WO1998031946A1 - Method and device for regulating a sensor-free magnetic bearing - Google Patents

Method and device for regulating a sensor-free magnetic bearing Download PDF

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WO1998031946A1
WO1998031946A1 PCT/CH1998/000014 CH9800014W WO9831946A1 WO 1998031946 A1 WO1998031946 A1 WO 1998031946A1 CH 9800014 W CH9800014 W CH 9800014W WO 9831946 A1 WO9831946 A1 WO 9831946A1
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WO
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electromagnet
modulation
signal
impedance
controller
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Application number
PCT/CH1998/000014
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ladislav Kucera
Original Assignee
Eidgenössische Technische Hochschule Eth-Zentrum
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Publication date
Application filed by Eidgenössische Technische Hochschule Eth-Zentrum filed Critical Eidgenössische Technische Hochschule Eth-Zentrum
Publication of WO1998031946A1 publication Critical patent/WO1998031946A1/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0446Determination of the actual position of the moving member, e.g. details of sensors
    • F16C32/0448Determination of the actual position of the moving member, e.g. details of sensors by using the electromagnet itself as sensor, e.g. sensorless magnetic bearings

Definitions

  • the invention relates to methods and devices with which the distance between the electromagnets and the rotor of a magnetic bearing system can be regulated by means of a high-frequency impedance measurement in accordance with patent claims 1 and 8.
  • Magnetic bearings enable contactless storage of rotors and work completely free of wear, maintenance and lubricants. In various applications, they therefore offer significant advantages over conventional storage methods.
  • the sensorless magnetic bearing is a special form of magnetic bearing in which no external position sensor is required. The position information is obtained through the air gap-dependent properties of the magnetic bearing.
  • the main advantage of the sensorless magnetic bearing is the reduction in manufacturing costs. It also has other advantages that make it interesting for solving technical problems.
  • the lack of a sensor carrier simplifies the design, assembly and maintenance of the magnetic bearing system.
  • the rotor can be made more compact, which increases its natural frequencies. Because there are no cables to the sensor carrier, the probability of failure of the system is also reduced.
  • Two basic procedures are known for sensorless magnetic bearing operation:
  • Modulation method The structure of an electromagnet has the same structure as an inductive displacement sensor, and can also be operated as such. With a suitable spectral separation, in which the power controller is assigned the low-frequency range and the sensor system the high-frequency range, these two tasks can be carried out simultaneously with the same physical element.
  • the sensorless magnetic bearing with modulation method is known from DE-OS 2537597. There is suggest superimposing the low-frequency control current with a high-frequency sensor current and measuring the air gap-dependent sensor voltage at the center taps of the magnetic bearing coils. MD Noh and EH Maslen use the high-frequency carrier frequency of the competitor's amplifier to obtain a position signal (Self-Sensing Magnetic Bearings, Fifth Int. Symp. On Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, pp. 95-100).
  • Linear controller method If the rotor moves in the air gap, voltage is induced across the coil of the electromagnet, similar to a rotating DC motor. This changes the course of the current through the coil. If the current is now measured and the voltage is controlled, the missing track conditions, position and speed of the rotor can be determined with an observer and then stabilized with a controller.
  • Patent specification CH-678090 describes the modeling of the controlled system and the design of the controller in detail.
  • EP-Al-0549912 describes a sensorless magnetic bearing system which combines the linear controller with the modulation method. The modulation signal is used to obtain a static position signal that removes the negative stiffness of the sensorless magnetic bearing.
  • the two methods of the sensorless magnetic bearing extract the position information from the air gap-dependent impedance of the magnetic bearing, they differ in the frequency ranges assigned to the sensors.
  • the modulation method measures the impedance well above the frequency bandwidth of the controller, while the method with a linear controller implements the properties of the magnetic bearing impedance within the controller structure, ie sensors and controls have the same frequency range.
  • the combination of sensors and control in the sensorless magnetic bearing with linear controller can be implemented in hardware with the simplest of means and at low cost. However, because there is no directly measurable position information in such a magnetic bearing arrangement, the commissioning of this method proves to be extremely difficult, especially since the overall system is very sensitive to stretching. kenparameter behaves.
  • the parameter sensitivity also has a negative impact on the system robustness.
  • the loss of robustness is considerable in comparison to a magnetic bearing system with an external position sensor. Since there is no way to further increase the robustness of this method, there is great interest in using the advantages of the sensorless magnetic bearing when using the modulation method despite the slightly increased hardware complexity.
  • the functionality of the modulation method is based on the property that an electromagnet can not only be used to generate forces (force controller), but also for non-contact distance measurements (position sensor).
  • the execution of such a contact-free position measurement is linked to the structure and the functioning of inductive position sensors.
  • inductive position sensors With inductive position sensors, the distance to a metallic body is measured when using a measuring coil. Comparable to an electromagnet, the measuring coil consists of a core and one or more windings. The impedance of the measuring coil changes with the distance to the object to be measured and is converted into a position signal with the corresponding evaluation circuit.
  • the structure of the modulation method typically comprises an evaluation circuit based on the method of inductive position sensors. This provides the position signal for the controller, which controls the electromagnets and keeps the rotor in the working point.
  • Such an evaluation circuit generally consists of a modulator, a measured variable and a demodulator.
  • the task of the modulator is to excite the measuring system at high frequency, which must be fed in at the appropriate point.
  • the modulation signal actually corresponds to a high-frequency voltage source, which preferably has a sinusoidal shape.
  • the basic frequency of the modulator is referred to as the modulation frequency.
  • the measurement variable or the measurement signal is set as a function of the transfer function "feed point of the modulation signal to the tap".
  • the distance between the electromagnet and the rotor changes the amplitude of the measurement signal, which is evaluated by the demodulator.
  • There are diverse implementation options for a demodulator Examples are synchronous rectification and peak value rectification.
  • the modulation frequency does not necessarily have to be constant.
  • measuring arrangements can be implemented using hysteresis switches or PLLs (Phase Locked Loop) resonant circuits, the oscillating frequency of which represents the measured variable.
  • PLLs Phase Locked Loop
  • the path sensitivity of the position signal In addition to the path sensitivity, each real position signal also has an interference sensitivity. This also generates an amplitude. Frequency change of the measurement signal. Of course it is important that the path sensitivity clearly outweighs the disturbance sensitivity.
  • the modulation signal 60 'of the modulation source 60 is added to the output signal 61 of the controller and fed into the power amplifier 30.
  • the power amplifier can be designed as either a linear or switched amplifier. In the case of a switched amplifier, the switching frequency can be used as a modulation signal.
  • a terminal 70 of the winding 69 of the electromagnet 50 is attached to the output of the power amplifier 30.
  • the other connection 71 of the winding 69 is connected to a measuring inductance 51, which in turn is connected to ground, and forms the tap 62 for the measuring signal 62 '.
  • the measurement signal 62 ' is then fed to the demodulator 65, which converts it to a position signal x.
  • the position signal describes the deviation of the rotor 31 from the operating point xO.
  • the impedances and signals within this description are understood in the frequency domain. Accordingly, they are complex quantities, which contain amplitude and phase information.
  • the size of an electromagnet is given by the forces that it has to generate.
  • a ratio of the size of the measuring coil to the measuring range of 3: 1 is recommended. Transferred to the electromagnet, this means that the recommended air gap should be very large. There are applications with a large air gap, but as a rule the air gap is small so that the magnetic bearing can generate large bearing forces.
  • the unfavorable ratio of the size of the electromagnet to the measuring distance the maximum possible change in impedance in the permissible air gap area is reduced for the electromagnet, which manifests itself in a deterioration in displacement sensitivity.
  • the electromagnet also differs in the core material.
  • the core of the electromagnet typically consists of laminated cores that are optimized for motors and transformers. They are suitable up to frequencies of a few 100 Hz. At higher frequencies, the eddy current losses in the sheets increase significantly. The eddy current losses are used in various inductive position sensors to generate the measured variable. In the case of electromagnets, however, again as a result of the unfavorable ratio of the size of the electromagnet to the measuring range, the eddy current losses cause the path sensitivity to deteriorate with increasing modulation frequency.
  • the electromagnet causes a high magnetic flooding of the iron in the power controller mode, there is a noticeable change in the permeability of the iron when the electromagnet is controlled during the adjustment processes.
  • a change in permeability creates a change in the impedance of the electromagnet and is included in the position signal as an additional sensitivity to interference.
  • M.D. Noh and E.H. Maslen describe a compensation circuit that counteracts this effect (Self-Sensing Magnetic Bearings - Effects of Saturation, Fifth Int. Symp. On Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, pp. 113-118). Since the compensation circuit must take into account very complex effects such as the nonlinear and hysteresis-superimposed permeability characteristic, a permeability-related portion of the interference sensitivity will always be retained in real systems.
  • the explanations about the peculiarities of the electromagnets make it clear that the path sensitivity in sensorless magnetic bearings is worse than that of inductive position sensors.
  • the electromagnets have an interference sensitivity that is many times greater than that of inductive position sensors.
  • the ratio of path sensitivity to interference sensitivity hereinafter referred to as the signal-to-noise ratio, is low in principle for sensorless magnetic bearings. It is therefore of great importance to strive for evaluation circuits that utilize the maximum achievable path sensitivity without increasing the sensitivity to interference.
  • FIG. 4A representation of a known thrust bearing in section
  • FIG. 4B representation of an axial bearing according to the invention in section with two magnetic circles in the bearing cross section
  • FIG. 6C block diagram of a demodulator for magnetic bearing systems in a one-sided arrangement
  • FIG. 6E block diagram of a controller for magnetic bearing systems in a one-sided arrangement
  • FIG. 6F Block diagram of a controller for magnetic bearing systems in a two-sided arrangement
  • Fig. 8A Representation of a measured linearity curve of the position signal
  • FIG. 1B shows a separate feed in accordance with the invention of a precise modulation signal 60 'with low power.
  • the output 61 of a controller is converted into a power amplifier 30 fed.
  • the output of the power amplifier 30 is connected to the winding connection 70 of the winding 69 of an electromagnet 50.
  • the other winding connection 71 is connected to a measuring inductance 51 and to a coupling impedance 63, and forms the tap 62 of the measuring signal 62 '.
  • the measurement signal 62 ' is then fed to a demodulator 65, which then converts it to a position signal x.
  • the coupling impedance 63 is complex and can be constructed in the form of a passive network. At modulation frequencies of 10-100 kHz, the amount of the coupling impedance is in the k ⁇ range. It can be seen from this that the modulation source 60 only has to deliver small currents in comparison to the power amplifier 30, and can accordingly be constructed very precisely with commercially available operational amplifiers.
  • the measuring inductance 51 is generally large and expensive, and also requires the power amplifier 30 to be oversized. In addition, it causes a reduction in the path sensitivity, which should be avoided for the reasons already mentioned. A waiver of the measuring inductance 51 would therefore be advantageous from several perspectives.
  • FIG. 2 shows an arrangement for an impedance measurement in a plurality of magnetic circuits, as a result of which the above-mentioned problem points are avoided.
  • the output 61 of the controller is fed into the power amplifier 30.
  • An electromagnet 52 no longer has the shape of a U-magnet with one winding, but rather the shape of an E-magnet with the two windings 69 'and 69''.
  • This design change is necessary because an electromagnet structure with at least two magnetic circuits 66 ', 66''and 67 is required.
  • the modulation signal 60 ' is via the coupling impedance 63 at the center tapped tap 73 of the two windings, and generates in the magnetic circuit 67 the modulation flow, which superimposes the power flow.
  • the center tap 73 also serves as a tap 62 of the measurement signal 62 ', which is converted by the demodulator 65 to the position signal x. It should be noted that an arrangement with a U-magnet with two windings does not offer the same possibilities, since without the second magnetic circuit either the power flow or the modulation flow is canceled, ie either the generation of the force or the measurement signal would be 0.
  • the type of modulation described is possible with a wide variety of winding structures in the corresponding electromagnetic structures. It is essential that at least one second magnetic circuit exists.
  • the 3 can be achieved by connecting the power amplifiers, which determine the polarity of the power flow, to the connections 80, 81, 82 and 83, while the connections 80 ', 81', 82 'and 83' with Earth.
  • the power amplifiers deliver currents that flow through the coils according to the arrow directions.
  • the modulation signals 60 'of the modulation sources 60 are fed in via the coupling impedances 63 at the center taps 84, 84', 85 and 85 '.
  • the modulation signals 60 ' are fed in at the center taps 85 and 85' with a negative sign.
  • the opposite lying measurement signals 84 and 84 'or 85 and 85' are subtracted from each other, and then fed to the demodulators, which convert these difference signals to the position signals x and y.
  • FIG. 4A shows a cross section through a known, industrially customary design of an axial bearing. This serves to stabilize the axial degree of freedom of a rotor 31.
  • the axial bearing is divided into the core 33 and the winding 34 of the electromagnet and into the counterpart 32, which transmits the force to the rotor 31, and thus forms a so-called pot magnet.
  • FIG. 4B shows a cross section through an axial bearing design according to the invention, which permits modulation according to FIG. 2.
  • the rotor 31 and the counterpart 32 correspond to those in Fig. 4A.
  • a core 35 has the two windings here
  • the one-sided magnetic bearing is characterized in that the magnetic bearing only has an electromagnet that can only generate forces F1 in one direction. In order to achieve the equilibrium of forces, this arrangement requires a counterforce Fg, which must be generated either by the weight of the rotor 31 or by some other type of force source.
  • the one-sided arrangement consists of an amplifier unit Gal, an electromagnet Gml including the modulation arrangement, a demodulator Gdl, a compensation circuit Gel and a regulator unit Grl.
  • the output of the amplifier unit Gal controls a voltage ul across the coil of the electromagnet, which results in the current flow il through the coil.
  • the measurement signal ul is converted by the demodulator Gdl to a position signal xn. Any non-linearities of the position signal xn can be partially linearized by the compensation circuit Gel depending on the current il become.
  • the linearized position signal x is processed together with the current il by the controller unit Grl to an actuating signal vl and fed to the amplifier unit Gal. This closes the control loop that stabilizes the rotor at the operating point.
  • the two-sided magnetic bearing is characterized in that the magnetic bearing has two electromagnets opposite the rotor 31, which generate opposing forces F1 and F2.
  • the two-sided arrangement is the usual industrial version. It consists of two amplifier units Gal and Ga2, two electromagnets Gml and Gm2 including the modulation arrangement, a demodulator Gd2, a compensation circuit Gc2 and a controller unit Gr2.
  • the outputs of the amplifier units Gal and Ga2 control the voltages ul and u2 across the coils of the two electromagnets Gml and Gm2. As a result, the currents il and i2 pass through the coils.
  • the measurement signals um1 and um2 are converted by the demodulator Gd2 to a position signal xn. Any non-linearities of the position signal xn can be partially linearized by the compensation circuit Gc2 depending on the currents il or i2.
  • the linearized position signal x is processed together with the currents il and i2 by the controller unit Gr2 to the control signals vl and v2, respectively, and fed to the amplifier units Gal and Ga2. This closes the control loop, via which the rotor is stabilized at the working point.
