DE2358527B2

DE2358527B2 - Radiales aktives magnetisches Lager

Info

Publication number: DE2358527B2
Application number: DE19732358527
Authority: DE
Inventors: Peter Konrad Prof. Dr.- Ing. 1000 Berlin Hermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-11-20
Filing date: 1973-11-20
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2358527C3; DE2358527A1; GB1478868A; NL7415035A

Description

Zur Veranschaulichung der räumlichen Anordnung ist in F i g. 2a die Draufsicht auf das Lager nach F i g. 2 dargestellt mit Drehfeldwicklung 16 in nur einer Phase I. Die Zähne des Polringes 8 sind nur im zweiten Quadranten der Fig.2a dargestellt, damit man die jeweils aus vier zweilagigen Spulen bestehenden Wicklungen It6a und liet, besser erkennt. Die Unterlage ist gestrichelt und die Oberlage ausgezogen dargestellt. Die Übergänge von Unterlage zu Oberlage in den Wickelköpfen an Kröpfungen außen und innen können auch schraubenförmig gestaltet werden. Da diese Kröpfungen über den Außendurchmesser des Rückschlußjochringes 11 überstehen, erkennt man die um eine halbe Polteilung gegen die Drehfeldwicklung 16 versetzten Kröpfungen der Drehfeldwicklung 17 in Phase I, also Ii7„ und 11₇t, gegenüber Ii6» und li<,z> Insbesondere erkennt man, daß Differenzflüsse zwischen a- und 6-Spulen, da sie auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors liegen, sich achsial über Rotorluftspalt 13 (F i g. 2) und Rückschlußjochung 11 schließen können und daher auch durch Spannungsdifferenzen an a- und b-Wicklungen erzwungen werden können.

Die beiden Drehfeldsysteme 16 und 17 sind bei einer 2-poligen Ausführung räumlich um 90° gegeneinander versetzt angeordnet, so daß also die Wellenfunktion für die Luftspaltinduktion B» im Luftspalt 14 und S₁₅ im Luftspalt 15 den Gleichungen

ßi4 = B₀ cos (ω„t+λ)

genügt.

Hierin ist ω_π die Kreisfrequenz des Drehfeldspeisenetzes und α der den Umfangspunkt kennzeichnende Winkel. Der laufende Zeitwert wird mit /bezeichnet.

Im Raum zwischen den Drehfeldwicklungen 16, 17 und dem Hystereseläufer 12 sind die konzentrischen Steuerwicklungen 18 und 19 untergebracht. Der magnetische Luftspaltwiderstand von Luftspalt 13 wird durch größere achsiale Polbreite kleiner gemacht als der der Drehfeldluftspalte 14 und 15, so daß der Steuerfluß der Steuerwicklung 18 sich fast nur dem Drehfeldfluß im Drehfeldluftspalt 14 und der der Steuerwicklung 19 fast nur dem Drehfeldfluß im Drehfeldluftspalt 15 überlagert. Die Wirkung der Steuerwicklung 18 im Drehfeldluftspalt 15 und der Steuerwicklung 19 im Drehfeldluftspalt 14 ist im übrigen kompensierbar.

Die Luftspalte werden von Sensoren laufend überwacht, die eine etwaige Exzentrizität ε des Läufers in x- und y-Richtung ε, und ε,, die senkrecht aufeinander und auf der Drehachse stehen, in Form elektrischer Meßwerte erfaßt.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der elektronischen Schaltung sei angenommen, daß jeweils momentan eine dem Betrag der Exzentrizität

der von den Sensoren gelieferten elektrischen Meßwerte te, und kt_ym\\. Hilfsspannungen uo der Speisefrequenz ω_π der Drehfeldsysteme des Motors in nachstehender ganz bestimmter Phasenlage vorgenommen und für die Aussteuerung der Steuerwicklungen der beiden Drehfeldsysteme die Summenwirkung der Produkte beider elektrischer Meßwerte in x- und y-Richtung mit Hilfsspannungen u\ und uz unterschiedlicher Phasenlage zur Aussteuerung von zwei Verstärkern a und b mit den

ίο Tpannungen u_a und Ub verwendet. Dabei wird die Steuerwicklung 18 (F i g. 2) von Verstärker a und 19 von Verstärker b gespeist.

