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Priorität: 15. Juli
1999,
Japan, Nr. Hei 11-202267(P) -
Beschreibung
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Die
Erfindung betrifft eine Steuerung für ein magnetisches Lager zum
Kompensieren einer Auslenkung einer Rotorachse auf kontaktfreie
Weise unter Verwendung magnetischer Kräfte, und insbesondere betrifft
sie eine verbesserte Regelung der Stärke des Wicklungen zuzuführenden
Stroms.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines magnetischen
Lagers zeigt. Ein Rotationsmotor 3 sorgt für die Drehung
einer Achse 1 mit hoher Drehzahl. Ein magnetisches Lager 4 zur
Aufnahme von Schubkräften
hält die
Achse 1 für
konstante Positionierung in der Schubrichtung. Magnetische Lager 2, 5 zur
Aufnahme radialer Kräfte
halten die Achse 1 an einer konstanten Position in radialer
Richtung.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer herkömmlichen Steuerung für ein magnetisches
Lager zum Halten der Achse an einer konstanten Position in radialer
Richtung zeigt. In der Zeichnung ist das magnetische Radiallager
im Schnitt, gesehen in der Schubrichtung, dargestellt. Der Rotor 6 ist
ein durch Auflaminieren ringförmiger
Siliciumstahlbleche in der Schubrichtung hergestellter Zylinder, der
durch einen Aufschrumpfprozess auf der Achse 1 befestigt
ist. Der Stator 7 ist durch Auflaminieren von Siliciumstahlblechen
in der Schubrichtung hergestellt, wobei acht Polzähne äquidistant
entlang seinem Innenumfang angeordnet sind. Jeweils zwei benachbarte
Zähne bilden
ein Paar, so dass bei der Konfiguration dieser Ausführungsform
vier Zahnpaare vorhanden sind. Auf jedes Paar ist eine Wicklung 11, 12, 13, 14 aufgewickelt,
wodurch vier Elektromagnete gebildet sind. Jeder Wicklung wird ein
Strom zugeführt,
wodurch der so erregte Elektromagnet ein anziehendes Magnetfeld
erzeugt, das seinerseits dafür
sorgt, dass sich der Rotor 6 in der Richtung des erregten
Magnetfelds bewegt.
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Positionsdetektoren 8, 9 erfassen
die Position des Rotors 6 in der Richtung der X- bzw. Y-Achse, in
einem rechtwinkligen Koordinatensystem, und sie geben Positionssignale
SX, SY aus. Subtrahierer 15, 16 subtrahieren die
jeweiligen Positionssignale SX und SY von Sollpositionssignalen
GX, GY für
die Richtungen X und Y des Rotors 6, und sie geben entsprechende
Subtraktionssignale DX, DY aus, die in jeweilige Kraftregelungsschaltungen 17, 18 eingegeben
werden, die ihrerseits Kraftregelungswerte FX, FY für die Richtungen
X bzw. Y ausgeben. Diese an den Rotor 6 zu liefernden Kraftregelungswerte
FX, FY werden so ausgegeben, dass die Subtraktionssignale null werden
sollen. Stromstärkewandler 19, 20 führen eine
geeignete Verarbeitung, wie eine Quadratwurzeloperation oder eine
Grundschubkraft-Addition, hinsichtlich der Kraftregelungswerte FX,
FY in solcher Weise aus, dass diese in linearer Beziehung zum den
Wicklungen zugeführten
Strom stehen, wodurch die Kraftregelungswerte FX, FY in Stromstärkesignale
CPX, CNX bzw. CPY, CNY umgesetzt werden, die die Stärke des
den Wicklungen 11, 13 bzw. 12, 14 zuzuführenden
Stroms anzeigen. Stromregelungsschaltungen 21, 22 führen eine
Impulsbreitenmodulation zum Ansteuern einer Anzahl in ihnen vorhandener
Leistungstransistoren aus, um die den Wicklungen 11, 13 und 12, 14 zuzuführenden
Ströme IPX,
INX bzw. IPY, INY so einzustellen, dass diese mit den Stromstärkesignalen
CPX, CNX bzw. CPY, CNY übereinstimmen.
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Im
Betrieb kann die in 3 dargestellte Steuerung für ein magnetisches
Lager den Rotor 6 so einstellen, dass seine Positionen
in den zwei Richtungen des rechtwinkligen Koordinatensystems jeweils
den Sollpositionssignalen GX und GY folgen. Wenn die Sollpositionssignale
GX und GY konstant gehalten werden, kann das magnetische Lager als Radiallager
zum Eingrenzen der Position des Rotors 6 in radialer Richtung
arbeiten.