  • FIG. 6A shows the basic circuit diagram of an amplifier unit Gal or Ga2.
  • the power amplifier 30 supplies a current which is converted by the electromagnet into a force which attracts the rotor. Since the electromagnet is predominantly inductive, the current must be built up using the voltage of the power amplifier. For economic reasons, the power amplifier is usually not dimensioned so strongly that it could regulate every load case without amplifier saturation. Accordingly, the amplifier saturation belongs to an expected operating case and must be within the arrangement of the sensorless one Magnetic bearing are taken into account. When the level control of the power amplifier reaches amplifier saturation, higher harmonic interference signals are fed into the electromagnets. These interference signals affect the demodulation and thus undesirably get into the position information.
  • the voltage of the power amplifier begins to oscillate in high frequency during transient processes, the system recovering from this state after a certain time. This undesirable behavior must be prevented for industrial applications. This is done by taking over the voltage and current limits from special circuits outside the power amplifier, which respond earlier than the internal limits of the power amplifier.
  • the voltage limitation is part of the amplifier unit Gal, while the current limitation is part of the regulator unit Grl and will be described later.
  • 6A is divided into a limiter or limiter G12, a low-pass filter Gt2 and a commercially available power amplifier 30 with input 1 and output 2.
  • Limiter G12 limits the input of the amplifier unit at a value slightly below the maximum possible output voltage of the Amplifier.
  • the limiter generates spectrally high frequencies that must be damped by the low-pass filter Gt2. With this measure, the coupling of frequencies in the range of the modulation frequency is suppressed.
  • Fig. 6B shows the principle circuit diagram of an electromagnet with a center tap, a current measurement 'and a feed of Modulationssignal ⁇ what has been shown as a function block Gml in Fig. 5A, or as functional blocks GML and Gm2 in Fig. 5B.
  • the windings 53 and 53 'of an electromagnet 54 are connected to ground via a current measuring resistor 66.
  • the modulation signal 60 'of a modulation source 60 which is grounded on one side, is connected to the center tap 67' of the windings 53 and 53 'via a coupling impedance 63 and a capacitance 67.
  • the output voltage of the power amplifier is present at input 3 of winding 53.
  • a magnetic bearing system also regulates the current through the electromagnets. For this purpose, the current must be measured, as is done here when using a current measuring resistor 66.
  • the current signal is then amplified and filtered.
  • a capacitance 67 for potential isolation is connected to the center tap 67 'of the electromagnet 54. The purpose of this capacitance is to prevent low-frequency signals from the power amplifier and to largely transmit the modulation signals.
  • the capacitance 67 is to be dimensioned such that the modulation source, which has a low supply voltage, is not driven at too low a frequency by the power amplifier, since saturation of the modulation source would lead to the loss of the position signal and thus to instability of the magnetic bearing system.
  • the modulation frequency In view of a simple spectral separation, it is desirable to choose the modulation frequency as high as possible.
  • the sensor should have a good path sensitivity, but this is no longer the case when the frequencies are too high.
  • the high-frequency impedance of the magnetic bearing is mainly characterized by the eddy current-induced coil inductance and the path-independent coil capacitance.
  • the position-related change in the magnetic bearing impedance decreases with magnetic bearings due to the eddy currents and the coil capacity, the interference caused by the operation of the force controller increasing.
  • the resonance frequency of the magnetic bearing impedance, formed from the parallel resonant circuit, the coil inductance and the coil capacitance, laminated magnetic bearings have a high path sensitivity, so that this range is suitable for the modulation frequency.
  • this resonance range is strongly damped by the eddy currents, which is also transferred to the path sensitivity.
  • it is essential to reduce the resonance frequency by means of an additional capacitance connected in parallel with the electromagnet, and to select the modulation frequency equal to the reduced resonance frequency.
  • FIG. 6C shows a demodulator Gdl for a one-sided magnetic bearing arrangement in a schematic representation.
  • the present one is based on synchronous rectification.
  • the measurement signal is present at input 6 of the demodulator.
  • the offset is subtracted from this measurement signal by subtracting half the modulation signal 40 '.
  • the modulation signal 40 ' is obtained from the modulation signal 60' of the modulation source 60 by halving. It is assumed here that the coupling impedance 63 has been optimally designed. With an adjustable factor 40, the offset deduction can be set so that the output 7 of the demodulator is 0 V at the operating point of the rotor.
  • the Bandpass Gb has two functions. On the one hand, it serves to keep frequencies outside the modulation frequency away from the demodulator. It should be noted here that the modulation frequency shifts depending on the movement of the rotor. The bandpass must neither dampen nor shift the modulation frequency. Both would worsen the dynamic position measurement. On the other hand, it is the task of the bandpass filter Gb to prevent the demodulator from being overdriven. In the case of transient control processes, the power amplifier controls the magnetic bearing with high voltages which, if the bandpass is dimensioned incorrectly, reach the demodulator and drive it to saturation.
  • the demodulation takes place with an analog multiplier 43, which multiplies the output of the bandpass with the demodulation signal 64 'of a demodulation source 64.
  • the demodulation signal is out of phase with the modulation signal.
  • the adjustable gain factor 42 determines the slope of the position signal.
  • the low-pass filter Gt3 connected downstream of the multiplier 43 removes from the position signal the signal generated by the synchronous rectification at twice the modulation frequency.
  • the output 7 of the demodulator corresponds to the non-linearized position signal.
  • FIG. 6D shows a demodulator Gd2 for a two-sided magnetic bearing arrangement in a schematic representation. This consists of the two inputs 14 and 15 of the measurement signals and the output 16 of the non-linearized position signal. The subtraction of the two measurement signals eliminates the offset, which had to be deducted separately for the one-sided magnetic bearing arrangement. Any offset error that could arise due to a slight asymmetry of the two-sided arrangement can be compared with the coefficient 41, after which an adjusted measurement signal 41 'is fed to the subtraction. After subtraction, the remaining signal 45 is fed to a bandpass Gb. The remaining part of the demodulator corresponds to the already described demodulator for one-sided magnetic bearings (FIG. 6C).
  • FIG. 6E shows a controller unit Grl for magnetic bearings in a one-sided arrangement in a schematic representation.
  • the controller inputs consist of the position signal 12 and the current through the electromagnet 11.
  • the controller output 13 corresponds to the target voltage of the power amplifier.
  • the speed of the rotor is required by the state control. It is derived from the position signal with the differentiator Dl.
  • the position signal is filtered with a low-pass filter Gtl before the differentiation.
  • the controller coefficients kx, kv and kc reference is made to the relevant literature in the field of control engineering.
  • the current limitation is a component of the controller structure and thus prevents the current saturation of the power amplifier.
  • the current limitation can be integrated into a controller structure with cascaded current and position control.
  • the target current of the position controller output is limited with the limiter GH.
  • the limited setpoint current is added to the quiescent current iO for the premagnetization. This is followed by the current control, which ensures that the current through the electromagnet matches the current specification.
  • FIG. 6F shows a controller unit Gr2 for magnetic bearings in a two-sided arrangement in a schematic representation.
  • the controller inputs consist of the position signal 22 and the currents through the electromagnets 21 and 23.
  • the controller outputs 24 and 25 speak the target voltages of the two power amplifiers.
  • the position control and the limitation of the target current agree with the description of the controller unit Grl for magnetic bearings on one side (Fig. 6E).
  • the limited setpoint current is added to the quiescent current OK in the first current regulator and subtracted from the quiescent current OK in the second current regulator. This is followed by the current control, which ensures that the currents through the two opposite electromagnets match the current specifications.
  • the distance measuring method is non-linear. Accordingly, it may be necessary to correct the non-linearity of the position signal.
  • the non-linearity and the hysteresis of the magnetization characteristic curve produce a position error that can be taken into account to a certain extent by including the currents of the electromagnets (MD Noh and EH Maslen, Self-Sensing Magnetic Bearings - Effects of Saturation, Fifth Int. Symp. On Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, pp. 113-118).
  • the linearization characteristic is particularly important for magnetic bearings in a one-sided arrangement. In the technically usual two-sided arrangement, the linearity of the position signal is usually so good due to the formation of differences that a linearization characteristic curve can be dispensed with.
  • the compensation circuit gel for one-sided magnetic bearings (Fig. 5A) consists of a non-linearized position signal xn (input 9), which is linearized depending on the current through the electromagnet, and appears at the output 10 as a linearized position signal x.
  • the compensation circuit Gc2 for two-sided magnetic bearings also consists of a non-linearized position signal xn (input 18), which is linearized depending on the currents through the two opposite electromagnets (inputs 17 and 19), and at output 20 as linearized position signal x appears.
  • FIGS. 7A to 7E illustrate that the modulation arrangement shown in FIG. 6B is only one of many possibilities.
  • FIGS. 7A to 7E are as far as compared to FIG. 6B further simplified that a representation of the current measurement with the current measuring resistor 66 and the capacitance 67 for potential isolation has been dispensed with. For this purpose, both the measurement tap and the reference potential were drawn in to clearly define the measurement signal 5.
  • the connection 3 of the electro-magnet is connected to the output of the power amplifier.
  • the measuring inductance has the same size as the electromagnet and therefore causes the power amplifier to be oversized. It is therefore a cost factor.
  • FIG. 7B shows a further arrangement which is particularly advantageous from an economic point of view.
  • the modulation source 60, the modulation signal 60 'and the coupling impedance 63 correspond to FIG. 7A.
  • the use of two magnetic circuits enables center tapping within the electromagnet 54, as a result of which an additional measuring inductance is no longer required. Apart from the additional connection to the electromagnet, this does not result in any further costs and the amplifier does not need to be oversized.
  • External measuring inductors reduce the path sensitivity by at least a factor of 2 in the equal to the path sensitivity of the present arrangement, which thus generates a position signal with the best signal-to-noise ratio.
  • FIG. 7C shows an arrangement comparable to FIG. 7A, but here the measuring inductance is replaced by a transformer 55.
  • the low-resistance winding 59 of the transformer is connected to the winding 53 of the electromagnet 50 and has the same functions as the measuring inductance. Accordingly, the transformer has the same size as the measuring inductance.
  • the measurement signal 5 is tapped at the high-resistance winding 59 'of the transformer.
  • the modulation signal 60 'of the modulation source 60 is fed in at the center tap, formed from the winding of the electromagnet and the low-ohmic winding of the transformer, via the coupling impedance 63.
  • the transformer enables impedance conversion and potential isolation of the measuring tap. However, both properties do not offer any noteworthy advantages.
  • FIG. 7D shows an arrangement comparable to FIG. 7A, with the measuring inductance being replaced by a transformer 55 here too.
  • the low-resistance winding 59 of the transformer is connected to the winding 53 of the electromagnet 50 and forms the tap for the measurement signal 5.
  • the modulation signal 60 'of the modulation source 60 is fed in via the coupling impedance 63 to the high-resistance winding 59' 'of the transformer.
  • the transformer effects an impedance conversion from the low-resistance to the high-resistance winding. In this way, the signal power can be increased while the voltage of the modulation signal source is kept constant, in order to generate an increased path sensitivity.
  • FIG. 7E shows a further transformer arrangement, which combines that of FIGS. 7C and 7D, in that the transformer 56 is equipped with two high-resistance windings 59 ′ and 59 ′′, and also a low-resistance winding 59, which is connected to the electromagnet 50.
  • the measurement signal 5 is tapped at one high-omnid winding 59 'and the modulation signal 60' from the modulation source 60 is fed in at the other 59 '' via the coupling impedance 63.
  • the suitability of the present modulation method was checked by means of impedance measurements of various types of electromagnets and by means of an exemplary embodiment.
  • the aim of the impedance measurements was to quantify the signal-to-noise ratio and to determine the optimal modulation frequency.
  • the signal-to-noise ratio of a laminated magnetic bearing in a one-sided arrangement is approximately 10-20.
  • the signal-to-noise ratio is approximately 1-2, given the same modulation frequency, due to the larger eddy currents in the unblanked core parts.
  • With magnetic bearings in a two-sided arrangement eg radial bearings), a large part of the interference sensitivity is eliminated due to the common-mode rejection, which is why the signal-to-noise ratio improves by a factor of about 5-10.
  • the signal-to-noise ratio refers to a modulation frequency of 100 kHz.
  • the signal-to-noise ratio can be increased to around 15-60 if the modulation frequency is reduced to 10 kHz.
  • a signal-to-noise ratio of 5-10 is sufficient for the implementation of sensorless magnetic bearings with modulation methods.
  • all types of magnetic bearings are suitable for the modulation process up to 100 kHz.
  • the experimental setup contains a magnetic bearing in a two-sided arrangement, consisting of two electromagnets with an E-shape (see FIG. 2) and an evaluation circuit largely based on FIG. 5B.
  • the most important characteristics of the evaluation circuit are listed below:
  • Modulation signal 100 kHz, 20 V pp
  • Phase position of the demodulator 90 degrees
  • Gb 1st order bandpass with corner frequencies from 30 kHz and 300 kHz
  • Gt3 2nd order low pass with a corner frequency of 2 kHz
  • the deviation from x to a straight line is so small that the use of a linearization characteristic Gc2 has been dispensed with.
  • the measurement took place up to the mechanical stop of the magnetic bearing, which is located in half of the air gap.
  • a calibrated inductive position sensor served as the reference xref of the measurement.
  • the 8B shows the difference x-xref from the position signal to the signal from the reference sensor.
  • the RMS error (Root Mean Square), standardized to the maximum possible range of movement of the rotor, is 0.13% and corresponds to an absolute error of l ⁇ m. It can be seen that x-xref runs on different tracks depending on the direction of movement of the rotor. This is a consequence of the disturbing influence caused by the hysteresis of the magnetization characteristic.

Abstract

The invention relates to a sensor-free magnetic bearing actuated according to the modulation method. The position information required for regulating the magnetic bearing is obtained from the air-gap dependent properties of the impedance of the electromagnets. This impedance is measured at high-frequency, with regulating structures, filters and limiters being provided to prevent the power actuator of the magnetic bearing from disturbing the measurement of impedance. The invention further relates to devices corresponding to said method, in which both the input of the high-frequency modulation signal (60') and the analysis of the impedance of the electromagnet (50) are effected with an external measuring inductance (51) or at the midpoint tap of the electromagnet. This has the advantage of producing a high-quality measurement signal (62') at low modulation currents.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR REGELUNG EINES SENSORLOSEN MAGNETU.GERS METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A SENSORLESS MAGNETU.GER
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen, mit welchen der Abstand zwischen den Elektromagneten und dem Rotor eines Magnetlagersystems mittels einer hochfrequenten Impedanzmessung geregelt werden kann gemäss den Patentansprüchen 1 und 8.The invention relates to methods and devices with which the distance between the electromagnets and the rotor of a magnetic bearing system can be regulated by means of a high-frequency impedance measurement in accordance with patent claims 1 and 8.