Unter Bezugnahme auf die obengenannten Wellenfunktionen von ßi4 und B\s sind diese Beziehungen durch folgende Gleichungen definiert:

k = k

und

tii, — ki_x ■ 1/2 — kiy ■ iii
wobei
ii] = tu, cos oi„t und ii₂ = //osinm„f

die Hilfsspannungen mit dem Scheitelwert u₀ sind. Es wird dabei vorausgesetzt, daß die positive Richtung diejenige ist, in die das Drehfeld des Systems 16 im Zeitpunkt /=0 zeigt, also <x=0 entspricht und durch ein positives u_a von Steuerwicklung 18 in dieser Richtung verstärkt, an der gegenüberliegenden Seite des Luftspaltes also geschwächt wird. Entsprechend liegt die positive y-Richtung bei λ=— nil. In diese Richtung zeigt das Drehfeld des Systems 17 im Luftspalt 15 im Zeitpunkt f=0.
Im einzelnen sollen drei Fälle beschrieben werden:

1. sei angenommen, daß ε konstante Richtung hat, also relativ zum Ständer nicht umläuft. Dieser Fall wird z. B. bei horizontaler Drehachse durch das Läufergewicht dargestellt, dem eine richtungskonstante gleich große Stellkraft des Lagers das Gleichgewicht hält die ausgelöst wird durch eine (geringfügige) bleibende Lagenexzentrizität des Läufers nach unten.

2. Als zweiter Fall sei angenommen, daß β synchron mit dem Läufer umläuft, wie es durch Unwucht und insbesondere beim Durchlaufen kritischer Drehzahlen der Fall ist, und daß der Drehfeldantrieb synchron erfolgt, was bei Hysteresemotoren der Fall sein kann.

3. Schließlich soll der Fall behandelt werden, daß ε synchron mit dem Läufer umläuft und der Drehfeldantrieb asynchron mit einem Schlupf gegen die Speisefrequenz erfolgt

proportionale Stellkraft bewirkt werden soll, und zwar in einer Richtung y, für die gilt

die also der Richtung der Exzentrizität entgegengerichtet ist und sie daher zu verringern sucht

In besonders vorteilhafter Weise wird einem weiteren Erfindungsgedanken entsprechend die Multiplikation Falll

Es ist ε_χ=0; 6j,=konsL Der Steuerstrom i\_g in Steuerspule 18 (Fig.2) wird von einem Verstärker geliefert, dessen Eingang von ε_χ und s_y über Multiplikatoren (beispielsweise in Form von Hallgeneratoren) mit einer Spannung ausgesteuert wird, die die Gleichung

'is = k Ux cos m„ t + Fj, sin m_Mt)
für den Steuerstrom /ie erfüllt Entsprechend wird ein

weiterer Verstärker für Steuerspule 19 so ausgesteuert, daß

im = A (/_Λ. sin in,,ί — iy cos ο,,/)

wird. Die diesem Steuerstrom proportionalen Steuerflüsse überlagern sich den Drehfeldflüssen, so daß wegene» = Owird:

B₁₄ = So cos (oi„/ + \) + A, /-,. sin <n„t

B₁₅ = ß„ cos (ni„( + λ + .τ/2) - A₁ i_s. cos ,„„ι

Die Stellkraft F wird durch die Integration der mechanischen Spannung über den Umfang ermittelt, die dem Quadrat der Luftspaltinduktion B₁₄ bzw. Bis proportional ist.

Es zeigt sich, daß zwar die Kraftwirkungen Ft₄ und Fi5, also die Stellkräfte durch die Drehfeldluftspalte 14 und 15, mit der Frequenz 2 ω_η pulsieren, jedoch zeitlich um 180° phasenverschoben, so daß die Summenstellkraft nicht mehr mit 2 ω_π moduliert ist.

