DE102005032675A1 - Active magnetic bearing has four sensors mounted in cross in stator plates which detect position of rotor and control bearing to maintain it in position, sensors being mounted in plane of bearing force - Google Patents

Active magnetic bearing has four sensors mounted in cross in stator plates which detect position of rotor and control bearing to maintain it in position, sensors being mounted in plane of bearing force Download PDF

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Abstract

The active magnetic bearing has four sensors (1) mounted in a cross in the stator (2, 4). These detect the position of the rotor (3) and control the bearing to maintain it in position. The sensors are mounted in the plane of the bearing force (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Magnetlager mit integrierter Wegsensorik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an active magnetic bearing with integrated displacement sensor according to the preamble of Patent claim 1.

Magnetische Lager erlauben eine berührungs- und verschleißfreie Lagerung von bewegten Teilen. Sie benötigen keine Schmiermittel und können reibungsarm konstruiert werden. Sogenannte aktive Magnetlager mit Elektromagneten benötigen eine aktive Lageregelung, die über Lagesensoren und einen Regelkreis die Ströme der Tragemagnete steuert und Abweichungen des Rotationskörpers aus seiner Soll-Lage entgegenwirkt.magnetic Bearings allow a contact and wear-free Storage of moving parts. You do not need any lubricants and can be constructed with low friction. So-called active magnetic bearings with Electromagnets need one active position control over Position sensors and a control loop controls the currents of the carrying magnets and deviations of the rotational body counteracts from its desired position.

In bekannten aktiven Magnetlagersystemen unterscheidet sich im Allgemeinen der Ort der Wegmessung vom Ort des Kraftangriffs, d.h. die Sensorik ist nicht dort angeordnet, wo die Lagerkraft auf den Rotor wirkt. Es liegt keine sogenannte Kollokation vor. Dem Regler liegt somit nicht die Lageinformation vor, die er eigentlich zur Erzeugung einer Stellgröße für die Lager benötigt. Zwischen dem Sensor-Ort und dem Kraftangriffs-Punkt kann aufgrund der Dynamik des Rotors ein Phasenversatz vorliegen, den der Regler in einem begrenzten Frequenzband ausgleichen muß. Die Reglerauslegung ist dadurch erschwert.In known active magnetic bearing systems is generally different the location of the distance measurement from the location of the force application, i. the sensor is not located where the bearing force acts on the rotor. It there is no so-called collocation. The controller is thus not the position information that he actually used to generate a manipulated variable for the bearings needed. Between the sensor location and the force application point may be due the momentum of the rotor is a phase offset, the controller in a limited frequency band. The regulator design is makes it difficult.

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein aktives Magnetlager zu schaffen, bei welchem eine unkomplizierte Reglerauslegung möglich ist.Of these, Based on the object of the invention, an active magnetic bearing to create, in which an uncomplicated controller design is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved.

Durch die erfindungsgemäße integrierte Bauweise, also die Unterbringung der Sensoren direkt im Aktor, wird erreicht, dass dem Aktor immer die zur Lage der Welle passende Stellenergie zugeführt wird. Die Reglerauslegung wird dadurch in vorteilhafter Weise wesentlich vereinfacht.By the integrated construction according to the invention, So the placement of the sensors directly in the actuator is achieved that the actor always the matching to the position of the shaft job energy is supplied. The controller design is thereby advantageously essential simplified.

Durch die vorteilhafte gegenüberliegende Anordnung zweier Sensoren an einer Meßachse ist eine Differenzauswertung der Signale möglich, wodurch nichtlineare Sensorkennlinien in guter Näherung linearisiert werden können.By the advantageous opposite arrangement two sensors on a measuring axis is a differential evaluation of the signals possible, creating non-linear Sensor characteristics in a good approximation can be linearized.

Im Hinblick auf die Kosten kann die Verwendung von optischen Aufnehmern aufgrund ihres geringen Preises und der vergleichsweise einfachen Signalaufbereitung vorteilhaft sein.in the In terms of cost, the use of optical pickups due to their low price and the comparatively simple Signal processing be advantageous.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung.Further Features and advantages emerge from the subclaims in Connection with the description.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen schematischen Zeichnungen näher erläutert. DieThe The invention will be described below with reference to the accompanying schematic drawings explained in more detail. The

1 zeigt eine Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik und 1 shows a sensor arrangement according to the prior art and

2 stellt eine erfindungsgemäße Anordnung der Sensoren dar. 2 represents an inventive arrangement of the sensors.