Magnetlager ermöglichen eine berührungslose Lagerung von Rotoren und arbeiten vollständig verschleiss-, wartungs- und schmiermittelfrei. Sie bringen daher in verschiedenen Anwendungen wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lagerungsmethoden. Das sensorlose Magnetlager ist eine spezielle Form der Magnetlager, bei welchem kein externer Positionssensor benötigt wird. Die Positionsinformation wird durch die luftspaltabhängigen Eigenschaften des Magnetlagers gewonnen.Magnetic bearings enable contactless storage of rotors and work completely free of wear, maintenance and lubricants. In various applications, they therefore offer significant advantages over conventional storage methods. The sensorless magnetic bearing is a special form of magnetic bearing in which no external position sensor is required. The position information is obtained through the air gap-dependent properties of the magnetic bearing.
Der Hauptvorteil des sensorlosen Magnetlagers besteht in der Reduktion der Herstellungskosten. Zudem besitzt es weitere Vorzüge, die es zur Lösung von technischen Problemen interessant machen. Durch den fehlenden Sensorträger vereinfacht sich die Konstruktion, die Montage und die Wartung des Magnetlagersystems. Der Rotor kann kompakter gebaut werden, was seine Eigenfrequenzen erhöht. Weil die Zuleitungen zum Sensorträger entfallen, verkleinert sich zudem die Ausfallwahrscheinlichkeit der Anlage. Für einen sensorlosen Magnetlagerbetrieb sind zwei grundlegende Verfahrensweisen bekannt:The main advantage of the sensorless magnetic bearing is the reduction in manufacturing costs. It also has other advantages that make it interesting for solving technical problems. The lack of a sensor carrier simplifies the design, assembly and maintenance of the magnetic bearing system. The rotor can be made more compact, which increases its natural frequencies. Because there are no cables to the sensor carrier, the probability of failure of the system is also reduced. Two basic procedures are known for sensorless magnetic bearing operation:
Modulationsverfahren : Ein Elektromagnet weist im Aufbau die gleiche Struktur wie ein induktiver Wegsensor auf, und lässt sich auch als solcher betreiben. Mit einer geeigneten spektralen Trennung, bei welcher dem Kraftsteller der niederfrequente und der Sensorik der hochfrequente Bereich zugeordnet wird, lassen sich diese beiden Aufgaben gleichzeitig mit demselben physikalischen Element erledigen. Das sensorlose Magnetlager mit Modulationsverfahren ist nach DE-OS 2537597 bekannt. Dort wird vorge- schlagen, den niederfrequenten Regelstrom mit einem hochfrequenten Sensorstrom zu überlagern, und die luftspaltabhängige Sensorspannung an Mittelabgriffen der Magnetlagerspulen zu messen. M.D. Noh und E.H. Maslen nutzen die hochfrequente Trägerfrequenz des Schaltyerstärkers, um daraus ein Positionssignal zu gewinnen (Self-Sensing Magnetic Bearings, Fifth Int. Symp. on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, S. 95-100).Modulation method: The structure of an electromagnet has the same structure as an inductive displacement sensor, and can also be operated as such. With a suitable spectral separation, in which the power controller is assigned the low-frequency range and the sensor system the high-frequency range, these two tasks can be carried out simultaneously with the same physical element. The sensorless magnetic bearing with modulation method is known from DE-OS 2537597. There is suggest superimposing the low-frequency control current with a high-frequency sensor current and measuring the air gap-dependent sensor voltage at the center taps of the magnetic bearing coils. MD Noh and EH Maslen use the high-frequency carrier frequency of the competitor's amplifier to obtain a position signal (Self-Sensing Magnetic Bearings, Fifth Int. Symp. On Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, pp. 95-100).
Verfahren mit linearem Regler: Bewegt sich der Rotor im Luftspalt, wird ähnlich wie bei einem drehenden Gleichstrommotor Spannung über der Spule des Elektromagneten induziert. Diese ändert den Verlauf des Stromes durch die Spule. Wird nun der Strom gemessen und die Spannung gesteuert, lassen sich die fehlenden Streckenzustände, Position und Geschwindigkeit des Rotors, mit einem Beobachter bestimmen und anschliessend mit einer Regelung stabilisieren. In der Patentschrift CH-678090 wird die Modellierung der Regelstrecke und die Auslegung des Reglers ausführlich beschrieben. In EP-Al-0549912 wird ein sensorloses Magnetlagersystem beschrieben, welches den linearen Regler mit dem Modulationsverfahren kombiniert. Dabei wird das Modulationssignal verwendet, um ein statisches Positionssignal zu gewinnen, welches die negative Steifigkeit des sensorlosen Magnetlagers entfernt .Linear controller method: If the rotor moves in the air gap, voltage is induced across the coil of the electromagnet, similar to a rotating DC motor. This changes the course of the current through the coil. If the current is now measured and the voltage is controlled, the missing track conditions, position and speed of the rotor can be determined with an observer and then stabilized with a controller. Patent specification CH-678090 describes the modeling of the controlled system and the design of the controller in detail. EP-Al-0549912 describes a sensorless magnetic bearing system which combines the linear controller with the modulation method. The modulation signal is used to obtain a static position signal that removes the negative stiffness of the sensorless magnetic bearing.
Obwohl die beiden Verfahren des sensorlosen Magnetlagers die Positionsinformation aus der luftspaltabhängigen Impedanz des Magnetlagers extrahieren, unterscheiden sie sich durch die der Sensorik zugewiesenen Frequenzbereiche. Das Modulationsverfahren misst die Impedanz deutlich oberhalb der Frequenzbandbreite des Reglers, während das Verfahren mit linearem Regler die Eigenschaften der Magnetlagerimpedanz innerhalb der Reglerstruktur umsetzt, d.h. Sensorik und Regelung besitzen den gleichen Frequenzbereich. Die Vereinigung von Sensorik und Regelung beim sensorlosen Magnetlager mit linearem Regler kann zwar mit einfachsten Mitteln und kostengünstig in Hardware umgesetzt werden. Weil aber eine direkt messbare Positionsinformation in einer solchen Magnetlageranordnung nicht vorhanden ist, erweist sich die Inbetriebnahme dieses Verfahrens als äusserst schwierig, zumal sich das Gesamtsystem sehr empfindlich in Bezug auf Strec- kenparameter verhält . Neben den Inbetriebnahmeproblemen wirkt sich die Parameterempfindlichkeit auch negativ auf die System- robustheit aus. Der Robustheitsverlust ist im Vergleich zu einem Magnetlagersystem mit externem Positionssensor beträchtlich. Da keine Möglichkeit besteht, die Robustheit dieses Verfahrens weiter zu steigern, besteht ein grosses Interesse, die Vorzüge des sensorlosen Magnetlagers bei Verwendung des Modulationsverfahrens trotz des leicht erhöhten Hardwareaufwands zu nutzen.Although the two methods of the sensorless magnetic bearing extract the position information from the air gap-dependent impedance of the magnetic bearing, they differ in the frequency ranges assigned to the sensors. The modulation method measures the impedance well above the frequency bandwidth of the controller, while the method with a linear controller implements the properties of the magnetic bearing impedance within the controller structure, ie sensors and controls have the same frequency range. The combination of sensors and control in the sensorless magnetic bearing with linear controller can be implemented in hardware with the simplest of means and at low cost. However, because there is no directly measurable position information in such a magnetic bearing arrangement, the commissioning of this method proves to be extremely difficult, especially since the overall system is very sensitive to stretching. kenparameter behaves. In addition to the commissioning problems, the parameter sensitivity also has a negative impact on the system robustness. The loss of robustness is considerable in comparison to a magnetic bearing system with an external position sensor. Since there is no way to further increase the robustness of this method, there is great interest in using the advantages of the sensorless magnetic bearing when using the modulation method despite the slightly increased hardware complexity.
Die Funktionsweise des Modulationsverfahrens basiert auf der Eigenschaft, dass ein Elektromagnet nicht nur zur Erzeugung von Kräften (Kraftsteller) , sondern auch für berührungslose Abstandsmessungen (Positionssensor) dienen kann. Die Ausführung einer solchen berührungsfreien Positionsmessung ist an den Aufbau und an die Funktionsweise von induktiven Positionssensoren geknüpft. Bei induktiven Positionssensoren wird der Abstand zu einem metallischen Körper bei Verwendung einer Messspule gemessen. Die Messspule besteht, vergleichbar zu einem Elektromagneten, aus einem Kern und aus einer oder mehreren Wicklungen. Die Impedanz der Messspule ändert sich mit dem Abstand zum Messobjekt, und wird mit der entsprechenden Auswerteschaltung zu einem Positionssignal umgewandelt. Der Aufbau des Modulationsverfahrens umfasst typischerweise eine an die Verfahrensweise von induktiven Positionssensoren angelehnte Auswerteschaltung. Diese liefert das Positionssignal für den Regler, welcher die Elektromagnete ansteuert und den Rotor im Arbeitspunkt behält.The functionality of the modulation method is based on the property that an electromagnet can not only be used to generate forces (force controller), but also for non-contact distance measurements (position sensor). The execution of such a contact-free position measurement is linked to the structure and the functioning of inductive position sensors. With inductive position sensors, the distance to a metallic body is measured when using a measuring coil. Comparable to an electromagnet, the measuring coil consists of a core and one or more windings. The impedance of the measuring coil changes with the distance to the object to be measured and is converted into a position signal with the corresponding evaluation circuit. The structure of the modulation method typically comprises an evaluation circuit based on the method of inductive position sensors. This provides the position signal for the controller, which controls the electromagnets and keeps the rotor in the working point.
Eine solche Auswerteschaltung besteht im allgemeinen aus einem Modulator, einer Messgrösse und einem Demodulator. Die Aufgabe des Modulators besteht in einer hochfrequenten Anregung des Messsystems, welche an der geeigneten Stelle einzuspeisen ist. Das Modulationssignal entspricht real einer hochfrequenten Spannungsquelle, die vorzugsweise einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Die Grundfrequenz des Modulators wird als Modulationsfrequenz bezeichnet. Die Messgrösse bzw. das Messsignal stellt sich in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion "Einspeisestelle des Modulationssignals zu Abgriffsstelle" ein. Der Abstand zwischen Elektromagnet und Rotor ändert die Amplitude des Messsignals, welche vom Demodulator ausgewertet wird. Es gibt vielfältige Realisierungsvarianten für einen Demodulator. Als Beispiele seien Synchrongleichrichtung und Spitzenwertgleich- richtung genannt. Die Modulationsfrequenz braucht nicht zwangsweise konstant zu sein. So können beispielsweise Messanordnungen bei Verwendung von Hystereseschaltern oder PLL' s (Phase Locked Loop) Schwingkreise realisiert werden, deren Schwingfrequenz die Messgrösse darstellt. Bei der Realisierung eines Sensors ist es wichtig, ein Messsignal mit möglichst grosser Amplituden- bzw. Frequenzänderung anzustreben. Im folgenden wird dieser Umstand als die Weg-Sensitivität des Positionssignals bezeichnet. Neben der Weg-Sensitivität besitzt jedes reale Positionssignal auch eine Stör-Sensitivität . Diese erzeugt ebenfalls eine Amplitudenbzw. Frequenzänderung des Messsignals. Natürlich ist es wichtig, dass die Weg-Sensitivität die Stör-Sensitivität deutlich überwiegt .Such an evaluation circuit generally consists of a modulator, a measured variable and a demodulator. The task of the modulator is to excite the measuring system at high frequency, which must be fed in at the appropriate point. The modulation signal actually corresponds to a high-frequency voltage source, which preferably has a sinusoidal shape. The basic frequency of the modulator is referred to as the modulation frequency. The measurement variable or the measurement signal is set as a function of the transfer function "feed point of the modulation signal to the tap". The distance between the electromagnet and the rotor changes the amplitude of the measurement signal, which is evaluated by the demodulator. There are diverse implementation options for a demodulator. Examples are synchronous rectification and peak value rectification. The modulation frequency does not necessarily have to be constant. For example, measuring arrangements can be implemented using hysteresis switches or PLLs (Phase Locked Loop) resonant circuits, the oscillating frequency of which represents the measured variable. When realizing a sensor, it is important to aim for a measurement signal with the greatest possible change in amplitude or frequency. In the following, this circumstance is referred to as the path sensitivity of the position signal. In addition to the path sensitivity, each real position signal also has an interference sensitivity. This also generates an amplitude. Frequency change of the measurement signal. Of course it is important that the path sensitivity clearly outweighs the disturbance sensitivity.
Fig. 1A zeigt wie bekannte sensorlose Magnetlager mit Modulationsverfahren die Auswerteschaltung für das Positionssignal integrieren. Das Modulationssignal 60' der Modulationsquelle 60 wird zum Ausgangssignal 61 des Reglers hinzuaddiert, und in den Leistungsverstärker 30 eingespeist. Der Leistungsverstärker kann entweder als linearer oder geschalteter Verstärker ausgebildet werden. Im Falle eines geschalteten Verstärkers kann die Schaltfrequenz als Modulationssignal verwendet werden. Am Ausgang des Leistungsverstärkers 30 ist ein Anschluss 70 der Wicklung 69 des Elektromagneten 50 angehängt. Der andere Anschluss 71 der Wicklung 69 ist mit einer Messinduktivität 51 verbunden, die ihrerseits an Masse verbunden ist, und bildet die Abgriffstelle 62 für das Messsignal 62' . Das Messsignal 62' wird anschliessend dem Demodulator 65 zugeführt, der dieses zu einem Positionssignal x umwandelt. Das Positionssignal beschreibt die Abweichung des Rotors 31 vom Arbeitspunkt xO . Der Abstand xl vom Elektromagneten 50 zum Rotor 31 entspricht dem Luftspalt des Magnetlagers und beträgt xl = xO - x. Die Impedanzen und die Signale innerhalb dieser Beschreibung werden im Frequenzbereich verstanden. Sie sind dementsprechend komplexe Grossen, welche Amplituden- und Phaseninformation beinhalten.1A shows how known sensorless magnetic bearings with modulation methods integrate the evaluation circuit for the position signal. The modulation signal 60 'of the modulation source 60 is added to the output signal 61 of the controller and fed into the power amplifier 30. The power amplifier can be designed as either a linear or switched amplifier. In the case of a switched amplifier, the switching frequency can be used as a modulation signal. A terminal 70 of the winding 69 of the electromagnet 50 is attached to the output of the power amplifier 30. The other connection 71 of the winding 69 is connected to a measuring inductance 51, which in turn is connected to ground, and forms the tap 62 for the measuring signal 62 '. The measurement signal 62 'is then fed to the demodulator 65, which converts it to a position signal x. The position signal describes the deviation of the rotor 31 from the operating point xO. The distance xl from the electromagnet 50 to the rotor 31 corresponds to the air gap of the magnetic bearing and is xl = xO - x. The impedances and signals within this description are understood in the frequency domain. Accordingly, they are complex quantities, which contain amplitude and phase information.