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Jedoch
besteht beim herkömmlichen
magnetischen Radiallager ein Problem hinsichtlich hoher Kosten,
da die Steuerung für
das magnetische Lager eine Anzahl teurer Leistungstransistoren zum
Einstellen acht unabhängiger
Phasen von den vier Elektromagneten zuzuführenden Strömen benötigt.
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Ferner
sind die Herstellschritte kompliziert, was die Kosten weiter erhöht, da jeder
der acht Polzähne
bewickelt werden muss.
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Noch
ferner existiert neben magnetischen Lagern kaum eine Vorrichtung,
die die Regelung von acht Phasen von in vier Wicklungen fließenden Strömen benötigt, wobei
magnetische Lager beinahe ausschließlich für spezielle Spindeln in Vaku umpumpen
oder Werkzeugmaschinen, die sich mit hoher Drehzahl drehen müssen, verwendet
werden, so dass kaum eine Kostensenkung wegen hoher Stückzahlen
erwartet werden kann. So ergeben sich sehr teure Stromregler. Daher
leiden Systeme mit magnetischer Lagerung trotz des hervorragenden
Funktionsvermögens
bei der Lagerung von sich mit hoher Drehzahl drehenden Bauteilen
unter dem Problem hoher Kosten im Vergleich mit einem üblichen
Lagerungssystem unter Verwendung von Wälzlagern.
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WO97/07341 A1 beschreibt
eine radiale aktive magnetische Lagervorrichtung mit drei verteilt
angeordneten Elektromagneten, die von einem Drehstromsteller angesteuert
wird, wobei am Stator ein Permanentmagent angeordnet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Steuerung
für ein
magnetisches Lager zu schaffen, um eine Kostensenkung zu erzielen
und eine Funktion zu schaffen, wie sie bei der Regelung von Strömen mit
acht Phasen erzielt werden kann.
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Diese
Aufgabe ist durch die Steuerung für ein magnetisches Lager gemäß Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
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Die
obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden aus der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen besser erkennbar.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Steuerung für ein magnetisches
Lager gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines bekannten
magnetischen Lagers zeigt; und
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3 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer herkömmlichen Steuerung für ein magnetisches
Lager zeigt.
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Nachfolgend
wird eine Steuerung für
ein magnetisches Lager gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
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Diese
Steuerung dient für
ein magnetisches Lager mit Wicklungen, die mit Stern- oder Dreiecksschaltung
verbunden sind, um dafür
zu sorgen, dass drei Polzähne
magnetische Flüsse
erzeugen, und sie steuert dreiphasige Ströme zum Kontrollieren der Bewegung
der Achse in radialer Richtung, um dadurch eine Auslenkung der Achse
zu kompensieren. Mit dieser Konfiguration kann eine erfindungsgemäße Steuerung
für ein
magnetisches Lager ein Funktionsvermögen entsprechend demjenigen
erzielen, wie es mit einer Steuerung von acht Phasen von Strömen erzielt
wird, wobei jedoch die Anzahl der Stromphasen verringert ist.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steuerung
für ein
magnetisches Lager zeigt, wobei dieses im Querschnitt, gesehen in
der Schubrichtung, dargestellt ist. Elemente, die mit herkömmlichen übereinstimmen,
tragen dieselben Bezugszahlen wie in 3, und zu
diesen wird hier keine detaillierte Erläuterung wiederholt.
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Ein
Stator 27 wird durch Auflaminieren magnetischer Materialien,
wie Siliciumstahlbleche, in der Schubrichtung hergestellt, wobei
drei Polzähne äquidistant
entlang dem Innenumfang des Stators 27 angeordnet sind.