Die Summenkraft F₁₄ + F₁₅ entsteht in Höhe

F = F_u + F₁₅ = 2.-TB₀A₁-,.

in y-Richtung. Qualitativ kann man die Wirkungsweise auch so interpretieren:

Dem Drehfeld in Drehfeidluftspalt 14 wird ein rotationssymmetrisches Wechselfeld gleicher Frequenz und solcher Phasenlage überlagert, daß jeweils in den Phasenzeitpunkten, in denen das Drehfeld in vertikaler Richtung nach oben oder nach unten zeigt, der Betrag der Luftspaltinduktion oben im Ringspalt erhöht und unten erniedrigt wird. Wegen der Richtungsumkehr sowohl des Drehfeldes als auch des rotationssymmetrischen Steuerwechselfeldes nach jeweils einer halben Periode findet die Betragssteigerung am gleichen Ort statt. Die erzeugte mittlere Stellkraft hebt also den Rotor an. Sie pulsiert aber mit doppelter Speisefrequenz wegen der Nulldurchgänge von Drehfeld und Wechselfeld. Dadurch, daß die Kraftwirkung des zweiten Drehfeldluftspaltes 15 hinzukommt, in dem wegen der 90° Phasenverschiebung des Drehfeldes und des Wechselfeldes die Maximalkräfte jeweils im Augenblick der Nullpunkte der Felder und Kräfte im Drehfeidluftspalt 14 auftreten, ergänzen sich die beiden Stellkräfte beider Spalte zu einem nichtpulsierenden Summenwert. Auch in seitlicher Richtung entstehen keine pulsierenden Kräfte.

Fall 2

Der zweite Modellfall, von synchron mit dem Drehfeld und dem synchron laufenden Läufer Stellkräfte zu erzeugen, ist noch leichter durchschaubar, weil solche Kräfte bereits im einzelnen Drehfeldsystem entstehen, wenn die entsprechende Steuerspule mit Gleichstrom erregt wird. Damit liegt jedoch die Richtung der Stellkraft zur Drehfeldrichtung dieses Systems fest und es müssen wiederum beide Drehfeldsysteme benutzt werden, um mit den beiden Gleichströmen der Steuerspulen den gewünschten räumlichen Phasenwinkel der Kraftrichtung zur Rotorlage mit den senkrecht aufeinander stehenden Kraftkomponenten beider Systeme zu erzeugen.

In diesem besonderen Falle sind die beiden Drehfeldsysteme also nicht deshalb erforderlich, well sonst unerwünschte Störkräfte doppelter Frequenz auftreten, sondern nur um erforderliche resultierende Stcllkräfte in jeder Winkellage zum Rotor (bzw. Drehfeld) erzeugen zu können.

Fall 3

Nach den bisherigen Erläuterungen ist auch der dritte Modellfall leicht einsichtig zu machen. In diesem Fall wird

B₁₄ = ß„ cos (,„„t + a) + A₁ (- _Λ. cos Hi_nf + /,. sin <o_nt)

B₁₅ = B₁, cos ((»„ι+<\+.-7/2) + Mi-xSinfHn/ —f,.cos <»„t)

Mit diesen Induktionswerten ergibt sich, wenn

die mit
wirkung

= i₀ sin

= H) COS (ujt

umlaufende Exzentrizität ist, als K raft-

F =

Die beiden Einzelkräfte Fu und F15 sind in diesem Fall mit der doppelten Schlupffrequenz 2 (ω_π—ω/) im Gegentakt moduliert, ergänzen sich aber zu der gewünschten mit »/-umlaufenden und 60 proportionalen Größe. Dieser Fall ist von praktisch großer Bedeutung, z. B. bei der Überwindung kritischer Drehzahlen beim Hochlauf überkritisch betriebener Zentrifugen.

Beim Antrieb mit Asynchronmotoren wird maximales Drehmoment bereits mit niedriger Schlupffrequenz von 2— 10 Hz erreicht. Die Steuerspulen werden nur mit der niedrigen Schlupffrequenz ω_η—«ν ausgesteuert. Entsprechend klein wird daher auch die von den Verstärkern für die Steuerspulen erforderliche Blind- und Scheinleistung und damit der für die Lagerung und die Überwindung kritischer Drehzahlen erforderliche Aufwand an aussteuerbarer Verstärkerleistung.

Neben der Einsparung an Kerneisen und Raumbedarf für Drehfeldantriebe und Lagerung durch die erfindungsgemäße Kombination ist der Vorteil der Erfindung somit ganz wesentlich auch darin zu sehen, daß die Steuerverstärker für gleiche Stellkräfte und auf den Ständer bezogene Stellfrequenzen erheblich kleiner und leistungsärmer gewählt werden können als bei bisher bekannter Ausführung mit getrennter Lagerung und Antrieb.