In 1 ist ein Rotor 10 dargestellt, der in zwei Lagern A und B gelagert ist. Dem Lager A ist ein Sensor A und dem Lager B ist ein Sensor B zugeordnet. Die an den Lagern A und B eingezeichneten Strichlinien sollen die Wirkebenen der Lagerkräfte darstellen, und die von den Sensoren A und B ausgehenden Strichlinien symbolisieren die Orte der Positionsmessung. Wie aus der Figur ersichtlich ist, besteht zwischen der jeweiligen Wirkebene der Lagerkraft und dem Ort der Wegmessung ein axialer Versatz. Da sich der Rotor 10 dynamisch verbiegen kann und dabei je nach Drehzahl verschiedene Biege-Eigenformen annimmt, kann zwischen dem Sensor-Ort und dem Kraftangriffspunkt im Lager ein Phasenversatz auftreten. Anhand der eingezeichneten Biege-Eigenform 1. und 3. Ordnung sind die Abweichungen zwischen den ermittelten Lageinformationen und den tatsächlich für die Einstellung der Stellgröße benötigten Informationen ersichtlich.In 1 is a rotor 10 represented, which is stored in two bearings A and B. The bearing A is a sensor A and the bearing B is a sensor B assigned. The dashed lines drawn on the bearings A and B are intended to represent the planes of action of the bearing forces, and the dashed lines emanating from the sensors A and B symbolize the locations of the position measurement. As can be seen from the figure, there is an axial offset between the respective plane of action of the bearing force and the location of the displacement measurement. Because the rotor 10 can dynamically bend and thereby assumes different bending modes depending on the speed, a phase offset can occur between the sensor location and the force application point in the bearing. The deviations between the determined position information and the information actually required for the setting of the manipulated variable can be seen on the basis of the drawn bending eigenform of the 1st and 3rd order.

Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung der Sensoren, durch welche dem Aktor immer die entsprechend der Lage der Welle benötigte Stellenergie zugeführt werden kann. Die Aktoren sind Elektromagnete, welche durch die um die Statorblechung 4 gewickelte Wicklung 2 gebildet werden. Die Aktoren sind so um den Rotor 3 herum angeordnet und entsprechend ansteuerbar, dass die Lagerkraft 6 innerhalb der x-y-Ebene beliebig ausgerichtet werden kann.The 2 shows an inventive arrangement of the sensors, by which the actuator always required according to the position of the shaft required energy can be supplied. The actuators are electromagnets, which through the stator lamination 4 wound winding 2 be formed. The actuators are so around the rotor 3 arranged around and accordingly controllable that the bearing force 6 within the xy-plane can be arbitrarily aligned.

Die Sensoren 1 zur Lageerfassung des Rotors 3 sind direkt in der Statorblechung 4 angeordnet, welche die strombeschickten Wicklungen 2 trägt. Aus der rechten Seite der 2 geht hervor, dass die axiale Position der Sensoren 1 mit der axialen Ebene des Kraftangriffs 6 übereinstimmt und die Sensoren dadurch die durch die Stellenergie bedingte Lage des Rotors 3 direkt und ohne Phasenversatz aufnehmen können.The sensors 1 for detecting the position of the rotor 3 are directly in the stator lamination 4 arranged which the current-sent windings 2 wearing. From the right side of the 2 shows that the axial position of the sensors 1 with the axial plane of the force application 6 coincides and the sensors characterized by the positional energy due to the position of the rotor 3 can record directly and without phase shift.

Die Sensorsignale werden zu einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung geleitet, welche daraus eine Stellgröße zur entsprechenden Ansteuerung des Aktors ermittelt, um den Rotor 3 in einer vorgegebenen Position zu halten. Die Stellgröße bewirkt, dass an den Wicklungen 2 entsprechende elektrische Ströme anliegen, damit die Elektromagnete die erforderliche Lagerkraft 6 erzeugen können. Die notwendigen elektrischen Ströme werden durch Verstärker bereitgestellt.The sensor signals are passed to a control / regulating device, which therefrom a manipulated variable for the corresponding control the actuator determines to the rotor 3 to hold in a predetermined position. The manipulated variable causes the windings 2 abut corresponding electric currents, so that the electromagnets the required bearing force 6 can generate. The necessary electrical currents are provided by amplifiers.

Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung sowie die Verstärker können in vorteilhafter Weise innerhalb des Lagergehäuses angeordnet werden, so dass die Bauteile eine integrative Einheit bilden. In diesem Zusammenhang wird auf die parallele Anmeldung DE (internes AZ des Anmelders: PB04630) verwiesen, welche die Integration der Leistungselektronik innerhalb des Lagergehäuses betrifft.The Control / regulation device and the amplifier can be in an advantageous manner inside the bearing housing be arranged so that the components are an integrative unit form. In this context, the parallel application DE (internal AZ of the applicant: PB04630) referenced the integration the power electronics within the bearing housing concerns.