Obwohl die Implementierung des Modulationsverfahrens scheinbar durch einfachen Einbezug von bekannten Auswerteschaltungen induktiver Positionssensoren zu lösen ist, sind bisher keine Magnetlagersysteme bekannt, deren Systemrobustheit diejenige des Verfahrens mit linearem Regler übertroffen hätten. Die Gründe für den eigentlich unerwarteten Mangel an Systemrobustheit liegen einerseits an der unzureichenden Messpräzision der Modulationsanordnung, und andererseits an den Eigenheiten, die ein für den Kraftstellerbetrieb dimensionierter Elektromagnet für eine Sensorikaufgabe mit sich bringt. Die Eigenheiten der Elektromagnete werden nachfolgend beschrieben .Although the implementation of the modulation scheme seems to be can be solved by simply incorporating known evaluation circuits of inductive position sensors, so far no magnetic bearing systems are known whose system robustness would have exceeded that of the method with a linear controller. The reasons for the actually unexpected lack of system robustness are on the one hand the inadequate measurement precision of the modulation arrangement, and on the other hand the peculiarities that an electromagnet dimensioned for the power actuator operation brings with it for a sensor task. The peculiarities of the electromagnets are described below.
Die Baugrösse eines Elektromagneten ist aufgrund der Kräfte, die er zu erzeugen hat, gegeben. Bei induktiven Positionssensoren wird ein Verhältnis von Baugrösse der Messspule zu Messbereich von 3:1 empfohlen. Übertragen auf den Elektromagneten bedeutet dies, dass der empfohlene Luftspalt sehr gross sein müsste. Zwar gibt es Applikationen mit grossem Luftspalt, aber in der Regel ist der Luftspalt klein, damit das Magnetlager grosse Lagerkräfte erzeugen kann. Infolge des ungünstigen Verhältnisses von Baugrösse des Elektromagneten zu Messabstand reduziert sich beim Elektromagneten die maximal mögliche Änderung der Impedanz im zulässigen Luftspaltbereich, was sich in einer Verschlechterung Weg-Sensitivität äussert .The size of an electromagnet is given by the forces that it has to generate. For inductive position sensors, a ratio of the size of the measuring coil to the measuring range of 3: 1 is recommended. Transferred to the electromagnet, this means that the recommended air gap should be very large. There are applications with a large air gap, but as a rule the air gap is small so that the magnetic bearing can generate large bearing forces. As a result of the unfavorable ratio of the size of the electromagnet to the measuring distance, the maximum possible change in impedance in the permissible air gap area is reduced for the electromagnet, which manifests itself in a deterioration in displacement sensitivity.
Neben der Baugrösse unterscheidet sich der Elektromagnet auch im Kernmaterial . Der Kern des Elektromagneten besteht typischerweise aus Blechpaketen, die für Motoren und Transformatoren optimiert sind. Sie eignen sich bis hin zu Frequenzen von wenigen 100 Hz. Bei höheren Frequenzen steigen die Wirbelstromverluste in den Blechen deutlich an. Die Wirbelstromverluste dienen bei diversen induktiven Positionssensoren zur Erzeugung der Messgrösse. Bei Elektromagneten aber, wieder eine Folge des ungünstigen Verhältnisses von Baugrösse des Elektromagneten zu Messbereich, verursachen die Wirbelstromverluste mit steigender Modulationsfrequenz eine zunehmende Verschlechterung der Weg- Sensitivität .In addition to the size, the electromagnet also differs in the core material. The core of the electromagnet typically consists of laminated cores that are optimized for motors and transformers. They are suitable up to frequencies of a few 100 Hz. At higher frequencies, the eddy current losses in the sheets increase significantly. The eddy current losses are used in various inductive position sensors to generate the measured variable. In the case of electromagnets, however, again as a result of the unfavorable ratio of the size of the electromagnet to the measuring range, the eddy current losses cause the path sensitivity to deteriorate with increasing modulation frequency.
Reale Spulen besitzen neben ihrer Selbstinduktivität noch eine Spulenkapazität. Diese wird hervorgerufen durch die Potential- unterschiede, die zwischen den benachbarten Wicklungen auftreten. Die Spulenkapazität ist unabhängig vom Luftspalt und führt bei hohen Modulationsfrequenzen (etwa 100-500 kHz) zu einem vollständigen Verlust des Messsignals, d.h. trotz änderndem Luftspalt erfährt die Impedanz des Elektromagneten keine Änderungen mehr. Die Spulenkapazität eines induktiven Positionssensors ist verhältnismässig viel kleiner und erlaubt entsprechend deutlich höhere Modulationsfrequenzen.In addition to their self-inductance, real coils also have a coil capacity. This is caused by the potential differences that occur between the adjacent windings. The coil capacitance is independent of the air gap and leads to a complete loss of the measurement signal at high modulation frequencies (approx. 100-500 kHz), ie the impedance of the electromagnet no longer changes despite the changing air gap. The coil capacity of an inductive position sensor is comparatively much smaller and accordingly allows significantly higher modulation frequencies.
Da der Elektromagnet im Kraftstellerbetrieb eine hohe magnetische Durchflutung des Eisens bewirkt, entsteht eine spürbare Änderung der Permeabilität des Eisens bei der Aussteuerung des Elektromagneten während den Ausregelvorgängen. Eine Permeabilitätsänderung erzeugt eine Änderung der Impedanz des Elektromagneten, und geht als zusätzliche Stör-Sensitivität in das Positionssignals ein. M.D. Noh und E.H. Maslen beschreiben eine Kompensationsschaltung, die diesem Effekt entgegenwirkt (Self- Sensing Magnetic Bearings - Effects of Saturation, Fifth Int. Symp. on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, S. 113-118). Da die Kompensationsschaltung sehr komplexe Effekte wie die nichtlineare und hystereseüberlagerte Permeabilitätskennlinie berücksichtigen muss, wird in realen Systemen immer ein permeabilitätsbedingter Anteil in der Stör-Sensitivität erhalten bleiben.Since the electromagnet causes a high magnetic flooding of the iron in the power controller mode, there is a noticeable change in the permeability of the iron when the electromagnet is controlled during the adjustment processes. A change in permeability creates a change in the impedance of the electromagnet and is included in the position signal as an additional sensitivity to interference. M.D. Noh and E.H. Maslen describe a compensation circuit that counteracts this effect (Self-Sensing Magnetic Bearings - Effects of Saturation, Fifth Int. Symp. On Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, pp. 113-118). Since the compensation circuit must take into account very complex effects such as the nonlinear and hysteresis-superimposed permeability characteristic, a permeability-related portion of the interference sensitivity will always be retained in real systems.
Die Erläuterungen über die Eigenheiten der Elektromagnete verdeutlichen, dass die Weg-Sensitivität bei sensorlosen Magnetlagern schlechter ist als diejenige von induktiven Positionssensoren. Zudem besitzen die Elektromagnete eine Stör-Sensitivität, die um ein vielfaches grösser ist als bei induktiven Positionssensoren. Das Verhältnis von Weg-Sensitivität zu Stör-Sensitivität, im folgenden Störabstand genannt, ist beim sensorlosen Magnetlager prinzipbedingt gering. Es ist deshalb von grosser Wichtigkeit, Auswerteschaltungen anzustreben, welche die maximal erreichbare Weg-Sensitivität ausnutzen, ohne aber die Stör-Sensitivität zu erhöhen.The explanations about the peculiarities of the electromagnets make it clear that the path sensitivity in sensorless magnetic bearings is worse than that of inductive position sensors. In addition, the electromagnets have an interference sensitivity that is many times greater than that of inductive position sensors. The ratio of path sensitivity to interference sensitivity, hereinafter referred to as the signal-to-noise ratio, is low in principle for sensorless magnetic bearings. It is therefore of great importance to strive for evaluation circuits that utilize the maximum achievable path sensitivity without increasing the sensitivity to interference.
In der bekannten Anordnung gemäss Fig. 1A entsteht ein grosser Verlust an Störabstand infolge der Modulation mittels des Lei- stungsverstarkers 30. Bei einer Modulationsfrequenz von 10-100 kHz beträgt die positionsbedingte Amplitudenänderung des Messsignals nur wenige Prozente der Amplitude im Arbeitspunkt. Somit müsste der Leistungsverstärker ein Modulationssignal generieren, dessen Amplitudengenauigkeit weit unterhalb des Prozentbereichs liegt, um die Stör-Sensitivität nicht unnötig zu vergrössern. Reale Leistungsverstärker können die geforderte Amplitudenpräzision nicht erreichen, da sie neben der Modulation auch hohe Ströme für den Kraftstellerbetrieb liefern müssen.In the known arrangement according to FIG. 1A, there is a large loss of signal-to-noise ratio due to the modulation by means of power amplifier 30. At a modulation frequency of 10-100 kHz, the position-related change in amplitude of the measurement signal is only a few percent of the amplitude at the operating point. The power amplifier would therefore have to generate a modulation signal whose amplitude accuracy is far below the percentage range in order not to unnecessarily increase the interference sensitivity. Real power amplifiers cannot achieve the required amplitude precision because, in addition to the modulation, they also have to deliver high currents for power controller operation.
Unter allen Modulationsanordnungen wird einzig in DE-OS 2537597 ein Verfahren aufgeführt, das nicht mit dem Leistungsverstärker moduliert. Es verwendet eine hochfrequente Stromquelle zur Erzeugung des Modulationssignals. In der Praxis ist dies aber problematisch, da eine Stromquelle ein geregeltes Element ist, das je nach Belastung der Stromquelle zu unerwünschten Schwingungen neigt. Eine stabile Stromquelle zu realisieren ist schwierig, da das zu regelnde System bei den hohen Frequenzen Streckennichtlinearitäten besitzt, die sich infolge der langen Zuleitungen zu den Elektromagneten und der wirbelstrombehafteten Impedanz der Elektromagnete ergeben.Among all modulation arrangements, only a method is listed in DE-OS 2537597 that does not modulate with the power amplifier. It uses a high frequency power source to generate the modulation signal. In practice, however, this is problematic since a current source is a regulated element which, depending on the load on the current source, tends to produce undesirable vibrations. It is difficult to realize a stable current source, since the system to be controlled has path non-linearities at the high frequencies, which result from the long leads to the electromagnets and the eddy current impedance of the electromagnets.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mit welchen der Abstand zwischen den Elektromagneten und dem Rotor eines Magnetlagersystems mittels einer hochfrequenten Impedanzmessung geregelt werden kann.It is the object of the present invention to specify methods and devices with which the distance between the electromagnets and the rotor of a magnetic bearing system can be regulated by means of a high-frequency impedance measurement.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäss dem Wortlaut des Patentanspruches 1 und einer Vorrichtung gemäss dem Wortlaut des Patentanspruches 8 gelöst. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:According to the invention, this object is achieved with a method according to the wording of claim 1 and a device according to the wording of claim 8. The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1A Bekannte Anordnung für eine Impedanzmessung mit MessinduktivitätFig. 1A Known arrangement for an impedance measurement with measuring inductance
Fig. 1B Erfindungsgemässe Anordnung für eine Impedanzmessung mit Messinduktivität1B arrangement according to the invention for an impedance measurement with measuring inductance
Fig. 2 Anordnung für eine Impedanzmessung bei mehreren magnetischen KreisenFig. 2 arrangement for an impedance measurement in several magnetic circuits
Fig. 3 Darstellung eines Radiallagers mit vier Einspeise- stellen3 representation of a radial bearing with four feed put
Fig. 4A Darstellung eines bekannten Axiallagers im SchnittFig. 4A representation of a known thrust bearing in section
Fig. 4B Darstellung eines erfindungsgemässen Axiallagers im Schnitt mit zwei magnetischen Kreisen im LagerquerschnittFig. 4B representation of an axial bearing according to the invention in section with two magnetic circles in the bearing cross section
Fig. 5A Blockschaltbild eines sensorlosen Magnetlagersystems in einseitiger Anordnung5A block diagram of a sensorless magnetic bearing system in a one-sided arrangement
Fig. 5B Blockschaltbild eines sensorlosen Magnetlagersystems in zweiseitiger Anordnung5B block diagram of a sensorless magnetic bearing system in a two-sided arrangement
Fig. 6A Prinzipschaltbild einer Verstärkereinheit6A block diagram of an amplifier unit
Fig. 6B Prinzipschaltbild eines Elektromagneten mit Mittelabgriff, einer Strommessung und einer Einspeisung des Modulationssignals6B basic circuit diagram of an electromagnet with center tap, a current measurement and a feed of the modulation signal
Fig. 6C Prinzipschaltbild eines Demodulators für Magnetlagersysteme in einseitiger AnordnungFig. 6C block diagram of a demodulator for magnetic bearing systems in a one-sided arrangement
Fig. 6D Prinzipschaltbild eines Demodulators für Magnetlagersysteme in zweiseitiger Anordnung6D basic circuit diagram of a demodulator for magnetic bearing systems in a two-sided arrangement
Fig. 6E Prinzipschaltbild eines Reglers für Magnetlagersysteme in einseitiger AnordnungFig. 6E block diagram of a controller for magnetic bearing systems in a one-sided arrangement
Fig. 6F Prinzipschaltbildeines Reglers für Magnetlagersysteme in zweiseitiger AnordnungFig. 6F Block diagram of a controller for magnetic bearing systems in a two-sided arrangement
Fig. 7A Anordnung für eine Einspeisung des Modulationssignals und für einen Abgriff der Messgrösse bei Verwendung einer Messinduktivität7A arrangement for feeding the modulation signal and for tapping the measured variable when using a measuring inductance
Fig. 7B Anordnung für eine Einspeisung des Modulationssignals und für einen Abgriff der Messgrösse bei Verwendung des Mittelabgriffs eines Magnetlagers mit mehr als einem magnetischen Kreis7B arrangement for feeding the modulation signal and for tapping the measured variable when using the center tap of a magnetic bearing with more than one magnetic circuit
Fig. 7C-7E Anordnung für eine Einspeisung des Modulationssignals und für einen Abgriff der Messgrösse bei Verwendung eines Übertragers7C-7E arrangement for feeding the modulation signal and for tapping the measured variable when using a transmitter
Fig . 8A Darstellung eines gemessenen Linearitätsverlaufs des PositionsSignalsFig. 8A Representation of a measured linearity curve of the position signal
Fig. 8B Darstellung einer gemessenen absoluten Abweichung des Positionssignals zu einem Referenzsensor8B shows a measured absolute deviation of the position signal from a reference sensor
Fig. IB zeigt eine erfindungsgemässe gesonderte Einspeisung eines präzisen Modulationssignals 60' mit geringer Leistung. Der Ausgang 61 eines Reglers wird in einen Leistungsverstärker 30 eingespeist. Der Ausgang des Leistungsverstärkers 30 ist am Wicklungsanschluss 70 der Wicklung 69 eines Elektromagneten 50 angeschlossen. Der andere Wicklungsanschluss 71 ist mit einer Messinduktivität 51 und mit einer Einkopplungsimpedanz 63 verbunden, und bildet den Abgriff 62 des Messsignals 62' . Das Messsignal 62' wird anschliessend einem Demodulator 65 zugeführt, der dieses dann zu einem Positionssignal x wandelt. Der Abstand xl vom Elektromagneten 50 zum Rotor 31 entspricht dem Luftspalt des Magnetlagers und beträgt xl = xO - x. Die Einkopplungsimpedanz 63 ist komplex und kann in Form eines passiven Netzwerks aufgebaut werden. Bei Modulationsfrequenzen von 10-100 kHz liegt der Betrag der Einkopplungsimpedanz im kΩ-Bereich. Hieraus ist ersichtlich, dass die Modulationsquelle 60 im Vergleich zum Leistungsverstärker 30 nur kleine Ströme liefern muss, und entsprechend mit handelsüblichen Operationsverstärkern sehr präzis aufgebaut werden kann.FIG. 1B shows a separate feed in accordance with the invention of a precise modulation signal 60 'with low power. The output 61 of a controller is converted into a power amplifier 30 fed. The output of the power amplifier 30 is connected to the winding connection 70 of the winding 69 of an electromagnet 50. The other winding connection 71 is connected to a measuring inductance 51 and to a coupling impedance 63, and forms the tap 62 of the measuring signal 62 '. The measurement signal 62 'is then fed to a demodulator 65, which then converts it to a position signal x. The distance xl from the electromagnet 50 to the rotor 31 corresponds to the air gap of the magnetic bearing and is xl = xO - x. The coupling impedance 63 is complex and can be constructed in the form of a passive network. At modulation frequencies of 10-100 kHz, the amount of the coupling impedance is in the kΩ range. It can be seen from this that the modulation source 60 only has to deliver small currents in comparison to the power amplifier 30, and can accordingly be constructed very precisely with commercially available operational amplifiers.