Es kommt jedoch noch ein weiterer Vorteil hinzu, der sich auf verringerten erforderlichen Kupferaufwand für gegebene Antriebsleistung sowie Stellkraft und Stellfrequenz der Lagerung bezieht

Bisher wurden in"Fig. 1 und 2 Ausführungsformen des Erfindungsgedankens mit getrennten Wicklungen für Drehfelderzeugung und Steuerfluß angegeben. Die Funktion der Steuerspulen kann jedoch, wie Fig.3 zeigt, auch von den Drehfeldwicklungen mit übernommen werden.

In Fi g. 3 sind die beiden Drehfeldsysteme 36 und 37 in 6-phasiger Sternschaltung dargestellt Die übliche 3-phasige Drehfeldschaltung der Wicklungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zeigt im Unterschied dazu Fig.3a. Die römischen Ziffern I, Il

und III kennzeichnen die drei Phasen des Drehstromnetzes. Sechsphasige Speisung I +; I -; 11 +; 11 - ; 111 +; IH —, erfolgt über Transformatoren in der Stromversorgung 32 der Fig. 3, die die jeweiligen positiven und negativen Phasenspannungen, bezogen auf die Sternpunkte 5β und 57, zur Verfügung stellen. Die zu jeder Phase gehörenden zwei Wicklungen a und 6 sind räumlich auf gegenüberliegenden Seiten des zweipoligen Rotors im Ständer angebracht, so daß ein Differenzfluß dieser Teilspulen, wie er bei unsymmetrischem Sternpunkt S₆ bzw. 57 im Potentialdiagramm des Sechsphasensystems zustande kommt, sich über den Rotor und den Luftspalt 13 (F i g. 2) zum Ständerjoch schließen kann.

In F i g. 3 sind zwei Verstärker 33 und 34 angegeben, deren Ausgangsspannung zwischen den Stern punkten Si, und S7 der Drehfeldsysteme 36 und 37 einerseits und dem Sternpunkt O der Stromversorgung 32 andererseits wirksam ist. Da der Sternpunkt der Stromversorgung in seiner symmetrischen Lage bei niedriger Netzreaktanz festliegt, verlagern die Steuerverstärker die Sternpunktpotentiale der Drehfeldsysteme und bewirken damit ganz entsprechende Steuerflüsse wie die Wicklungen 18 und 19 in F i g. 2. Die Eingänge der Verstärker 33 und 34 werden auch in gleicher Weise, wie zu Fig.2 bereits beschrieben, mit Spannungen beaufschlagt, die sich aus den Sensorenspannungen kt_x und ke_y der Luftspaltsensoren nach der Multiplikation mit Spannungen, die dem Stromversorgungsteil, z. B. zwischen 1+ und 0 einerseits und Il und III andererseits zu entnehmen sind, und Faktoren a cos ω_πί und a sin ω_ηί in der Weise ergeben, daß die Eingangsspannung t/36 des Verstärkers 33 wird

«.ν, = U\+okr_x— «um |/3> >· = <*('* sinm„i-/,. cos w„t) und entsprechend gilt für C₃₇ des Verstärkers 34

"37 = U pr_x+ Ui+ofcf,. = a(f_xCOS tt>„t + r_ys\n io„t)

wobei gilt:

«1+0 = i'ocos o,„t und U₁₁₁₁₁ = «o|/'3sin <»„t.

Eine Variante zu der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform des Erfindungsgedankens zeigt F ig. 2b.

Angenommen wird dabei ein Zentrifugenrotor 126 von relativ großem Außendurchmesser D_b mit einem Lager- und Antriebsfortsatz kleineren Durchmessers db, der als Läufer für den erfindungsgemäßen Ständer dient. Dieser Ständer mit den Blechpaketen 86 und 9b sowie der gemeinsamen Drehstromwicklung 166 ist nach dem in Fig.2c dargestellten Wicklungsschema für eine Phase ausgeführt Der Rückschlußjochring iOb weist noch einen zylindrischen Fortsatz Ab auf, der den großen Durchmesser des Rotors umschließt, so daß für den Steuerfluß zwischen Ständer und Rotor ein Luftspalt 136 entsteht, der einen viel kleineren magnetischen Widerstand hat als die aktiven Drehfeldluftspalte 146 und 156 und somit zu noch kleinerer Steuerleistung für die Lagerung führt als die Ausführung nach Fig.2.

