and 17 are driven in opposite directions and produce a counterturning morale. In FIG. 2, the winding 16 corresponds to the partial windings 41 and 41 'connected in series, which are wound in opposite directions and support each other in their effect. The same applies to the winding 17 and the partial windings 39 and 39 '. Here the flows of the permanent magnet ring and the electromagnets are superimposed in the air gaps 47 and 47 '.
Entsprechend wird von dem andern Kippregler 8 eine Kippung um die x-Achse ausgeregelt.Accordingly, a tilt about the x-axis is corrected by the other tilt controller 8.
Erfolgt dagegen eine axiale Verschiebung des Rotors so geben alle Sensoranordnungen 1 bis 4 gleiche Signale ab. Die Kippregler 7 und 8 erhalten kein Signal, dagegen der Regelverstärker 21, der alle Wicklungen 16 bis 19 (und entsprechend 39 bis 42 bzw. 39' bis 42') ansteuert und eine Rückstellkraft erzeugt.In contrast, if the rotor is axially displaced, all sensor arrangements 1 to 4 emit the same signals. The toggle regulators 7 and 8 receive no signal, but the control amplifier 21, which controls all the windings 16 to 19 (and correspondingly 39 to 42 or 39 'to 42') and generates a restoring force.
Zu erwähnen sind noch die Kreuzkoppelleitungen 24 und 25, über die ein Anteil der Eingangssignale der Regelverstärker 7 bzw. 8 in den jeweils anderen Regelverstärker gekoppelt werden kann. Vorzugsweise steigen die Kreuzgekoppelten Anteile mit der Drehzahl an, was durch einen Verstärker mit verstellbarem Verstärkungsfaktor in jeder Kreuzkoppelleitung realisiert werden kann. In den Fig. 3a bis 3c sind andere Ausführungsbeispiele für eine mögliche passive Radial! agerung gezeigt, wobei hier jeweils ein Statorring 50 koaxial zu einem Rotorring 51 an geordnet ist und die radiale Lagerung durch einander abstoßende Magnetpole von Permanentmagneten erzielt wird.Also worth mentioning are the cross coupling lines 24 and 25, via which a portion of the input signals of the control amplifiers 7 and 8 can be coupled into the other control amplifier. The cross-coupled components preferably increase with the speed, which can be realized by an amplifier with an adjustable gain factor in each cross-coupling line. 3a to 3c are other exemplary embodiments of a possible passive radial! Aging shown, here a stator ring 50 is arranged coaxially to a rotor ring 51 and the radial bearing is achieved by repelling magnetic poles of permanent magnets.
Entsprechend zeigt Fig. 4a und 4b andere Ausführungsformen für das Aufbringen von Kräften auf den hier aus Weicheisen bestehenden Rotorring 60, an dem noch das rotorseitige Teil 61 des Radiallagers angedeutet ist. Die Elektromagnete 62 und 62' müssen hier allerdings alternativ angesteuert werden. Beide Lösungen erlauben eine relativ große Schrägstellung des Rotors.4a and 4b accordingly show other embodiments for the application of forces to the rotor ring 60, which here consists of soft iron, on which the rotor-side part 61 of the radial bearing is also indicated. The electromagnets 62 and 62 'must, however, alternatively be activated here. Both solutions allow a relatively large inclination of the rotor.
In der Fig. 5 entspricht die Verschal tung bis zum Ausgang der Regelverstärker 7, 8 und 21 der der Fig. 1, weshalb gleiche Bezugszeichen benutzt sind. Die für die Kippregelung zuständigen Regelverstärker 7 und 8 sind über Leistungsverstärker 70 mit hintereinander geschalteten aber entgegengesetzt gewickelten Wicklungen 72 und 73 bzw. 74 und 75 verbunden. Die Wicklungspaare 72 und 73 bzw. 74 und 75 sind wieder diametral zur Drehachse angeordnet.5 corresponds to the circuitry up to the output of the control amplifiers 7, 8 and 21 that of FIG. 1, which is why the same reference numerals are used. The control amplifiers 7 and 8 responsible for the tilt control are connected via power amplifiers 70 to series-connected but oppositely wound windings 72 and 73 or 74 and 75. The winding pairs 72 and 73 or 74 and 75 are again arranged diametrically to the axis of rotation.