Die Messinduktivität 51 ist im allgemeinen gross und teuer, und bedingt zudem eine Überdimensionierung des Leistungsverstärkers 30. Ausserdem bewirkt sie eine Reduktion der Weg-Sensitivität, die aus bereits genannten Gründen vermieden werden sollte. Ein Verzicht auf die Messinduktivität 51 wäre demnach aus mehrfacher Sicht vorteilhaft.The measuring inductance 51 is generally large and expensive, and also requires the power amplifier 30 to be oversized. In addition, it causes a reduction in the path sensitivity, which should be avoided for the reasons already mentioned. A waiver of the measuring inductance 51 would therefore be advantageous from several perspectives.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung für eine Impedanzmessung bei mehreren magnetischen Kreisen, wodurch die obengenannten Problempunkte vermieden werden. Wiederum wird der Ausgang 61 des Reglers in den Leistungsverstärker 30 eingespeist. Ein Elektromagnet 52 besitzt nun nicht mehr die Form eines U-Magneten mit einer Wicklung, sondern die Form eines E-Magneten mit den zwei Wicklungen 69' und 69' ' . Diese Veränderung der Bauform ist notwendig, da eine Elektromagnetstruktur mit mindestens zwei magnetischen Kreisen 66', 66'' und 67 benötigt wird. Der magnetische Fluss in den Kreisen 66' und 66' ' entspricht hierbei dem Leistungsfluss, der durch einen Rotor 31 geführt wird und der zur Erzeugung der Lagerkräfte benötigt wird. Er wird erzeugt, indem der Ausgang des Leistungsverstärkers 30 am Anschluss 72 der in Serie geschalteten Spulenwicklungen 69', 69'' angeschlossen wird, während der Anschluss 74 mit Masse (Erde) verbunden ist. Das Modulationssignal 60' wird über die Einkopplungsimpedanz 63 am Mit- telabgriff 73 der beiden Wicklungen eingespeist, und erzeugt im magnetischen Kreis 67 den Modulationsfluss, der den Leistungs- fluss überlagert. Der Mittelabgriff 73 dient zudem als Abgriff 62 des Messsignals 62' , welches vom Demodulator 65 zum Positionssignal x umgewandelt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Anordnung mit einem U-Magneten mit zwei Wicklungen nicht dieselben Möglichkeiten bietet, da sich ohne den zweiten magnetischen Kreis entweder der Leistungsfluss oder der Modulations- fluss aufhebt, d.h. entweder die Krafterzeugung oder das Messsignal wäre 0.2 shows an arrangement for an impedance measurement in a plurality of magnetic circuits, as a result of which the above-mentioned problem points are avoided. Again, the output 61 of the controller is fed into the power amplifier 30. An electromagnet 52 no longer has the shape of a U-magnet with one winding, but rather the shape of an E-magnet with the two windings 69 'and 69''. This design change is necessary because an electromagnet structure with at least two magnetic circuits 66 ', 66''and 67 is required. The magnetic flux in the circles 66 'and 66''corresponds to the power flow, which is guided through a rotor 31 and which is required to generate the bearing forces. It is generated by connecting the output of the power amplifier 30 to the connection 72 of the coil windings 69 ′, 69 ″ connected in series, while the connection 74 is connected to ground (earth). The modulation signal 60 'is via the coupling impedance 63 at the center tapped tap 73 of the two windings, and generates in the magnetic circuit 67 the modulation flow, which superimposes the power flow. The center tap 73 also serves as a tap 62 of the measurement signal 62 ', which is converted by the demodulator 65 to the position signal x. It should be noted that an arrangement with a U-magnet with two windings does not offer the same possibilities, since without the second magnetic circuit either the power flow or the modulation flow is canceled, ie either the generation of the force or the measurement signal would be 0.
Die beschriebene Modulationsart ist mit verschiedenstem Wicklungsaufbau in den entsprechenden Elektromagnetstrukturen möglich. Wesentlich ist, dass mindestens ein zweiter magnetischer Kreis existiert.The type of modulation described is possible with a wide variety of winding structures in the corresponding electromagnetic structures. It is essential that at least one second magnetic circuit exists.
Fig. 3 beschreibt eine Modulationsanordnung für ein Radiallager, welches zur Lagerung der radialen Freiheitsgrade eines Rotors 31 dient. Das Radiallager besitzt einen Stator 52 und zeichnet sich durch ein gemeinsames Rückflussjoch der magnetischen Pole aus. Zusammen mit dem Rückfluss über den Rotor 31 verfügt es über mehrere magnetischen Kreise. Somit sind keine konstruktiven bzw. geometrischen Anpassungen notwendig, um eine zur Fig. 2 vergleichbare Modulationsanordnung zu realisieren. Sowohl beim Leistungsfluss als auch beim Modulationsfluss muss darauf geachtet werden, dass sich die Polaritäten des Magnetfeldes abwechseln. N, S bezeichnen die Nord- und Südpole des Leistungsflusses; n, s die Nord- und Südpole des Modulationsflusses. Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform kann erreicht werden, indem die Leistungsverstärker, welche die Polarität des Leistungsflusses bestimmen, an den Anschlüssen 80, 81, 82 und 83 angeschlossen werden, während die Anschlüsse 80', 81', 82' und 83' mit Erde verbunden werden. Die Leistungsverstärker liefern Ströme, die entsprechend den eingezeichneten Pfeilrichtungen durch die Spulen fHessen. Die Modulationssignale 60' der Modulationsquellen 60 werden über die Einkopplungsimpedanzen 63 an den Mittelabgriffen 84, 84', 85 und 85' eingespeist. Um die gewünschten Polaritäten des Modulationsflusses zu erhalten, werden die Modulationssignale 60' an den Mittelabgriffen 85 und 85' mit negativem Vorzeichen eingespeist. Die jeweils gegenüber- liegenden Messsignale 84 und 84' bzw. 85 und 85' werden voneinander subtrahiert, und anschliessend den Demodulatoren eingespeist, welche diese Differenzsignale zu den Positionssignalen x und y umwandeln.3 describes a modulation arrangement for a radial bearing, which is used to support the radial degrees of freedom of a rotor 31. The radial bearing has a stator 52 and is characterized by a common return yoke of the magnetic poles. Together with the backflow through the rotor 31, it has several magnetic circuits. Thus, no constructive or geometrical adjustments are necessary to implement a modulation arrangement comparable to FIG. 2. With both the power flow and the modulation flow, care must be taken that the polarities of the magnetic field alternate. N, S denote the north and south poles of the power flow; n, s the north and south poles of the modulation flow. The embodiment shown in FIG. 3 can be achieved by connecting the power amplifiers, which determine the polarity of the power flow, to the connections 80, 81, 82 and 83, while the connections 80 ', 81', 82 'and 83' with Earth. The power amplifiers deliver currents that flow through the coils according to the arrow directions. The modulation signals 60 'of the modulation sources 60 are fed in via the coupling impedances 63 at the center taps 84, 84', 85 and 85 '. In order to obtain the desired polarities of the modulation flow, the modulation signals 60 'are fed in at the center taps 85 and 85' with a negative sign. The opposite lying measurement signals 84 and 84 'or 85 and 85' are subtracted from each other, and then fed to the demodulators, which convert these difference signals to the position signals x and y.
Fig. 4A zeigt einen Querschnitt durch eine bekannte, industriell übliche Bauform eines Axiallagers. Dieses dient zur Stabilisierung des axialen Freiheitsgrades eines Rotors 31. Das Axiallager gliedert sich in den Kern 33 und die Wicklung 34 des Elektromagneten und in das Gegenstück 32, welches die Kraft auf den Rotor 31 überträgt, und bildet damit einen sogenannten Topfmagneten .4A shows a cross section through a known, industrially customary design of an axial bearing. This serves to stabilize the axial degree of freedom of a rotor 31. The axial bearing is divided into the core 33 and the winding 34 of the electromagnet and into the counterpart 32, which transmits the force to the rotor 31, and thus forms a so-called pot magnet.
Fig. 4B zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Bauform eines Axiallagers, welches eine Modulation gemäss Fig. 2 erlaubt. Der Rotors 31 und das Gegenstück 32 entsprechen denjenigen in Fig. 4A. Ein Kern 35 weist hier die beiden WicklungenFIG. 4B shows a cross section through an axial bearing design according to the invention, which permits modulation according to FIG. 2. The rotor 31 and the counterpart 32 correspond to those in Fig. 4A. A core 35 has the two windings here
36 und 37 des Elektromagneten auf. Die beiden Wicklungen 36 und36 and 37 of the electromagnet. The two windings 36 and
37 sind in Serie geschaltet, und erzeugen an der Verbindungsstelle den Mittelabgriff, welcher äquivalent zu Fig. 2 zur Einspeisung des Modulationssignals 60' über die Einkopplungsimpedanz 63 und als Messabgriff 62 dient.37 are connected in series, and generate the center tap at the connection point, which is equivalent to FIG. 2 for feeding the modulation signal 60 'via the coupling impedance 63 and as a measuring tap 62.
Fig. 5A zeigt das Blockschaltbild eines Magnetlagers in einseitiger Anordnung. Das einseitige Magnetlager ist dadurch charakterisiert, dass das Magnetlager lediglich über einen Elektromagneten verfügt, der nur Kräfte Fl in einer Richtung zu erzeugen vermag. Um das Kräftegleichgewicht herzustellen, benötigt diese Anordnung eine Gegenkraft Fg, die entweder durch die Gewichtskraft des Rotors 31 oder durch eine andersartige Kraftquelle erzeugt werden muss. Die einseitige Anordnung besteht aus einer Verstärkereinheit Gal, einem Elektromagneten Gml einschliesslich der Modulationsanordnung, einem Demodulator Gdl, einer Kompensationsschaltung Gel und einer Reglereinheit Grl . Der Ausgang der Verstärkereinheit Gal steuert eine Spannung ul über der Spule des Elektromagneten, welche den Stromfluss il durch die Spule zur Folge hat . Das Messsignal u l wird vom Demodulator Gdl zu einem Positionssignal xn umgewandelt. Allfällige Nichtlinearitä- ten des Positionssignals xn können von der Kompensationsschaltung Gel in Abhängigkeit des Stromes il teilweise linearisiert werden. Das linearisierte Positionssignal x wird zusammen mit dem Strom il von der Reglereinheit Grl zu einem Stellsignal vl verarbeitet und der Verstärkereinheit Gal zugeführt . Damit wird der Regelkreis, welcher den Rotor im Arbeitspunkt stabilisiert, geschlossen.5A shows the block diagram of a magnetic bearing in a one-sided arrangement. The one-sided magnetic bearing is characterized in that the magnetic bearing only has an electromagnet that can only generate forces F1 in one direction. In order to achieve the equilibrium of forces, this arrangement requires a counterforce Fg, which must be generated either by the weight of the rotor 31 or by some other type of force source. The one-sided arrangement consists of an amplifier unit Gal, an electromagnet Gml including the modulation arrangement, a demodulator Gdl, a compensation circuit Gel and a regulator unit Grl. The output of the amplifier unit Gal controls a voltage ul across the coil of the electromagnet, which results in the current flow il through the coil. The measurement signal ul is converted by the demodulator Gdl to a position signal xn. Any non-linearities of the position signal xn can be partially linearized by the compensation circuit Gel depending on the current il become. The linearized position signal x is processed together with the current il by the controller unit Grl to an actuating signal vl and fed to the amplifier unit Gal. This closes the control loop that stabilizes the rotor at the operating point.
Fig. 5B zeigt das Blockschaltbild eines Magnetlagers in zweiseitiger Anordnung. Das zweiseitige Magnetlager ist dadurch charakterisiert, dass das Magnetlager über zwei dem Rotor 31 gegenüberliegende Elektromagnete verfügt, welche zueinander entgegengesetzte Kräfte Fl und F2 erzeugen. Die zweiseitige Anordnung ist die industriell übliche Ausführung. Sie besteht aus zwei Verstärkereinheiten Gal und Ga2, zwei Elektromagneten Gml und Gm2 einschliesslich der Modulationsanordnung, einem Demodulator Gd2, einer Kompensationsschaltung Gc2 und einer Reglereinheit Gr2. Die Ausgänge der Verstärkereinheiten Gal, bzw. Ga2 steuern die Spannungen ul, bzw. u2 über den Spulen der beiden Elektromagnete Gml, bzw. Gm2. In der Folge fHessen die Ströme il, bzw. i2 durch die Spulen. Die Messsignale uml, bzw. um2 werden vom Demodulator Gd2 zu einem Positionssignal xn umgewandelt. Allfällige Nichtlinearitäten des Positionssignals xn können von der Kompensationsschaltung Gc2 in Abhängigkeit der Ströme il, bzw. i2 teilweise linearisiert werden. Das linearisierte Positionssignal x wird zusammen mit dem Strömen il, bzw. i2 von der Reglereinheit Gr2 zu den Stellsignalen vl, bzw. v2 verarbeitet, und den Verstärkereinheiten Gal, bzw. Ga2 zugeführt. Damit wird der Regelkreis, über welchen den Rotor im Arbeitspunkt stabilisiert wird, geschlossen.5B shows the block diagram of a magnetic bearing in a two-sided arrangement. The two-sided magnetic bearing is characterized in that the magnetic bearing has two electromagnets opposite the rotor 31, which generate opposing forces F1 and F2. The two-sided arrangement is the usual industrial version. It consists of two amplifier units Gal and Ga2, two electromagnets Gml and Gm2 including the modulation arrangement, a demodulator Gd2, a compensation circuit Gc2 and a controller unit Gr2. The outputs of the amplifier units Gal and Ga2 control the voltages ul and u2 across the coils of the two electromagnets Gml and Gm2. As a result, the currents il and i2 pass through the coils. The measurement signals um1 and um2 are converted by the demodulator Gd2 to a position signal xn. Any non-linearities of the position signal xn can be partially linearized by the compensation circuit Gc2 depending on the currents il or i2. The linearized position signal x is processed together with the currents il and i2 by the controller unit Gr2 to the control signals vl and v2, respectively, and fed to the amplifier units Gal and Ga2. This closes the control loop, via which the rotor is stabilized at the working point.