Die Steuerwicklung 186 in F i g. 2b entspricht in ihrer Funktion nicht direkt der Wicklung 18 der F i g. 2. Die Wirkung der Steuerwicklung 186 entspricht der Differenz der Wicklungen 18 und 19 der F i g. 2 und die Wirkung der gestrichelt dargestellten Steuerwicklung 196 der Summenwirkung dieser beiden Wicklungen 18 und 19. Die elektronische Schaltung ist trotzdem dieselbe, nur die resultierende Kraftrichtung ändert sich um 45°. Das wird durch die Winkellage der Sensoren berücksichtigt. Der Fortfall des Steuerflußluftspaltes (13 in Fig. 2) zwischen den Drehfeldluftspalten in Fig. 2b ist für die Hystereseummagnetisierungsarbeit des Läufers von Vorteil. Diese Ummagnetisierungsarbeit wird bei gleichen Läuferabmessungen erhöht und damit

1» auch das maximal erreichbare Antriebsmoment. Das ist der eine Vorteil der Ausführung nach F i g. 2b gegenüber derjenigen nach F i g. 2. Ein weiterer Vorteil besteht in der geringeren Ständerstreuung durch Anbringen der Drehfeldwicklungen in Nuten, die, wie auch sonst im Maschinenbau üblich, dicht am Luftspalt ücgcn, ein weiterer darin, daß die Drehfeldwicklung nur etwa dreiviertel soviel Kupfer für die Wickelköpfe 3c und 4c und die 90°-Versetzung 5c zwischen den Polringen 8c und 9c dieser als Abwicklung dargestellten F i g. 2c benötigt als die vier Wickelköpfe der beiden Drehstromwicklungen nach F i g. 2.

Schließlich läßt sich auch noch die gestrichelt eingetragene Wicklung 196 in Fig.2b einsparen, wenn man den einen Steuerverstärker 34 in F i g. 3 statt auf

2^r, diese Wicklung auf den Sternpunkt der dann sechsphasig auszuführenden Wicklung 166 in Fig.2b wirken läßt.

In an sich bekannter Weise kann ein solches aktives magnetisches Lager nicht nur zur Erzeugung einer

jo Lagersteifigkeit benutzt werden mit einer der Exzentrizität proportionalen Rückstellkraft, sondern auch zur Dämpfung etwa angeregter Schwingungen um die Symmetrielage und zum Ausgleich von Kreiselkräften des Läufers, die Stellmomente erfordern in einer zur

r> Exzentrizitätsebene senkrechten Richtung. Die entsprechenden Schaltungen der Sensoren vor dem Eingang in die Steuerverstärker sind bei der erfindungsgemäßen Ausführung die gleichen wie bei bekannten magnetischen Lagern mit getrenntem Antrieb.

Abschließend sei noch auf den Vorteil des erfindungsgemäßen Lagerantriebs hingewiesen, der sich gegenüber getrenntem Motor und magnetischem Lager ergibt, wenn diese aus konstruktiven Gründen dicht benachbart angeordnet werden müssen. Der unvermeidbare Streufluß der Drehfelder ist dann nämlich auch im magnetischen Kreis des Lagers wirksam und stört dort. Außerdem hat das magnetische Lager insbesondere bei hochwertigen Ausführungsformen einen bemerkenswerten permanentmagnetischen rotationssymmetrischen Vormagnetisierungs- und Streufluß, der sich dem Drehfeldsystem ungewollt mitteilt, und in der oben beschriebenen Weise eine mit dem Drehfeld umlaufende Störkraft erzeugt, die zu gefährlichen Rotorschwingungen Anlaß geben kann.

Solche Störwirkungen sind bei dem erfindungsgemäßen Kombinationslager vermieden, so daß größere Betriebssicherheit erreicht wird.