Aus der linken Hälfte der 2 ist ersichtlich, dass die Lage des Rotors 3 vorzugsweise in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Meßachsen 5 in x- und y-Richtung vermessen wird. Für jede Achse genügt ein einziger Sensor 1.From the left half of the 2 it can be seen that the position of the rotor 3 preferably in two mutually perpendicular measuring axes 5 is measured in the x and y directions. For each axis, a single sensor is sufficient 1 ,

Werden jedoch an einer Meßachse zwei – sich gegenüberliegende – Sensoren 1 vorgesehen, so ist eine Differenzauswertung der Signale der beiden Sensoren 1 möglich. Dies ist vorteilhaft, da dadurch nichtlineare Sensorkennlinien in guter Näherung linearisiert werden können.However, if there are two sensors on one measuring axis, they are opposite each other 1 provided, there is a differential evaluation of the signals of the two sensors 1 possible. This is advantageous because non-linear sensor characteristics can be linearized to a good approximation.

Als Wirkprinzipien für die Sensoren 1 eignen sich beispielsweise Wirbelstromaufnehmer, kapazitive oder optische Aufnehmer, die beispielsweise nach dem Reflexions-Prinzip funktionieren.As active principles for the sensors 1 For example, eddy current transducers, capacitive or optical transducers which function, for example, according to the reflection principle are suitable.

11
Sensorsensor
22
Wicklungwinding
33
Rotorrotor
44
Statorblechungstator lamination
55
Meßachsenmeasuring axes
66
Aktor-/LagerkraftActuator / bearing force
1010
Rotorrotor
1111
Biege-Eigenform 1. OrdnungBending mode shape 1st order
1212
Biege-Eigenform 3. OrdnungBending mode shape 3rd order

Claims (7)

Aktives Magnetlager mit mindestens einem elektromagnetischen Aktor (2, 4) zur Erzeugung einer – auf einen Rotor (3) wirkenden –Lagerkraft (6) sowie mindestens einem Sensor (1) zur Aufnahme der Rotorposition und einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung, welche aus dem Sensorsignal eine Stellgröße zur entsprechenden Ansteuerung des Aktors (2, 4) ermittelt, um den Rotor (3) in einer vorgegebenen Position zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) in der Wirkebene der Lagerkraft (6) angeordnet ist.Active magnetic bearing with at least one electromagnetic actuator ( 2 . 4 ) for producing a - on a rotor ( 3 ) acting-bearing force ( 6 ) and at least one sensor ( 1 ) for receiving the rotor position and a control / regulating device, which from the sensor signal a manipulated variable for the corresponding control of the actuator ( 2 . 4 ) to the rotor ( 3 ) in a predetermined position, characterized in that the sensor ( 1 ) in the working plane of the bearing force ( 6 ) is arranged. Aktives Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Aktor aus einer Statorblechung (4) sowie elektrischen Wicklungen (2) besteht und der Sensor (1) in der Statorblechung (4) angeordnet ist.Active magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the electromechanical actuator consists of a stator lamination ( 4 ) as well as electrical windings ( 2 ) and the sensor ( 1 ) in the stator lamination ( 4 ) is arranged. Aktives Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensoren (1) vorgesehen sind, welche die Lage des Rotors (3) in der Ebene von zwei senkrecht aufeinander stehenden Meßachsen x und y vermessen.Active magnetic bearing according to one of the preceding claims, characterized in that at least two sensors ( 1 ) are provided, which the position of the rotor ( 3 ) in the plane of two mutually perpendicular measuring axes x and y measured. Aktives Magnetlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Meßachse zwei – sich gegenüberliegende – Sensoren (1) vorgesehen sind und eine Differenzauswertung der Signale der beiden Sensoren (1) vorgesehen ist.Active magnetic bearing according to claim 3, characterized in that on a measuring axis two - opposing - sensors ( 1 ) are provided and a differential evaluation of the signals of the two sensors ( 1 ) is provided. Aktives Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1) als Wirbelstromaufnehmer, kapazitive oder optische Aufnehmer ausgeführt sind.Active magnetic bearing according to one of the preceding claims, characterized in that the sensors ( 1 ) are designed as Wirbelstromaufnehmer, capacitive or optical pickup. Aktives Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung in das Lagergehäuse integriert ist.Active magnetic bearing according to one of the preceding Claims, characterized in that the control / regulating device in the bearing housing is integrated. Aktives Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verstärker zur Erzeugung der Stellgröße vorgesehen ist und in das Lagergehäuse integriert ist.Active magnetic bearing according to one of the preceding Claims, characterized in that at least one amplifier for Generation of the manipulated variable provided is and in the bearing housing is integrated.
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