DE2338307C3 - Elektromagnetische Einrichtung zum Antrieb und zur zentrierenden Lagerung von Drehkörpern - Google Patents

Description

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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

Linien 6 voneinander abgegrenzt.

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

Wechselwirkung der beiden Felder unbeachtet gelassen. Fig.5 zeigt einen einzelnen Polschuh 11 des

24teiligen Stators 10; dieser Polschuh 11 weist an seiner

Seite eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut auf, in

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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

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