Konzentrische Steuerspulen, wie in F i g. 1 und F i g. 2 dargestellt, kommen nur bei zweipoligen Maschinen infrage, allenfalls auch bei ungeradzahligen höheren Polpaarzahlen, hier jedoch mit ungünstigeren Kraftwirkungen. Für eine Polpaarzahl 2, also für vierpolige Maschinen, ist die Anordnung nach Fig.3 besonders vorteilhaft, weil dann kein besonderer Steuerflußluftspalt (13 in Fig.2) vorgesehen werden muß, da die Sternpunktverschiebung im Drehfeldsystem jeweils einander gegenüberliegende gleichnamige Pole oder Polpaare einer Phase verstärken und schwächen kann,

ohne einen Ausgleichfluß achsial über den Läufer und einen Steuerflußluftspalt zu erfordern. Eine solche vierpolige Ausführung läßt daher auch höhere Steuerflußfrequenzen zu, da die Läuferlamellierung auch für den Steuerfluß dann überall parallel zur Flußrichtung verläuft.

Bei Hystereseläufern kommen insbesondere für schnellaufende Zentrifugen auch so geringe Wandstärken des Läuferzylinders infrage, daß sich die Frage der Läuferlamellierung gar nicht stellt, weil der Läufer selbst ein Einzelblech darstellt, das den Steuerfluß und den Drehfeldfluß sowohl tangential als auch achsial mit hoher Frequenz führen kann. In diesem Falle sind zweipolige Maschinen angebracht, die geringeren Aufwand für die Stromversorgung und -verteilung bedingen, da bei gleicher Drehzahl nur die halbe Speisefrequenz wie bei vierpoligen Maschinen erzeugt werden muß.

Vorstehend wurde bereits darauf hingewisen, daß ein Zusatzluftspalt 7 in F i g. 1 bzw. 13 und 136 in F i g. 2 und Fig.2b sowie das dafür erforderliche Joch bei vierpoliger Ständerwicklung entfallen kann.

Es gibt jedoch eine zweipolige Drehfeldmaschine, bei der in einer der F i g. 3 entsprechenden Schaltung ebenfalls der Zusatzluftspalt entfallen kann.

F i g. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Art für ein zwei- bzw. vierphasiges Drehfeldsystem. Um einen ringförmigen Ständerjochring 71 werden die Wicklungsteile V„; Vf, der Phase II sowie VI₃ und VI* der Phase I gewickelt. Der Läufer 72 bildet mit dem Ständerjochring einen Luftspalt, in dem die Wicklungen wie gezeichnet direkt liegen. Man kann sie aber auch in den Nutlücken zwischen Zähnen hindurchführen, um einen geringeren Maschinenluftspalt zu erreichen. Diese übliche Bauform ist lediglich der leichteren Erkennbarkeit der erfindungsgemäßen Schaltung wegen nicht dargestellt.

Die Wicklungsteile V₃ und Vj, werden in Parallschaltung von der Phasenspannung H₊ und II _ gespeist ebenso VI„ und VI4 in Parallelschaltung von I₊ und I_. Alle vier Wicklungsteile sind mit einer zum Sternpunkt Sr führenden Mitteianzapfung versehen. Ganz allgemein gilt, daß aufgrund der gegenseitigen Verkettung der Flüsse von Nachbarphasen die Mittelanzapfung der beiden parallel geschalteten Teilwicklungen einer Phase nicht gleiches Potential haben. Um trotzdem einen Motorsternpunkt zu bilden, ist es erforderlich, die beiden Mittelanzapfungen über eine Transformatorwicklung miteinander zu verbinden, in die vom Speisetransformator her eine der Potentialdifferenz entsprechende Kompensationsspannung induziert wird. An Sieile einer Transfonnaiorvvick'ung kann auch eine Saugdrossel verwendet werden. Der Mittelpunkt dieser Transformatorwicklung stellt dann den Motorsternpunkt St dar. Zwischen dem Motorsternpunkt St und dem Sternpunkt O der Drehstromversorgung 74 wird auf den Verstärker 73 in der zu F i g. 3 beschriebenen Weise ein Steuerstrom eingespeist. Ein zweites um eine halbe Polteilung verdrehtes System kann gemäß F i g. 3 auch hier Anwendung finden, kann jedoch auch entfallen, wenn die mit doppelter Schlupffrequenz umlaufenden Störkräfte unerheblich sind.