Fig. 6A zeigt das Prinzipschaltbild einer Verstärkereinheit Gal, bzw. Ga2. Der Leistungsverstärker 30 liefert einen Strom, der vom Elektromagneten in eine den Rotor anziehende Kraft umgesetzt wird. Da der Elektromagnet vorwiegend induktiv ist, muss der Strom mittels der Spannung des Leistungsverstärkers aufgebaut werden. In der Regel ist der Leistungsverstärker aus ökonomischen Gründen nicht so stark dimensioniert, dass er jeden Belastungsfall ohne Verstärkersättigung ausregeln könnte. Entsprechend gehört die Verstärkersättigung zu einem zu erwartenden Betriebsfall und muss innerhalb der Anordnung des sensorlosen Magnetlagers berücksichtigt werden. Wenn die Aussteuerung des Leistungsverstärkers die Verstärkersättigung erreicht, werden höherharmonische Störsignale in die Elektromagnete eingespeist. Diese Störsignale beeinträchtigen die Demodulation und gelangen so unerwünschterweise in die Positionsinformation. Ohne entsprechende Massnahmen beginnt die Spannung des Leistungsverstärkers bei transienten Vorgängen hochfrequent zu schwingen, wobei sich das System von diesem Zustand nach einer gewissen Zeit erholt. Für industrielle Anwendungen muss dieses unerwünschte Verhalten verhindert werden. Dies geschieht, indem die Spannungs- und die Strombegrenzung von speziellen Schaltungen ausserhalb des Leistungsverstärkers übernommen werden, welche früher ansprechen, als die internen Begrenzungen des Leistungsverstärkers. Die Spannungsbegrenzung ist Bestandteil der Verstärkereinheit Gal, während die Strombegrenzung Bestandteil der Reglereinheit Grl ist und später beschrieben wird. Die Verstärkereinheit gliedert sich gemäss Fig. 6A in einen Begrenzer, bzw. Limiter G12, ein Tiefpassfilter Gt2 und einen handelsüblichen Leistungsverstärker 30 mit Eingang 1 und Ausgang 2. Der Limiter G12 begrenzt den Eingang der Verstärkereinheit bei einem Wert leicht unterhalb der maximal möglichen AusgangsSpannung des Verstärkers . Der Limiter erzeugt spektral hohe Frequenzen, die vom Tiefpassfilter Gt2 gedämpft werden müssen. Mit dieser Massnahme wird die Ein- kopplung von Frequenzen im Bereich der Modulationsfrequenz unterdrückt .6A shows the basic circuit diagram of an amplifier unit Gal or Ga2. The power amplifier 30 supplies a current which is converted by the electromagnet into a force which attracts the rotor. Since the electromagnet is predominantly inductive, the current must be built up using the voltage of the power amplifier. For economic reasons, the power amplifier is usually not dimensioned so strongly that it could regulate every load case without amplifier saturation. Accordingly, the amplifier saturation belongs to an expected operating case and must be within the arrangement of the sensorless one Magnetic bearing are taken into account. When the level control of the power amplifier reaches amplifier saturation, higher harmonic interference signals are fed into the electromagnets. These interference signals affect the demodulation and thus undesirably get into the position information. Without appropriate measures, the voltage of the power amplifier begins to oscillate in high frequency during transient processes, the system recovering from this state after a certain time. This undesirable behavior must be prevented for industrial applications. This is done by taking over the voltage and current limits from special circuits outside the power amplifier, which respond earlier than the internal limits of the power amplifier. The voltage limitation is part of the amplifier unit Gal, while the current limitation is part of the regulator unit Grl and will be described later. 6A is divided into a limiter or limiter G12, a low-pass filter Gt2 and a commercially available power amplifier 30 with input 1 and output 2. Limiter G12 limits the input of the amplifier unit at a value slightly below the maximum possible output voltage of the Amplifier. The limiter generates spectrally high frequencies that must be damped by the low-pass filter Gt2. With this measure, the coupling of frequencies in the range of the modulation frequency is suppressed.
Fig. 6B zeigt das Prinzipschaltbild eines Elektromagneten mit Mittelabgriff, einer Strommessung 'und einer Einspeisung des Modulationssignalε, was als Funktionsblock Gml in Fig. 5A, bzw. als Funktionsblöcke Gml und Gm2 in Fig. 5B dargestellt wurde. Die Wicklungen 53 und 53' eines Elektromagneten 54 sind über einen Strommesswiderstand 66 an Masse verbunden. Das Modulationssignal 60' einer Modulationsquelle 60, welche einseitig an Masse liegt, wird über eine Einkopplungsimpedanz 63 und eine Kapazität 67 mit dem Mittelabgriff 67' der Wicklungen 53 und 53' verbunden. Am Eingang 3 der Wicklung 53 liegt die Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers an. Am Ausgang 4 des Strommesswiderstandes 66 wird das Strommesssignal und am Ausgang 5, welcher den Verbindungspunkt der Einkopplungsimpedanz 63 und der Kapazität 67 bildet, das Messsignal abgegriffen. Ein Magnetlagersystem regelt nebst der Lage des Rotors auch den Strom durch die Elektromagnete. Hierzu muss der Strom gemessen werden, wie dies hier bei Verwendung eines Strommesswiderstands 66 geschieht. Das Stromsignal wird anschliessend verstärkt und gefiltert. Am Mittelabgriff 67' des Elektromagneten 54 ist eine Kapazität 67 zur Potentialtrennung angeschlossen. Die Aufgabe dieser Kapazität besteht darin, niederfrequente Signale von Seite des Leistungsverstärkers zu verhindern, und die Modulationssignale weitgehend zu übertragen. Die Kapazität 67 ist so zu dimensionieren, dass die Modulationsquelle, welche eine niedrige Versorgungsspannung besitzt, durch den Leistungsverstärker nicht zu stark niederfrequent ausgesteuert wird, da die Sättigung der Modulationsquelle zum Verlust des Positionssignals und damit zu Instabilität des Magnetlagersystems führen würde. Mit Rücksicht auf eine einfache spektrale Trennung ist es wünschenswert, die Modulationsfrequenz so hoch wie möglich zu wählen. Andererseits sollte der Sensor eine gute Weg-Sensitivität besitzen, welche aber bei allzu hohen Frequenzen nicht mehr gegeben ist. Die hochfrequente Impedanz des Magnetlagers wird vorwiegend durch die wirbelstrombehaftete Spuleninduktivität und die wegunabhängige Spulenkapazität charakterisiert. Mit zunehmender Frequenz nimmt bei Magnetlagern wegen den Wirbelströmen und der Spulenkapazität die positionsbedingte Änderung der Magnetlagerimpedanz ab, wobei der Störeinfluss durch den Kraftstellerbetrieb zunimmt. Bei der Resonanzfrequenz der Magnetlagerimpedanz, gebildet aus dem Parallelschwingkreis, der Spuleninduktivität und der Spulenkapazität, besitzen geblechte Magnetlager eine hohe Weg- Sensitivität, so dass dieser Bereich sich für die Modulationsfrequenz eignet. Bei Magnetlagern, wo sich ungeblechte Teile innerhalb des magnetischen Flusses befinden (z.B. bei Axiallagern) , ist dieser Resonanzbereich durch die Wirbelströme stark gedämpft, was sich auch auf die Weg-Sensitivität überträgt. Für diese Art Magnetlager ist es unerlässlich, die Resonanzfrequenz mittels einer zum Elektromagneten parallelgeschalteten zusätzlichen Kapazität zu senken, und die Modulationsfrequenz gleich der reduzierten Resonanzfrequenz zu wählen.Fig. 6B shows the principle circuit diagram of an electromagnet with a center tap, a current measurement 'and a feed of Modulationssignalε what has been shown as a function block Gml in Fig. 5A, or as functional blocks GML and Gm2 in Fig. 5B. The windings 53 and 53 'of an electromagnet 54 are connected to ground via a current measuring resistor 66. The modulation signal 60 'of a modulation source 60, which is grounded on one side, is connected to the center tap 67' of the windings 53 and 53 'via a coupling impedance 63 and a capacitance 67. The output voltage of the power amplifier is present at input 3 of winding 53. At the output 4 of the current measurement resistor 66, the current measurement signal and at the output 5, which is the connection point of the coupling impedance 63 and Capacitance 67 forms, the measurement signal tapped. In addition to the position of the rotor, a magnetic bearing system also regulates the current through the electromagnets. For this purpose, the current must be measured, as is done here when using a current measuring resistor 66. The current signal is then amplified and filtered. A capacitance 67 for potential isolation is connected to the center tap 67 'of the electromagnet 54. The purpose of this capacitance is to prevent low-frequency signals from the power amplifier and to largely transmit the modulation signals. The capacitance 67 is to be dimensioned such that the modulation source, which has a low supply voltage, is not driven at too low a frequency by the power amplifier, since saturation of the modulation source would lead to the loss of the position signal and thus to instability of the magnetic bearing system. In view of a simple spectral separation, it is desirable to choose the modulation frequency as high as possible. On the other hand, the sensor should have a good path sensitivity, but this is no longer the case when the frequencies are too high. The high-frequency impedance of the magnetic bearing is mainly characterized by the eddy current-induced coil inductance and the path-independent coil capacitance. With increasing frequency, the position-related change in the magnetic bearing impedance decreases with magnetic bearings due to the eddy currents and the coil capacity, the interference caused by the operation of the force controller increasing. At the resonance frequency of the magnetic bearing impedance, formed from the parallel resonant circuit, the coil inductance and the coil capacitance, laminated magnetic bearings have a high path sensitivity, so that this range is suitable for the modulation frequency. In magnetic bearings, where there are unbleached parts within the magnetic flux (e.g. axial bearings), this resonance range is strongly damped by the eddy currents, which is also transferred to the path sensitivity. For this type of magnetic bearing, it is essential to reduce the resonance frequency by means of an additional capacitance connected in parallel with the electromagnet, and to select the modulation frequency equal to the reduced resonance frequency.
Fig. 6C zeigt einen Demodulator Gdl für eine einseitige Magnet- lageranordnung in schematischer Darstellung. Wie bereits erwähnt, gibt es verschiedene Demodulationsanordnungen. Die vorliegende basiert auf einer Synchrongleichrichtung. Am Eingang 6 des Demodulators liegt das Messsignal an. Von diesem Messsignal wird mit der Subtraktion des halben Modulationssignals 40' der Offset abgezogen. Das Modulationssignal 40' wird aus dem Modulationssignal 60' der Modulationsquelle 60 durch Halbierung gewonnen. Hierbei wird angenommen, dass die Einkopplungsimpedanz 63 optimal ausgelegt wurde. Mit einem abgleichbaren Faktor 40 kann der Offsetabzug so eingestellt werden, dass der Ausgang 7 des Demodulators 0 V im Arbeitspunkt des Rotors beträgt . Nachdem der Offset vom Messsignal abgezogen wurde, wird das verbleibende Signal 45 einem Bandpass Gb zugeführt. Dem Bandpass Gb kommen zwei Funktionen zu. Einerseits dient er dazu, Frequenzen aus- serhalb der Modulationsfrequenz vom Demodulator fernzuhalten. Hierbei gilt zu beachten, dass sich die Modulationsfrequenz in Abhängigkeit zur Bewegung des Rotors verschiebt . Der Bandpass darf die verschobene Modulationsfrequenz weder dämpfen noch phasenverschieben. Beides würde die dynamische Positionsmessung verschlechtern. Andererseits ist es Aufgabe des Bandpasses Gb, eine Übersteuerung des Demodulators zu verhindern. Bei transienten Ausregelvorgängen steuert der Leistungsverstärker das Magnetlager mit hohen Spannungen an, welche bei falscher Dimensionierung des Bandpasses bis hin zum Demodulator gelangen, und diesen in die Sättigung treiben. Die Folge wäre der Verlust des Positionssignals und somit Instabilität des Magnetlagersystems. Die Demodulation erfolgt mit einem analogen Multiplizierer 43, welcher den Ausgang des Bandpasses mit dem Demodulationssignal 64' einer Demodulationsquelle 64 multipliziert. Das Demodulationssignal ist phasenverschoben zum Modulationssignal. Der abgleichbare Verstärkungsfaktor 42 bestimmt die Steigung des Positionssignals. Der dem Multiplizierer 43 nachgeschaltete Tiefpass Gt3 entfernt aus dem Positionssignal das von der Synchrongleichrichtung erzeugte Signal mit doppelter Modulationsfrequenz. Der Ausgang 7 des Demodulators entspricht dem nicht-linearisierten Positionssignal .6C shows a demodulator Gdl for a one-sided magnetic bearing arrangement in a schematic representation. As already mentioned, there are various demodulation arrangements. The present one is based on synchronous rectification. The measurement signal is present at input 6 of the demodulator. The offset is subtracted from this measurement signal by subtracting half the modulation signal 40 '. The modulation signal 40 'is obtained from the modulation signal 60' of the modulation source 60 by halving. It is assumed here that the coupling impedance 63 has been optimally designed. With an adjustable factor 40, the offset deduction can be set so that the output 7 of the demodulator is 0 V at the operating point of the rotor. After the offset has been subtracted from the measurement signal, the remaining signal 45 is fed to a bandpass Gb. The Bandpass Gb has two functions. On the one hand, it serves to keep frequencies outside the modulation frequency away from the demodulator. It should be noted here that the modulation frequency shifts depending on the movement of the rotor. The bandpass must neither dampen nor shift the modulation frequency. Both would worsen the dynamic position measurement. On the other hand, it is the task of the bandpass filter Gb to prevent the demodulator from being overdriven. In the case of transient control processes, the power amplifier controls the magnetic bearing with high voltages which, if the bandpass is dimensioned incorrectly, reach the demodulator and drive it to saturation. The result would be the loss of the position signal and thus instability of the magnetic bearing system. The demodulation takes place with an analog multiplier 43, which multiplies the output of the bandpass with the demodulation signal 64 'of a demodulation source 64. The demodulation signal is out of phase with the modulation signal. The adjustable gain factor 42 determines the slope of the position signal. The low-pass filter Gt3 connected downstream of the multiplier 43 removes from the position signal the signal generated by the synchronous rectification at twice the modulation frequency. The output 7 of the demodulator corresponds to the non-linearized position signal.