Mit dem Ausgang des Reglers 21 ist eine gesonderte Wicklung 76 verbunden, die eine Axialkraft erzeugt, während die Wicklungspaare 72 und 73 bzw. 74 und 75 Kippmomente erzeugen. Diese Verschaltung kann z.B. bei einem Magnetlager gemäß Fig. 6 verwendet werden. In Fig. 6a ist mit 80 ein Rotorring bezeichnet, mit 81 ein Statorring und mit 82 ein passives Radiallager. In einem Luftspalt 83 des Rotorrings 80 wi rd mit Hilfe der Magnete 82a und 84 ein radiales Magnetfeld erzeugt, in dem eine statorseitig befestigte Ringspule 85 liegt und eine ebenfalls statorseitig befestigte Sektorwicklung 86 teilweise eintaucht. Die Fig. 6b zeigt, daß 4 Sektorwicklungen 86 und eine Ringwicklung 85 vorgesehen sin.. Wird die Ringwicklung 85, die der Wicklung 76 der Fig. 5 entsprechen kann, angesteuert, so wird eine axiale Kraft auf den Rotor 80 ausgeübt, deren Richtung von der Stromrichtung abhängt. Bei Ansteuerung der Wicklung 86 und entgegengesetzter Ansteuerung der diametral gegenüberliegenden Wicklung wird dagegen ein Moment um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse erzeugt, dessen Drehrichtung von der Stromrichtung abhängig ist.A separate winding 76 is connected to the output of the controller 21, which generates an axial force, while the winding pairs 72 and 73 or 74 and 75 generate tilting moments. This connection can be used, for example, in a magnetic bearing according to FIG. 6. In Fig. 6a, 80 denotes a rotor ring, 81 a stator ring and 82 a passive radial bearing. In an air gap 83 of the rotor ring 80, a radial magnetic field is generated with the help of the magnets 82a and 84, in which an annular coil 85 fixed on the stator side and a sector winding 86 also fixed on the stator side are partially immersed. 6b shows that 4 sector windings 86 and a ring winding 85 are provided. If the ring winding 85, which can correspond to the winding 76 of FIG. 5, is driven, an axial force is exerted on the rotor 80, the direction of which depends on the direction of the current. When the winding 86 is actuated and the diametrically opposite winding is actuated in the opposite direction, on the other hand a moment is generated about an axis perpendicular to the plane of the drawing, the direction of rotation of which depends on the current direction.
In Fig. 5 erfolgt schließlich noch je eine Rückkopplung 77 bis 79 auf die Regelverstärker 7 und 8. Dadurch wird unabhängig von den Spuleninduktivitäten ein "stromsteuerndes" Verhalten erzielt, d.h. die Regler-Ausgangsspannungen werden in proportionale Kräfte bzw. Kippmomente umgewandelt. In Fig. 5 there is finally a feedback 77 to 79 to the control amplifiers 7 and 8. This results in a "current-controlling" behavior regardless of the coil inductances, i.e. the controller output voltages are converted into proportional forces or tilting moments.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Magnetlager, bei dem der Luftspaltdurchmesser groß gegenüber der axialen Länge des Lagers ist, bei dem der Rotor durch Permanentmagnete zumindest auf der Rotorseite radial passiv gelagert ist, bei dem die axiale Lage des Rotors durch eine Regeleinrichtung aktiv geregelt wird, bei dem mehrere Sensoranordnungen zur Bestim mung der axialen Lage sowie Regelverstärker und Wicklun gen zur Ausübung von Kräften auf den Rotor verwendet sind, dadurch gekennzeichnet, daß vier Sensoranordnungen (1-4) auf zueinander senkrechten und zur Drehachse senk recht stehenden Achsen und paarweise diametral zur Dreh achse liegend angeordnet sind, daß drei Regelverstärker (7,8,21) vorgesehen sind, von denen dem ersten (7) und zweiten (2) jeweils die Differenz der Sensorsignale sich diametral gegenüber-liegender Sensoranordnungen (1,2 bzw. 3,4) und dem dritten (21) die Summe aller Sensorausgangssignale zugeführt werden und daß die Ausgänge der drei Regelverstärker mit Wicklungen (16-19; 72-76) derart verbunden und diese derart angeordnet sind, daß bei Ansteuerung des ersten und zweiten Verstärkers1. Magnetic bearing in which the air gap diameter is large compared to the axial length of the bearing, in which the rotor is supported radially passively at least on the rotor side by permanent magnets, in which the axial position of the rotor is actively controlled by a control device in which several sensor arrangements for determination of the axial position as well as control amplifiers and windings for exerting forces on the rotor are used, characterized in that four sensor arrangements (1-4) are arranged on axes perpendicular to one another and perpendicular to the axis of rotation and in pairs lying diametrically to the axis of rotation are that three control amplifiers (7, 8, 21) are provided, of which the first (7) and second (2) each have the difference between the sensor signals of diametrically opposite sensor arrangements (1, 2 or 3, 4) and the third (21) the sum of all sensor output signals and that the outputs of the three control amplifiers with windings (16-19; 72-76) connected and arranged in such a way that when the first and second amplifiers are activated
(7 und 8) auf den Rotor Rückstellmomente um die zu der Achse, auf der die zugehörigen Sensoranordnungen (1-4) liegen, jeweils senkrecht liegenden Achse einwirken und daß bei Ansteuerung des dritten Verstärkers (21) eine axiale Rückstell kraft auf den Rotor einwirkt.(7 and 8) act on the rotor restoring torques around the axis on which the associated sensor arrangements (1-4) lie, each perpendicular axis and that when the third amplifier (21) is actuated, an axial restoring force acts on the rotor .
2. Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der vier Sensoranordnungen (1-4) aus einem Paar von axial gegeneinander versetzten, auf axiale Rotorbewegungen entgegengesetzt reagierende (39, 39' bis 42, 42')2. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that each of the four sensor arrangements (1-4) from a pair of axially offset, reacting in opposite directions to axial rotor movements (39, 39 'to 42, 42')
Sensoren besteht und daß die Differenz der Ausgangssignale jedes Sensorpaars (39, 39' bis 42, 42') als Ausgangssignal der Sensoranordnung dient. Sensors exist and that the difference in the output signals of each sensor pair (39, 39 'to 42, 42') serves as the output signal of the sensor arrangement.
3. Magnetlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß auf dem Stator den vier Sensoranordnungen (1-4) zugeordnet vier Wicklungen (16-19; 72-76) derart angeordnet sind, daß sie bei Ansteuerung Kräfte in axialer Richtung auf den Rotor ausüben, und daß an die Ausgänge des ersten und zweiten Regelverstärkers (7 und 8) jeweils sich diametral gegenüberliegende Wicklungen (16 und 17, bzw. 18 und 19; 72 und 73 bzw. 74 und 75) derart angeschaltet sind, daß sie auf den Rotor entgegengesetzt3. Magnetic bearing according to claim 1 or 2, characterized in that on the stator, the four sensor arrangements (1-4) assigned four windings (16-19; 72-76) are arranged such that they act on forces in the axial direction exert the rotor, and that at the outputs of the first and second control amplifiers (7 and 8) diametrically opposed windings (16 and 17, or 18 and 19; 72 and 73 or 74 and 75) are switched on in such a way that they opposed to the rotor
4. Magnetlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle vier Wicklungen (16-19) an den Ausgang des dritten Regelverstärkers (21) angeschaltet sind.4. Magnetic bearing according to claim 3, characterized in that all four windings (16-19) are connected to the output of the third control amplifier (21).
5. Magnetlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Ringwicklung (76) vorgesehen und mit dem dritten Regelverstärker (21) verbunden ist.5. Magnetic bearing according to claim 3, characterized in that an additional ring winding (76) is provided and is connected to the third control amplifier (21).
6. Magnetlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die diametral liegenden Wicklungen (72 und 73 bzw. 74 und 75) mit entgegengesetztem Wickelsinn in Reihe liegend an die Regelverstärker (7 bzw. 8) angeschaltet sind.6. Magnetic bearing according to claim 5, characterized in that the diametrically lying windings (72 and 73 or 74 and 75) are connected in series with the opposite winding sense to the control amplifier (7 or 8).
7. Magnetlager nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß die diametral liegenden Wicklungen (16 und 17 bzw. 18 und 19) parallel an den ersten und zweiten Regelverstärker (7 und 8) angeschaltet sind, wobei jeweils einer dieser zwei Wicklungen (17 bzw. 19) das Ausgangssignal invertiert zugeführt wird und daß alle Wicklungen (16-19) parallel an den dritten Regelverstärker (21) an geschaltet sind. 7. Magnetic bearing according to claim 3 or 4, characterized in that the diametrically lying windings (16 and 17 or 18 and 19) are connected in parallel to the first and second control amplifiers (7 and 8), one of these two windings ( 17 or 19) the output signal is supplied inverted and that all windings (16-19) are connected in parallel to the third control amplifier (21).
8. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklung aus zwei Teilwicklun gen (39, 39' - 42, 42') besteht, die von ersten bzw. zweiten Regelverstärker (7 bzw. 8) abhängig von der Richtung der zu erzeugenden Kräfte angesteuert werden und deren Magnetkräfte von verschiedenen axialen Richtungen auf ein ferromagnetisches Teil des Rotors einwir ken.8. Magnetic bearing according to one of claims 1 to 7, characterized in that each winding consists of two Teilwicklun gene (39, 39 '- 42, 42'), the first or second control amplifier (7 or 8) depending on the Direction of the forces to be generated and their magnetic forces act from different axial directions on a ferromagnetic part of the rotor.
9. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Wicklungen (86) teilweise in den Luftspalt eines rotorseitigen radialen Magnetfeldes eintauchen.9. Magnetic bearing according to one of claims 1 to 7, characterized in that the four windings (86) are partially immersed in the air gap of a rotor-side radial magnetic field.
10. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten und zweiten Regelverstär ker (7 und 8) Signale zur definierten Verkippung der Laufachse zuführbar sind.10. Magnetic bearing according to one of claims 1 to 9, characterized in that the first and second control amplifier ker (7 and 8) signals for the defined tilting of the barrel axis can be supplied.
11. Magnetlager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale des ersten und zweiten Regelverstärkers (7 oder 8) jeweils auch dem anderen Regelverstärker (8 oder 7) zugeführt werden (Kreuzkopplung).11. Magnetic bearing according to one of claims 1 to 10, characterized in that the input signals of the first and second control amplifier (7 or 8) are each also fed to the other control amplifier (8 or 7) (cross coupling).
12. Magnetlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzkopplung mit zunehmender Drehzahl des Rotors erhöht wird. 12. Magnetic bearing according to claim 11, characterized in that the cross coupling is increased with increasing speed of the rotor.
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