Die drei Zähne
des Stators 27 sind jeweils mit einer Wicklung 28, 29, 30 bewickelt,
die in Sternschaltung miteinander verbunden sind. Kraft-Regelungssignale
FX, FY für
die Richtung X und Y, die von der Schubregelung 17, 18 zur
Lieferung an den Rotor 6 zugeführt werden, werden auf Grundlage
der folgenden Gleichung 1 in einem Polarkoordinatenwandler in Polarkoordinaten
(F, A) umgesetzt: F = C·SQRT(FX2 + FY2)
A =
ATAN2(FX, FY) (1)wobei
C ein konstanter Koeffizient ist, SQRT die Quadratwurzelfunktion
ist, ATAN2 die inverse Tangensoperation unter Verwendung der Eingabe
zweier Variablen ist, die auch über
die Funktion einer Berechnung des Neigungswinkels, in Bezug auf
eine vorbestimmte Achse, eines Vektors mit den Komponenten FX und
FY hat. Der Polarkoordinatenwandler 23 gibt den die Stärke der
Kraft anzeigenden Wert F und den den Winkel, in Schubrichtung, ausdrückenden
Wert A an einen Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 aus, der
als Einrichtung zum Wandeln der Stärke eines dreiphasigen Stroms
dient. Der Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 erhält auf Grundlage
des folgenden Ausdrucks 2 Werte für die Stromstärke I und
die Phase Θ: I = SQRT(F)
Θ = A/2 + πn (2)wobei n entweder
0 oder 1 ist. Der Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 wählt zum
Berechnen der Werte des Ausdrucks 2 entweder 0 oder 1 für n aus.
Genauer gesagt, bewahrt der Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 den
bei der vorigen Operation erhaltenen Wert Θ als Θp aufrecht, und er berechnet Θ0 – Θp und Θ1 – Θp unter
Verwendung von Θ0
als Θ für n = 0
und Θ1
für n =
1, um als Phase Θ diejenigen
der Phasen Θ0
und Θ1
auszuwählen,
die den kleineren Rest belässt,
wenn die Absolutwerte von Θ0 – Θp und Θ1 – Θp durch π geteilt
werden.
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Ferner
bestimmt der Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 die
Stromstärken
Cu, Cv, Cw für
die drei Phasen auf Grundlage des folgenden Ausdrucks 3: Cu = I·cos
(Θ)
Cv
= I·cos
(Θ + 2π/3)
Cw
= I·cos
(Θ + 4π/3) (3)
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Bei
Empfang der Stromstärken
Cu, Cv, Cw für
die dreiphasigen Ströme
vom Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 steuert
eine Dreiphasenstromsteuerung 25 entsprechende Ströme Iu, Iv,
Iw in solcher Weise, dass sie diesen Werten entsprechen, und liefert
sie dann an die entsprechende Windung 28, 29, 30.
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Als
Nächstes
wird der Betrieb eines magnetischen Lagers bei der obigen Stromregelung
beschrieben.
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Wenn
die Ströme
Iu, Iv, Iw durch die Wicklungen 28, 29, 30 fließen, werden
von den drei Polzähnen
Magnetflüsse
erzielt, die im Wesentlichen proportional zur Stromstärke sind.
Hierbei sind, wenn die Zwischenräume
zwischen dem Rotor und den drei Polzähnen gleich sind, magnetische
Anziehungskräfte
Fu, Fv, Fw, wie sie aufgrund der durch die Polzähne erzeugten Magnetflüsse auf
den Rotor 6 wirken, aufgrund der Tatsache, dass die anziehende
Magnetkraft proportional zum Quadrat der Magnetflussdichte ist,
wie folgt ausgedrückt: Fu = K·Iu2
Fv = K·Iv2
Fw = K·Iw2(4)wobei K ein von der Beziehung zwischen
der Kraft eines magnetischen Lagers und dem Strom abhängender
Proportionalitätskoeffizient
ist. Wenn das Zentrum des Rotors 6 als Ursprung festgelegt
wird und die Richtung des durch die Wicklung 28 bewickelten Polzahns
als X-Achse mit 0° festgelegt
wird, sind die X- und die Y-Komponente, oder Fx, Fy, der auf den Rotor 6 wirkenden
Kraft durch den folgenden Ausdruck 5 festgelegt: Fx = Fu – {cos(π/3)}(Fv +
Fw) = K(Iu2 – (Iv2 +
Iw2)/2)
Fy = {sin(π/3)}(Fv – Fw) = √3K(Iv2 – Iw2)/2) (5)
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Das
Obige kann mittels des Ausdrucks 3 wie folgt umgeschrieben
werden: Fx = (3/4)K·I2·cos(2Θ)
Fy
= (3/4)K·I2·sin(2Θ) (6)
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Dieses
wiederum kann mittels des Ausdrucks 2 wie folgt weiter
umgeschrieben werden: Fx = (3/4)K·F·cos(A
+ 2πn) =
(3/4)K·F·cos(A)
Fy
= (3/4)K·F·sin(A
+ 2πn) =
(3/4)K·F·sin(A) (7)
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Durch
Modifizierung des Ausdrucks 1 wird das Folgende erhalten: cos(A) = FX/(F/C)
sin(A) = FY/(F/C) (8)
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Durch
Einsetzen des Ausdrucks 8 in den Ausdruck 7 und
durch Verwenden von (3/4)K = 1/C wird der folgende Ausdruck 9 erhalten: Fx = FX
Fy = FY (9)
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So
ermöglicht
die Verwendung des Polkoordinatenwandlers 23, des Dreiphasenstromstärke-Wandlers 24 und
der Dreiphasenstromsteuerung 25 eine Kompensation einer
Auslenkung der Achse durch Kontrollieren eines magnetischen Lagers
mit drei Wicklungen in Sternschaltung, wie in 1 dargestellt,
auf ähnliche
Weise wie bei einer herkömmlichen
Steuerung für
ein magnetisches Lager unter Verwendung von Strömen mit acht Phasen.
