DE2338307C3 - Elektromagnetische Einrichtung zum Antrieb und zur zentrierenden Lagerung von Drehkörpern - Google Patents
Elektromagnetische Einrichtung zum Antrieb und zur zentrierenden Lagerung von DrehkörpernInfo
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Description
30
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
Eine solche Einrichtung ist durch die DE-OS 21 14 040
bekannt.
Schnellaufende Drehkörper, die aktiv magnetisch gelagert werden müssen, da für ihren Anwendungsbereich
mechanische oder sonstige Lagerungen Schwierigkeiten bereiten, weisen in jeder Lagerebene einen
Satz von Ring- oder sonstigen Spulen auf, die den Drehkörper mittels magnetischer Kräfte in seine
Sollage zurückstellen und dämpfen (vergleiche DE-OS 22 53 036). Zusätzlich zu diesen aktiven Lagern ist auch
ein Satz Spulen erforderlich, um das Drehfeld für den Antrieb zu erstellen. Diese Anordnung ist teuer und
benötigt hohen Raumbedarf, was besonders bei Gyroskopen in Luftfahrzeugen, oder bei berührungsfrei
gelagerten Pumpen innerhalb von Rohrleitungen ins Gewicht fällt. Da aktive magnetische Lager nicht starr
zentrieren können, wie z. B. Gleitlager, sind die Luftspalte im Antrieb, der sich außerhalb der Lagerebenen
befindet, reichlich auszulegen, was einen schlechten Wirkungsgrad zur Folge hat. Ähnlich sind auch die
Verhältnisse bei langen, durchhängenden Wellen, die ebenfalls im Antriebsmotor reichlich tolerierte Luftspalte
fordern.
Diese Nachteile werden mit der durch die DE-AS 17 50 605 und DE-OS 21 14 040 bekanntgewordenen
elektromagnetischen Antriebs- und Lagereinrichtung behoben, indem von einer magnetischen Lagerung eines
Rotors mit ferromagnetischen Teilen, Tragmagneten, Magnetfeldern, Steuergeräten und berührungslosen
Fühlern ausgegangen und diese elektromagnetische Lagerung auch zum Antrieb des Rotors herangezogen
wird, wozu elektromagnetische Mittel der Stabilisierungseinrichtung zur Aufnahme eines Mehrphasenwechselstromes
mit einer der gewünschten Drehzahl des Rotors entsprechenden Frequenz ausgebildet sind
und der Rotor so nach der Art eines Hysteresemotors angetrieben wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern,
daß unter einem fertigungstechnischen Mindestaufwand eine rasche und zuverlässige Stabilisierung des Drehkörpers
erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches angegebenen
Merkmale gelöst
Die Regeleinrichtung weist ein Regelverhalten auf, das aus der vom Meßsystem ermittelten radialen Lage
des Drehkörpers die Zusatzströme für die Spulen zur Rückstellung des Drehkörpers erzeugt, sowie ein
zusätzliches Steuerverhalten, das unerwünschte Nebenwirkungen der notwendigen Stellkraft kompensiert:
Durch gleichzeitiges Auftreten des magnetischen Drehfeldes zum Antrieb mit dem durch die Steuerströme
erzeugten magnetischen Stellfeld entsteht über die beabsichtigte und notwendige Stellwirkung hinaus eine
Reihe von zwangsläufigen Störkräften (z. B. elliptisch umlaufende Kräfte), denen von vornherein durch das
zusätzliche Steuerverhalten entgegengewirkt ist Die Gegenwirkungen ergeben sich zwingend aus der
wirkenden Stellkraft und dem momentanen Stand des Drehfeldes; die Gegenwirkungen sind damit errechenbar.
Grundsätzlich besteht für einen Fachmann keine Schwierigkeit, eine Regelung und Steuerung dem
geforderten Regel- und Steuerverhalten mit hinlänglicher Genauigkeit anzupassen.