Fig. 6D zeigt einen Demodulator Gd2 für eine zweiseitige Magnetlageranordnung in schematischer Darstellung. Dieser besteht aus den beiden Eingängen 14 und 15 der Messsignale und dem Ausgang 16 des nicht-linearisierten Positionssignals. Durch die Subtraktion der beiden Messsignale entfällt der Offset, welcher bei der einseitigen Magnetlageranordnung gesondert abgezogen werden musste. Ein allfälliger Offsetfehler, welcher infolge einer leichten Asymmetrie der zweiseitigen Anordnung entstehen könnte, kann mit dem Koeffizienten 41 abgeglichen werden, wonach ein abgeglichenes Messsignal 41' der Subtraktion zugeführt wird. Nach der Subtraktion wird das verbleibende Signal 45 einem Bandpass Gb zugeführt. Der verbleibende Teil des Demodulators entspricht dem bereits beschriebenen Demodulator für einseitige Magnetlager (Fig. 6C) .6D shows a demodulator Gd2 for a two-sided magnetic bearing arrangement in a schematic representation. This consists of the two inputs 14 and 15 of the measurement signals and the output 16 of the non-linearized position signal. The subtraction of the two measurement signals eliminates the offset, which had to be deducted separately for the one-sided magnetic bearing arrangement. Any offset error that could arise due to a slight asymmetry of the two-sided arrangement can be compared with the coefficient 41, after which an adjusted measurement signal 41 'is fed to the subtraction. After subtraction, the remaining signal 45 is fed to a bandpass Gb. The remaining part of the demodulator corresponds to the already described demodulator for one-sided magnetic bearings (FIG. 6C).
In Fig. 6E ist eine Reglereinheit Grl für Magnetlager in einseitiger Anordnung in schematischer Darstellung. Die Reglereingänge bestehen aus dem Positionssignal 12 und dem Strom durch den Elektromagneten 11. Der Reglerausgang 13 entspricht der Sollspannung des Leistungsverstärkers. Die Geschwindigkeit des Rotors wird von der Zustandsregelung benötigt. Sie wird mit dem Differenzierer Dl vom Positionssignal abgeleitet. Um nicht unnötig höherfrequente Störsignale zu verstärken, wird das Positionssignal vor der Differentiation mit einem Tiefpass Gtl gefiltert. Für die Auslegung der Reglerkoeffizienten kx, kv und kc wird auf einschlägige Literatur im Bereich der Regelungstechnik verwiesen. Wie bereits erwähnt, ist die Strombegrenzung ein Bestandteil der Reglerstruktur, und verhindert hiermit die Stromsättigung des Leistungsverstärkers. Die Strombegrenzung lässt sich gemäss Fig. 6E in eine Reglerstruktur mit kaskadierter Strom- und Positionsregelung integrieren. Der Sollstrom des Ausgangs des Positionsreglers wird mit dem Limiter GH begrenzt. Der begrenzte Sollstrom is wird zum Ruhestrom iO für die Vormagnetisierung hinzuaddiert. Anschliessend folgt die Stromregelung, welche dafür sorgt, dass der Strom durch den Elektromagneten mit der Stromvorgabe in Übereinstimmung kommt.6E shows a controller unit Grl for magnetic bearings in a one-sided arrangement in a schematic representation. The controller inputs consist of the position signal 12 and the current through the electromagnet 11. The controller output 13 corresponds to the target voltage of the power amplifier. The speed of the rotor is required by the state control. It is derived from the position signal with the differentiator Dl. In order not to unnecessarily amplify higher-frequency interference signals, the position signal is filtered with a low-pass filter Gtl before the differentiation. For the design of the controller coefficients kx, kv and kc, reference is made to the relevant literature in the field of control engineering. As already mentioned, the current limitation is a component of the controller structure and thus prevents the current saturation of the power amplifier. According to FIG. 6E, the current limitation can be integrated into a controller structure with cascaded current and position control. The target current of the position controller output is limited with the limiter GH. The limited setpoint current is added to the quiescent current iO for the premagnetization. This is followed by the current control, which ensures that the current through the electromagnet matches the current specification.
Fig. 6F zeigt eine Reglereinheit Gr2 für Magnetlager in zweiseitiger Anordnung in schematischer Darstellung. Die Reglereingänge bestehen aus dem Positionssignal 22 und den Strömen durch die Elektromagnete 21 und 23. Die Reglerausgänge 24 und 25 ent- sprechen den Sollspannungen der beiden Leistungsverstärker. Die Positionsregelung und die Begrenzung des Sollstromes stimmt mit der Beschreibung der Reglereinheit Grl für Magnetlager einseitiger Anordnung überein (Fig. 6E) . Der begrenzte Sollstrom is wird beim ersten Stromregler zum Ruhestrom iO hinzuaddiert und beim zweiten Stromregler vom Ruhestrom iO subtrahiert. Anschliessend folgt die Stromregelung, welche dafür sorgt, dass die Ströme durch beide gegenüberliegenden Elektromagnete mit den Stromvorgaben in Übereinstimmung kommen.6F shows a controller unit Gr2 for magnetic bearings in a two-sided arrangement in a schematic representation. The controller inputs consist of the position signal 22 and the currents through the electromagnets 21 and 23. The controller outputs 24 and 25 speak the target voltages of the two power amplifiers. The position control and the limitation of the target current agree with the description of the controller unit Grl for magnetic bearings on one side (Fig. 6E). The limited setpoint current is added to the quiescent current OK in the first current regulator and subtracted from the quiescent current OK in the second current regulator. This is followed by the current control, which ensures that the currents through the two opposite electromagnets match the current specifications.
Das Wegmessverfahren ist nichtlinear. Entsprechend kann es unter Umständen notwendig sein, die Nichtlinearität des Positionssignals zu korrigieren. Zudem erzeugt die Nichtlinearität und die Hysterese der Magnetisierungskennlinie einen Positionsfehler, der durch den Einbezug der Ströme der Elektromagnete zu einem gewissen Grad berücksichtigt werden kann (M.D. Noh und E.H. Maslen, Self-Sensing Magnetic Bearings - Effects of Saturation, Fifth Int. Symp. on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, S. 113-118) . Die Linearisierungskennlinie ist vor allem für Magnetlager in einseitiger Anordnung von Bedeutung. In der technisch üblichen zweiseitigen Anordnung ist die Linearität des Positionssignals infolge der Differenzenbildung meist so gut, dass auf eine Linearisierungskennlinie verzichtet werden kann.The distance measuring method is non-linear. Accordingly, it may be necessary to correct the non-linearity of the position signal. In addition, the non-linearity and the hysteresis of the magnetization characteristic curve produce a position error that can be taken into account to a certain extent by including the currents of the electromagnets (MD Noh and EH Maslen, Self-Sensing Magnetic Bearings - Effects of Saturation, Fifth Int. Symp. On Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, pp. 113-118). The linearization characteristic is particularly important for magnetic bearings in a one-sided arrangement. In the technically usual two-sided arrangement, the linearity of the position signal is usually so good due to the formation of differences that a linearization characteristic curve can be dispensed with.
Die Kompensationsschaltung Gel für einseitige Magnetlager (Fig. 5A) besteht aus einem nicht-linearisierten Positionssignal xn (Eingang 9) , welcher in Abhängigkeit des Stromes durch den Elektromagneten linearisiert wird, und am Ausgang 10 als lineari- siertes Positionssignal x erscheint.The compensation circuit gel for one-sided magnetic bearings (Fig. 5A) consists of a non-linearized position signal xn (input 9), which is linearized depending on the current through the electromagnet, and appears at the output 10 as a linearized position signal x.
Die Kompensationsschaltung Gc2 für zweiseitige Magnetlager (Fig. 5B) besteht ebenfalls aus einem nicht-linearisierten Positionssignal xn (Eingang 18) , welcher aber in Abhängigkeit der Ströme durch die beiden gegenüberliegenden Elektromagnete (Eingänge 17 und 19) linearisiert wird, und am Ausgang 20 als linearisiertes Positionssignal x erscheint.The compensation circuit Gc2 for two-sided magnetic bearings (Fig. 5B) also consists of a non-linearized position signal xn (input 18), which is linearized depending on the currents through the two opposite electromagnets (inputs 17 and 19), and at output 20 as linearized position signal x appears.
Fig. 7A bis 7E verdeutlichen, dass die in Fig. 6B dargestellte Modulationsanordnung lediglich eine von vielen Möglichkeiten ist. Die Fig. 7A bis 7E sind im Vergleich zu Fig. 6B soweit weiter vereinfacht, dass auf eine Darstellung der Strommessung mit dem Strommesswiderstand 66 und der Kapazität 67 für die Potentialtrennung verzichtet wurde. Dafür wurde zur eindeutigen Definition des Messsignals 5 sowohl der Messabgriff als auch das Bezugspotential eingezeichnet. Der Anschluss 3 des Elektomagne- ten ist mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers verbunden.7A to 7E illustrate that the modulation arrangement shown in FIG. 6B is only one of many possibilities. FIGS. 7A to 7E are as far as compared to FIG. 6B further simplified that a representation of the current measurement with the current measuring resistor 66 and the capacitance 67 for potential isolation has been dispensed with. For this purpose, both the measurement tap and the reference potential were drawn in to clearly define the measurement signal 5. The connection 3 of the electro-magnet is connected to the output of the power amplifier.
Fig. 7A beschreibt eine Modulationsanordnung, bei welcher der Mittelabgriff, gebildet aus dem Elektromagneten 50 und der Messinduktivität 51, als Messabgriff 5 und als Einspeisestelle des Modulationssignals 60' der Modulationsquelle 60 über die Einkopplungsimpedanz 63 dient. Der Vorzug dieser Anordnung besteht darin, dass keine zusätzlichen Anschlüsse beansprucht werden ausser denjenigen, die für den Kraftstellerbetrieb ohnehin vorhanden wären. Entsprechend eignet sich diese Anordnung für Anwendungen, wo eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit gefordert wird. Beispielsweise wäre ein in einer Gasturbine eingesetztes Magnetlager hohen Temperaturen und Vibrationen ausgesetzt, weshalb man bemüht wäre, auf möglichst viele Magnetlagerelemente in der direkten Umgebung der Gasturbine zu verzichten. Für solche Einsatzgebiete eignet sich das sensorlose Magnetlager mit der Modulationsanordnung gemäss Fig. 7A sehr gut, da die Anzahl elektrischer Zuleitungen zum Elektromagneten minimal ist, und da keine externe Positionssensorik benötigt wird. Die Nachteile dieser Anordnung sind offensichtlich: Die Messinduktivität besitzt dieselbe Baugrösse wie der Elektromagnet und bedingt dadurch eine Überdimensionierung des Leistungsverstärkers. Sie ist somit ein Kostenfaktor.7A describes a modulation arrangement in which the center tap, formed from the electromagnet 50 and the measuring inductance 51, serves as a measuring tap 5 and as a feed point for the modulation signal 60 'of the modulation source 60 via the coupling impedance 63. The advantage of this arrangement is that no additional connections are used except for those that would already be available for the power controller operation. Accordingly, this arrangement is suitable for applications where a low probability of failure is required. For example, a magnetic bearing used in a gas turbine would be exposed to high temperatures and vibrations, which is why efforts would be made to dispense with as many magnetic bearing elements as possible in the direct vicinity of the gas turbine. The sensorless magnetic bearing with the modulation arrangement according to FIG. 7A is very well suited for such fields of application, since the number of electrical leads to the electromagnet is minimal, and since no external position sensors are required. The disadvantages of this arrangement are obvious: the measuring inductance has the same size as the electromagnet and therefore causes the power amplifier to be oversized. It is therefore a cost factor.
Fig. 7B zeigt eine weitere und aus ökonomischer Sicht besonders vorteilhafte Anordnung. Die Modulationsquelle 60, das Modulationssignal 60' und die Einkopplungsimpedanz 63 entsprechen Fig. 7A. Die Nutzung zweier magnetischer Kreise ermöglicht einen Mittelabgriff innerhalb des Elektromagneten 54, wodurch eine zusätzliche Messinduktivität nicht mehr benötigt wird. Dadurch entstehen, abgesehen vom zusätzlichen Anschluss am Elektromagneten, keine weiteren Kosten, und der Verstärker braucht nicht überdimensioniert zu werden. Externe Messinduktivitäten reduzieren die Weg-Sensitivität um mindestens einen Faktor 2 im Ver- gleich zur Weg-Sensitivität der vorliegenden Anordnung, welche somit ein Positionssignal mit dem besten Störabstand erzeugt.7B shows a further arrangement which is particularly advantageous from an economic point of view. The modulation source 60, the modulation signal 60 'and the coupling impedance 63 correspond to FIG. 7A. The use of two magnetic circuits enables center tapping within the electromagnet 54, as a result of which an additional measuring inductance is no longer required. Apart from the additional connection to the electromagnet, this does not result in any further costs and the amplifier does not need to be oversized. External measuring inductors reduce the path sensitivity by at least a factor of 2 in the equal to the path sensitivity of the present arrangement, which thus generates a position signal with the best signal-to-noise ratio.
Fig. 7C zeigt eine zu Fig. 7A vergleichbare Anordnung dargestellt, wobei aber hier die Messinduktivität durch einen Übertrager 55 ersetzt wird. Die niederohmige Wicklung 59 des Übertragers ist mit der Wicklung 53 des Elektromagneten 50 verbunden, und hat dieselben Funktionen wie die Messinduktivität zu erfüllen. Entsprechend erhält der Übertrager die gleiche Baugrösse wie die Messinduktivität. An der hochohmigen Wicklung 59' des Übertragers wird das Messsignal 5 abgegriffen. Das Modulationssignal 60' der Modulationsquelle 60 wird am Mittelabgriff, gebildet aus der Wicklung des Elektromagneten und der nieder- ohmigen Wicklung des Übertragers, über die Einkopplungsimpedanz 63 eingespeist. Der Übertrager ermöglicht eine Impedanzwandlung und eine Potentialtrennung des Messabgriffs. Beide Eigenschaften bieten aber keine nennenswerten Vorzüge.FIG. 7C shows an arrangement comparable to FIG. 7A, but here the measuring inductance is replaced by a transformer 55. The low-resistance winding 59 of the transformer is connected to the winding 53 of the electromagnet 50 and has the same functions as the measuring inductance. Accordingly, the transformer has the same size as the measuring inductance. The measurement signal 5 is tapped at the high-resistance winding 59 'of the transformer. The modulation signal 60 'of the modulation source 60 is fed in at the center tap, formed from the winding of the electromagnet and the low-ohmic winding of the transformer, via the coupling impedance 63. The transformer enables impedance conversion and potential isolation of the measuring tap. However, both properties do not offer any noteworthy advantages.