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Hierbei
erfolgt im Dreiphasenstromstärke-Wandler 24 die
Auswahl von entweder 0 oder 1, oder einer gerade oder ungeraden
Zahl, für
n auf solche Weise, dass der kleinere Rest verbleibt, wenn der Absolutwert
der Differenz zwischen der Phase Θ und der Phase Θp, wie durch
die vorige Operation erhalten, durch π geteilt wird. Dies dient zum
Verhindern einer plötzlichen Änderung
des in den Wicklungen für
die drei Phasen fließenden
Stroms. D. h., dass, wie es aus dem Ausdruck 3 hervorgeht,
zwar die Richtung eines einer Wicklung zuzuführenden Stroms, wenn Θ den Wert
A/2 aufweist, entgegengesetzt zu der ist, wenn Θ den Wert A/2 + π aufweist, jedoch
die auf den Rotor 6 wirkende Kraft dieselbe ist, wie es
sich aus dem Ausdruck 6 ergibt. Unter Ausnutzung dieser
Tatsache muss, wenn die Steuerung beim Wert Θ = A/2 ausgeführt wird
und Θ von
einem Winkel geringfügig
unter +π auf
einen Winkel geringfügig über –π geändert wird,
der der Wicklung auf herkömmliche
Weise zugeführte
Strom abrupt geändert
werden, um Θ von π/2 auf einen
Wert nahe bei –π/2 zu ändern. Dagegen
ermöglicht
die Auswahl von n auf die obige Weise das Verhindern einer plötzlichen Änderung
des den Wicklungen für
die drei Phasen zuzuführenden
Stroms, während
eine entsprechend große
Kraft auf den Rotor 6 ausgeübt wird, wenn Θ von einem
Winkel geringfügig
unter π/2 auf
einen solchen geringfügig über π/2 geändert wird.
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Es
ist zu beachten, dass beim obigen Beispiel die drei Wicklungen zwar
in einem Sternmuster verbunden sind, dass jedoch statt dessen ein
Dreiecksmuster verwendet werden kann. Auch ist im Ausdruck 3 der
den Wicklungen zuzuführende
Strom zwar durch die cos-Funktion ausgedrückt, jedoch kann statt des sen,
wenn die Voraussetzungen, wie die als X-Achse dienende Bezugsrichtung,
geändert werden,
zu den jeweiligen drei Phasen eine konstante Versatzphase addiert
werden und/oder es kann die sin-Funktion verwendet werden.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Steuerung
für ein
magnetisches Lager kann eine Auslenkung der Rotorachse ohne Verwendung
einer Steuerung von Strömen
mit acht Phasen kompensiert werden. So können die Anzahl der Phasen
zur Stromsteuerung, die Anzahl der Leistungstransistoren und damit
die Höhe
der Kosten gesenkt werden.
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Außerdem ermöglicht,
da Steuerschaltungen für
dreiphasige Ströme
zur Verwendung bei dreiphasiger Motorsteuerung in Massenherstellung
erzeugt werden, die Verwendung derartiger Schaltungen eine wesentliche
Kostensenkung gegenüber
einer derzeitigen Steuerung für
ein magnetisches Lager. Darüber hinaus
können
derartige Schaltungen einfacher hergestellt werden, und die zugehörigen Herstellkosten können gesenkt
werden, da die Anzahl der zu bewickelnden Stellen deutlich verringert
ist, genauer gesagt, von acht auf drei.