Mit dem Erfindungsgemäßen wird erreicht, daß einerseits zur Messung der Lage des Drehkörpers, bzw.
zur Messung dessen Abstands vom einzelnen Meßfühler, an sich schon vorhandene und schon einmal
genutzte Magnetspulen verwendet werden, und daß hiermit verbunden zusätzlich die Messung genau in der
Ebene stattfindet, in der auch die Stellwirkung auf das umlaufende Teil eingreift. Hierbei werden die Spulen
oder Teile von ihnen zusätzlich zu den Steuer- und Antriebsströmen mit Meßströmen einer Frequenz
angesteuert, die außerhalb der von Antriebs- und Steuerströmen bestrichenen Frequenzbereich liegt und
deren Informationen somit durch Filtern von den Antriebs- und Steuervorgängen getrennt werden
können. Die Meßströme kommen mit einer kleinen Amplitude aus, so daß die durch die Meßströme
verursachten magnetischen Kräfte keine spürbare Wirkung auf den umlaufenden Teil ausüben. Aus den
Meßströmen lassen sich nach Filtern Rückschlüsse über die momentane Induktivität und somit über die Größe
des momentanen Luftspalts an der Meßstelle herleiten. Hierbei sind die zum Meßsystem gehörigen Filter- und
Auswertungseinrichtungen ohne Schwierigkeit vom Fachmann erstellbar.
Es ist hiermit erreicht, daß eine weitgehend störungsfrei und sichere Steuerung der Stellkräfte und
damit rasche Dämpfung des Drehkörpers mit geringen Mitteln gewährleistet ist
Der Strom zum Ansteuern des Meßsystems und zum Erzielen der Stellkraft kann identisch sein. Hierbei wird
ein gesamtes Stromsystem eingespart, da beide Aufgabenbereiche Steuern und Messen von einem
einzelnen Stromsystem übernommen werden. Das Meßsystem benötigt grundsätzlich immer einen Meßstrom,
während das Steuersystem stromlos sein kann; werden zur Meßung Spulenkombinationen in symmetrischer
Anordnung herangezogen (etwa je um 120° versetzt), dann heben sich beim zentrischen Lauf die
Kraftwirkungen der jeweils gleichen Meßströme auf.
Soll eine Stellkraft aufgebracht werden, dann wird der
entsprechende Meßstrom erhöht Als Meßsignal wird die Ungleichheit der pro Meßstelle vorliegenden
Verhältnisse von Meßspannung zu Meßatrom betrachtet
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß bei Ausfall der Stromversorgung eine Umschaltvorrichtung
selbsttätig den bei generatorischen Betrieb erzeugten'
Strom auf die Regeleinrichtung aufschaltet Als Umschali vorrichtung könnte z. B. ein bekanntes Ruhestromrelais
Verwendung finden. Empfindliche Anlagen, wie schnelldrehende Rotoren aller Art, überleben einen
Stromausfall dann nicht, wenn sie nur aktiv gelagert
sind. Das ist der Grund, warum man auch aktive Lagerungen gewöhnlich mit mechanischen Notlagern
vorsieht Eine Lagerung gemäß vorbeschriebener Ausgestaltung aber versorgt sich, solange der Drehkörper
hinlänglich schnell umläuft selbst mit dem zum Lagern nötigen Strom, so daß bei Stroniausfällen oder
reparaturbedingten Abschaltungen der Hauptstromversorgung die Drehkörper weder abstürzen noch
behutsam abgebremst werden müssen.
Ausführungsbeispieie der Erfindung sind der der Zeichnung (F ig. 1 bis 5) dargestellt:
F i g. 1 zeigt eine sehr einfache Anordnung eines erfindungsgemäßen Antriebs, der in radialem Schnitt
dargestellt ist Ein Stator 1, dessen drei Polschuhe über ein magnetisches Joch verbunden sind, umspannen
einen umlaufenden Drehkörper 2. Zwei der drei Polschuhe sind von je einer Spule 3, 4 umschlungen.