Fig. 7D zeigt eine zu Fig. 7A vergleichbare Anordnung dargestellt, wobei auch hier die Messinduktivität durch einen Übertrager 55 ersetzt wird. Die niederohmige Wicklung 59 des Übertragers ist mit der Wicklung 53 des Elektromagneten 50 verbunden und bildet den Abgriff für das Messsignal 5. Das Modulationssignal 60' der Modulationsquelle 60 wird über die Einkopplungsimpedanz 63 an der hochohmigen Wicklung 59'' des Übertragers eingespeist. Der Übertrager bewirkt in Abhängigkeit des Wicklungsverhältnisses von der niederohmigen zur hochohmigen Wicklung eine Impedanzwandlung. So kann bei konstant gehaltener Spannung der Modulationssignalquelle die Signalleistung gesteigert werden, um eine erhöhte Weg-Sensitivität zu erzeugen.FIG. 7D shows an arrangement comparable to FIG. 7A, with the measuring inductance being replaced by a transformer 55 here too. The low-resistance winding 59 of the transformer is connected to the winding 53 of the electromagnet 50 and forms the tap for the measurement signal 5. The modulation signal 60 'of the modulation source 60 is fed in via the coupling impedance 63 to the high-resistance winding 59' 'of the transformer. Depending on the winding ratio, the transformer effects an impedance conversion from the low-resistance to the high-resistance winding. In this way, the signal power can be increased while the voltage of the modulation signal source is kept constant, in order to generate an increased path sensitivity.
Fig. 7E zeigt eine weitere Übertrageranordnung, welche jene der Fig. 7C und 7D vereint, indem der Übertrager 56 mit zwei hochohmigen Wicklungen 59' und 59'', sowie einer niederohmigen Wicklung 59 ausgestattet wird, welche mit dem Elektromagneten 50 verbunden ist. An der einen hochomigen Wicklung 59' wird das Messsignal 5 abgegriffen, und an der anderen 59'' wird das Modulationssignal 60' der Modulationsquelle 60 über die Einkopplungsimpedanz 63 eingespeist. Die Eignung des vorliegenden Modulationsverfahrens wurde mittels Impedanzmessungen verschiedenster Elektromagnettypen und mittels eines Ausführungsbeispiels geprüft. Das Ziel der Impedanzmessungen bestand darin, den Störabstand zu quantifizieren, und die optimale Modulationsfrequenz zu ermitteln. Der Störabstand eines geblechten Magnetlagers in einseitiger Anordnung beträgt etwa 10-20. Bei einseitigen Axiallagern beträgt der Störabstand bei gleichbleibender Modulationsfrequenz wegen der grösseren Wirbelströme in den ungeblechten Kernteilen etwa 1-2. Bei Magnetlagern in zweiseitiger Anordnung (z.B. Radiallager) entfällt durch die Gleichtaktunterdrückung ein grosser Teil der Stör-Sensitivität, weshalb sich der Störabstand um einen Faktor von etwa 5-10 verbessert. Dies führt letztlich zu einem Störabstand für Radiallager von 50-200 und für Axiallager von 5-20. Die obengenannten Werte der Störabstände beziehen sich auf eine Modulationsfrequenz von 100 kHz. Bei Axiallagern kann der Störabstand auf etwa 15-60 angehoben werden, wenn die Modulationsfrequenz auf 10 kHz reduziert wird. Ein Störabstand von 5-10 ist für die Realisierung von sensorlosen Magnetlagern mit Modulationsverfahren genügend. Ausser den einseitigen Axiallagern sind somit alle Magnetlagertypen für das Modulationsverfahren bis hin zu 100 kHz geeignet .FIG. 7E shows a further transformer arrangement, which combines that of FIGS. 7C and 7D, in that the transformer 56 is equipped with two high-resistance windings 59 ′ and 59 ″, and also a low-resistance winding 59, which is connected to the electromagnet 50. The measurement signal 5 is tapped at one high-omnid winding 59 'and the modulation signal 60' from the modulation source 60 is fed in at the other 59 '' via the coupling impedance 63. The suitability of the present modulation method was checked by means of impedance measurements of various types of electromagnets and by means of an exemplary embodiment. The aim of the impedance measurements was to quantify the signal-to-noise ratio and to determine the optimal modulation frequency. The signal-to-noise ratio of a laminated magnetic bearing in a one-sided arrangement is approximately 10-20. In the case of one-sided axial bearings, the signal-to-noise ratio is approximately 1-2, given the same modulation frequency, due to the larger eddy currents in the unblanked core parts. With magnetic bearings in a two-sided arrangement (eg radial bearings), a large part of the interference sensitivity is eliminated due to the common-mode rejection, which is why the signal-to-noise ratio improves by a factor of about 5-10. Ultimately, this leads to a signal-to-noise ratio for radial bearings of 50-200 and for axial bearings of 5-20. The values of the signal-to-noise ratios refer to a modulation frequency of 100 kHz. For thrust bearings, the signal-to-noise ratio can be increased to around 15-60 if the modulation frequency is reduced to 10 kHz. A signal-to-noise ratio of 5-10 is sufficient for the implementation of sensorless magnetic bearings with modulation methods. In addition to the one-sided axial bearings, all types of magnetic bearings are suitable for the modulation process up to 100 kHz.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel mit einem Freiheitsgrad beschrieben. Der Versuchsaufbau enthält ein Magnetlager in zweiseitiger Anordnung, bestehend aus zwei Elektromagneten mit E-Form (vgl. Fig. 2) und einer weitgehend an Fig. 5B angelehnten Auswerteschaltung. Nachfolgend sind die wichtigsten Kenndaten der Auswerteschaltung aufgeführt:An exemplary embodiment with one degree of freedom is described below. The experimental setup contains a magnetic bearing in a two-sided arrangement, consisting of two electromagnets with an E-shape (see FIG. 2) and an evaluation circuit largely based on FIG. 5B. The most important characteristics of the evaluation circuit are listed below:
Modulationssignal: 100 kHz, 20 Vpp Modulation signal: 100 kHz, 20 V pp
Einkopplungsimpedanz: 5 kΩCoupling impedance: 5 kΩ
Leistungsverstärker: +/- 50 V, 2 APower amplifier: +/- 50 V, 2 A
Phasenlage des Demodulators: 90 gradPhase position of the demodulator: 90 degrees
Bandbreite des Positionssignals: 1 kHzPosition signal bandwidth: 1 kHz
Gb: Bandpass 1. Ordnung mit Eckfrequenzen v. 30 kHz und 300 kHz Gt3: Tiefpass 2. Ordnung mit Eckfrequenz von 2 kHz Gt2 : Tiefpass 3. Ordnung mit Eckfrequenz von 2 kHz Fig. 8A zeigt den am Ausführungsbeispiel gemessene Linearitäts- verlauf des Positionssignals x. Die Abweichung von x zu einer Geraden ist so gering, dass auf die Verwendung einer Linearisierungskennlinie Gc2 verzichtet wurde. Die Messung erfolgte bis hin zum mechanischen Anschlag des Magnetlagers, welcher sich in der Hälfte des Luftspalts befindet. Als Referenz xref der Messung diente ein kalibrierter induktiver Positionssensor.Gb: 1st order bandpass with corner frequencies from 30 kHz and 300 kHz Gt3: 2nd order low pass with a corner frequency of 2 kHz Gt2: 3rd order low pass with a corner frequency of 2 kHz 8A shows the linearity curve of the position signal x measured using the exemplary embodiment. The deviation from x to a straight line is so small that the use of a linearization characteristic Gc2 has been dispensed with. The measurement took place up to the mechanical stop of the magnetic bearing, which is located in half of the air gap. A calibrated inductive position sensor served as the reference xref of the measurement.
Fig. 8B zeigt die Differenz x-xref vom Positionssignal zum Signal des Referenzsensors . Der RMS-Fehler (Root Mean Square) , normiert auf den maximal möglichen Bewegungsbereich des Rotors, beträgt 0.13% und entspricht einem absoluten Fehler von lμm. Es lässt sich erkennen, dass x-xref je nach Bewegungsrichtung des Rotors auf unterschiedlichen Bahnen läuft. Dies ist eine Folge der störenden Beeinflussung durch die Hysterese der Magnetisierungskennlinie .8B shows the difference x-xref from the position signal to the signal from the reference sensor. The RMS error (Root Mean Square), standardized to the maximum possible range of movement of the rotor, is 0.13% and corresponds to an absolute error of lμm. It can be seen that x-xref runs on different tracks depending on the direction of movement of the rotor. This is a consequence of the disturbing influence caused by the hysteresis of the magnetization characteristic.
Die Inbetriebnahme des Modulationsverfahrens ist einfach. Abgesehen vom Abgleich des Nulloffsets 40 bzw. 41 und der Steigung 42 des Positionssignals (Fig. 6C und 6D) sind keine weiteren Abgleiche notwendig. Da das Sensorsignal unabhängig vom Kraftstellerbetrieb getestet werden kann, entstehen bei genügender spektraler Trennung zwischen Regelung und Sensorik keine Schwierigkeiten bei der Inbetriebnahme der Regelung.Commissioning the modulation process is easy. Apart from the adjustment of the zero offset 40 or 41 and the slope 42 of the position signal (FIGS. 6C and 6D), no further adjustments are necessary. Since the sensor signal can be tested independently of the power controller operation, there is no difficulty in commissioning the controller if there is sufficient spectral separation between the controller and sensors.
Aus den Messergebnissen des Ausführungsbeispiels wird ersichtlich, dass sich mit der vorliegenden Modulationsmethode ein robustes sensorloses Magnetlagersystem realisieren lässt. Der Aufbau des Modulationsverfahrens ist leicht aufwendiger als der des sensorlosen Magnetlagers mit linearem Regler. Dieser Mehraufwand wird aber mit einer wesentlich besseren Systemrobustheit kompensiert . It can be seen from the measurement results of the exemplary embodiment that a robust sensorless magnetic bearing system can be implemented with the present modulation method. The structure of the modulation process is slightly more complex than that of the sensorless magnetic bearing with a linear controller. However, this additional effort is compensated for with much better system robustness.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Regelung des Abstandes zwischen dem Rotor und den Elektromagneten eines Magnetlagersystemes, welches mindestens einen Elektromagneten umfasst, wobei jedem Elektromagneten eine Sensorelektronik, eine Regelung und ein Leistungsverstärker zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Modulationssignal (60') über mindestens eine Einkopplungsimpedanz (63) eingespiesen wird, dass mindestens eine luft- spaltabhängige Impedanz der Elektromagnete hochfrequent gemessen und zu mindestens einem Positionssignal umgewandelt wird, dass das Positionssignal mindestens einer Reglereinheit zugeführt wird, in welchem Reglersignale zu mindestens einem Reglerausgang aufbereitet werden, dass der Reglerausgang einer Verstärkereinheit zugeführt wird, in welchem der Reglerausgang aufbereitet wird, und dass das Signal des Verstärkerausganges mindestens einer Wicklung der Elektromagnete zugeführt wird, wodurch der Regelkreis geschlossen wird.1. A method for regulating the distance between the rotor and the electromagnets of a magnetic bearing system, which comprises at least one electromagnet, wherein each electromagnet is assigned sensor electronics, a regulator and a power amplifier, characterized in that at least one modulation signal (60 ') via at least one Coupling impedance (63) is fed in that at least one air gap-dependent impedance of the electromagnets is measured at high frequency and converted to at least one position signal, that the position signal is fed to at least one controller unit, in which controller signals are processed to at least one controller output, that the controller output of an amplifier unit is supplied, in which the controller output is processed, and that the signal of the amplifier output is fed to at least one winding of the electromagnets, whereby the control loop is closed.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (60') beim Vorliegen einer Messinduktivität2. The method according to claim 1, characterized in that the modulation signal (60 ') in the presence of a measuring inductance
(51) am Mittelabgriff (62) des induktiven Spannungsteilers eingespeist wird, welcher durch die Messinduktivität (51) und durch die Impedanz des Elektromagneten gebildet wird.(51) is fed to the center tap (62) of the inductive voltage divider, which is formed by the measuring inductance (51) and by the impedance of the electromagnet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (60') beim Vorliegen eines Elektromagneten mit mindestens zwei magnetischen Kreisen am Mittelabgriff (62) eingespeist wird, welcher sich an der Verbindung von 2 Polschuhwicklungen befindet.3. The method according to claim 1, characterized in that the modulation signal (60 ') is fed in the presence of an electromagnet with at least two magnetic circuits at the center tap (62), which is located at the connection of 2 pole shoe windings.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (60') beim Vorliegen eines Übertragers (55) am Mittelabgriff (62) des induktiven Spannungsteilers eingespeist wird, welcher durch die Impedanz des Elektromagneten und durch eine der niederohmigen Wicklungen des Übertragers (55) gebildet wird. 4. The method according to claim 1, characterized in that the modulation signal (60 ') is fed in the presence of a transformer (55) at the center tap (62) of the inductive voltage divider, which by the impedance of the electromagnet and by one of the low-resistance windings of the transformer ( 55) is formed.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (60') beim Vorliegen eines Übertragers (55) über eine hochohmige Wicklung des Übertragers (55) eingespiesen wird.5. The method according to claim 1, characterized in that the modulation signal (60 ') in the presence of a transformer (55) is fed via a high-resistance winding of the transformer (55).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reglereinheit die Verhinderung von höher- frequenten Störsignalen bei Stromsättigung des Leistungsverstärkers durch eine Begrenzung der Sollstromvorgabe is bewirkt wird.6. The method according to any one of claims 1-5, characterized in that the prevention of higher-frequency interference signals in the case of current saturation of the power amplifier is effected in the controller unit by limiting the target current specification is.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung des Reglerausgangs der Reglereinheit in der Verstärkereinheit zur Verhinderung von Störsignalen bei der Sättigung des Verstärkers durch einen Limiter (G12) in der Amplitude und durch einen Tiefpass (Gt2) in der Bandbreite begrenzt werden .7. The method according to any one of claims 1-6, characterized in that the conditioning of the controller output of the controller unit in the amplifier unit to prevent interference signals when the amplifier is saturated by a limiter (G12) in amplitude and by a low pass (Gt2) in the bandwidth can be limited.
8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (31) , mindestens ein Elektromagnet (50) , und für jeden Elektromagneten eine Modulationsquelle (60), eine Einkopplungsimpedanz (63), eine Verstärkereinheit (30) , eine Reglereinheit, und eine Sensorelektronik vorgesehen sind.8. Device for carrying out a method according to one of claims 1-7, characterized in that a rotor (31), at least one electromagnet (50), and for each electromagnet a modulation source (60), a coupling impedance (63), an amplifier unit (30), a controller unit, and sensor electronics are provided.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet mit mindestens zwei Wicklungen ausgebildet ist, so dass mindestens ein zweiter magnetischer Kreis und ein Mittelabgriff gebildet werden, wobei letzterer für die Einspeisung des Modulationssignales (60') und für den Abgriff des Messsignales (5) dient.9. The device according to claim 8, characterized in that the electromagnet is formed with at least two windings, so that at least a second magnetic circuit and a center tap are formed, the latter for feeding the modulation signal (60 ') and for tapping the measurement signal (5) serves.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet als Topfmagnet ausgebildet ist.10. The device according to claim 9, characterized in that the electromagnet is designed as a pot magnet.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verstärkereinheit (30) ein Limiter (G12) und ein nachgeschalteter Tiefpass (Gt2) vorgesehen sind. 11. The device according to any one of claims 8-10, characterized in that a limiter (G12) and a downstream low-pass filter (Gt2) are provided in the amplifier unit (30).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reglereinheit eine Strombegrenzung vorgesehen ist . 12. Device according to one of claims 8 - 11, characterized in that a current limitation is provided in the controller unit.
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