Zum Antrieb werden die Spulen mit phasenverschobenen Strömen eingespeist Werden diese Ströme von
zusätzlichen Strömen überlagert, dann wird auf den umlaufenden Teil eine Stellwirkung ausgeübt.
Fig.2 zeigt in der Draufsicht eine sternförmige
Polschuhanordnung. Der Stator 10, der 24 Polschuhe aufweist, die über einen Kranz miteinander verbunden
sind, umringt den Drehkörper 2. Eingezeichnet sind zwei Spulen 3 und 4, die jeweils 180° des ringförmigen
Stators umspannen und deren Windungszahl sich von Po!rchuh zu Polschuh gemäß einer Sinusfunktion
ändert Der Verlauf der magnetischen Kraftlinien 5 ist zur Spule 3 gehörig, eingezeichnet Spule 3 und 4 biiden
ein Spulenpaar.
In F i g. 3 ist das Ersatzschaltbild von der in F i g. 2
dargestellten Anordnung dargestellt; neben dem Spulenpaar 3,4 sind, hierzu jeweils um 120° versetzt noch
zwei weitere Spulenpaare dargestellt Da diese Darstellung schematisch ist muß beachtet werden, daß jeweils
eine Spule 180° des Stators überdeckt, was bei sechs Spulen bedeutet daß jede Spule jede Nachbarspule um
jeweils 120° überdeckt. Die Wirkungsbereiche der einzelnen Spulen sind jeweils durch die gestrichelten
F i g. 4 stellt einen Ausschnitt von F i g. 3 dar, in dem nur die Ersatzschaltbilder zweier benachbarter Spulen 3
und 7 dargestellt sind, wobei die Spule 7 eine Spule 3 oder 4 des Spulenpaars sein kann. Zusätzlich zum
phasenverschobenen Strom, der das antreibende Drehfeld erzeugt, sind beide Spulen 3, 7 mit einem
entgegengesetzt gerichteten Steuerstrom I5 gleicher
Stromstärke angesteuert Dieser Steuerstrom bewirkt in Punkt 8 einen Ort höchster magnetischer Feldstärke, im
gegenüberliegenden Punkt 9 einen Ort kleinster magnetischer Feldstärke. Es entsteht somit eine
resultierende Stellkraft längs der gestrichelten Linie, auf der die Punkte 8 und 9 liegen; bei dieser vereinfachten
Darstellung wurde das antreibende Drehfeld sowie die
24teiligen Stators 10; dieser Polschuh 11 weist an seiner
der ein induktiver Meßfühler 13 angeordnet ist Der Meßfühler 13 endet außerhalb des 24teiligen Stators 10
in zwei Anschlüssen 14. Hierbei sind die magnetischen Feldlinien des Steuer- und Antriebsvorganges im
Polschuhmaterial orthogonal zu den Normalen der Flächenelemente des Meßfühlers 13.
Claims (3)
1. Elektromagnetische Einrichtung zum Antrieb und zur zentrierenden Lagerung von mit magnetisierbarem
Material versehenen Drehkörpern mit vertikaler Drehachse, wobei die für den Antrieb des
Drehkörpers vorgesehenen Magnetspulen bzw. Teile der Wicklungen dieser Magnetspulen zugleich
von einem Regelsystem angesteuert werden, das mit einem Meßsystem zur Erfassung der radialen Lage
des Drehkörpers verknüpft ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem mit induktiv
wirkenden Meßfühlern (13) ausgestattet ist, die zumindest zum Teil durch die Magnetspulen (3,4,7)
oder Teile von deren Wicklungen selbst gebildet werden.
2. Elektromagnetische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom zum
Ansteuern des Meßfühlers der Regeleinrichtung und zum Erzielen der Stellkraft identisch sind.
3. Elektromagnetische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem bei
Ausfall der Hauptstromversorgung über eine Umschaltvorrichtung selbsttätig den bei generatorischen
Betrieb erzeugten Strom zur Lagerregelung auf die Regeleinrichtung aufschaltet
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