Die F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für 4-polige Maschinen. Im Unterschied zu Fig.3 sind nicht die Drehfeldpotentiale nach Art der Zeigerdiagramme sondern die räumliche Wirkrichtung für den erzeugten magnetischen Fluß der einzelnen Spulen zur Darstellung gebracht Beim Stromdurchgang von außen nach innen in den radial dargestellten Spulensymbolen entsteht gleiche Polarität am entsprechenden Ständerpol. Einander gegenüberliegende Spulen sind, wie dargestellt, so in Reihe geschaltet, daß gleichnamige Pole entstehen, wie für vierpolige Maschinen erforderlich.

Jede der Phasen I und II arbeitet in jedem der beiden Drehfeldsysteme 64 und 74 auf zwei parallele Zweige von je zwei in Reihe geschalteten Spulen. Die Phasen I und Il sind phasenmäßig um 90°, räumlich um 45° gegeneinander versetzt. Die Drehfeldsysteme 64 und 74 sind, wie dargestellt, räumlich nur um 45° gegeneinander verdreht angeordnet. Im System 64 sind die Teilsternpunkte nur der Phase I als Mittelpunkte S».und S_s je nur einer der beiden Reihenschaltungen von gegenüberliegenden Spulen für die Erzeugung der Stellkräfte durch die Regelverstärker 134 und 144 herausgeführt, und zwar S_w für die zeichnungsmäßig waagerechten und S_s für die senkrecht wirkenden Kräfte. Im System 74 werden nur die Mittelpunkte 5». und Ss der Spulen-Reihenschaltungen der Phase II als Teilsternpunkte für die Stellkraftregelung herausgeführt und mit denen des Systems 64 sowie den Verstärkerausgängen von 134 für 5», und von 144 für S₁ verbunden. Die Regelverstärker werden von den Produkten der Meßwertspannungen der Sensoren und der Hilfsspannungen der Speisefrequenz ausgesteuert. Die Phasenlage der Hilfsspannung muß zwischen der der Phasen I und II liegen, kann also z. B. zwischen I ₊ und H₊ der Stromversorgung 124 entnommen werden. Diese Stromversorgung 124 dient ebenso wie die entsprechende Stromversorgung 32 der Fig.3 dazu, den Sternpunkt S für die ± Speisung mit I +; I _; II + und II_ der Drehfeldsysteme 64 und 74 herzustellen, also

J5 praktisch auf Vierphasenspeisung überzugehen mit Hilfe von Mittelpunktanzapfung der Sekundärwicklung der beiden Tranformatoren für Phase I und 11 im Stromversorgungsteil 124.

Da bei vierpoligen Maschinen die Speisefrequenz bereits das Doppelte der Synchrondrehfrequenz des Rotors ist, und da die Stellkraft je eines der beiden Drehfeldsysteme mit der doppelten Speisefrequenz durchmoduliert ist (zwischen Null und der doppelten der vom Sensor auszulösenden Stellkraft), ist die Ergänzung der Stellkraft eines Systems 64 durch ein zweites 74 mit im Gegentakt durchmodulierter Stellkraft für viele Anwendungsfälle nicht erforderlich.

Der Erfindungsgedanke kann dann, wie in F i g. 5 für den vierpoligen Motor dargestellt, vereinfacht ausgeführt werden. Hier wird nur für eine Phase (I) des speisenden Netzes ein Mittelpunktsternpunkt 5 und die Hilfsspannung für die Regeiverstärker 135 und 145 dieser Phase I entnommen.

Um keine störende labile Stellkraft durch die nicht von Verstärkern zusätzlich ausgesteuerten Spulen der Phase H des Drehfeldsystems bei vorhandener Rotorexzentrizität zu erhalten, ist es zweckmäßig, die einander gegenüberliegenden Spulen dieser Phasen parallel zu schalten, wie in Fig.5 dargestellt, so daß auch bei ungleichen Luftspalten von beiden Seiten des Rotors gleiche magnetische Flüsse der ungesteuert.en Phasen erzwungen werden. Die Schaltung nach Fig.5 kann in entsprechender Weise auch für Drehströme ausgelegt werden, was für die nach F i g. 4 nicht ohne weiteres gilt Beide sind auf vierpolige Maschinen bezogen.

In beiden Schaltungen (F i g. 4 und F i g. 5) sind nur die Teilsternpunkte von je zwei einander gegenüberliegenden Wicklungen eines oder beider Drehfeldsysteme an

die Verstärkerausgänge angeschlossen, und die Verstärkereingänge werden jeweils nur mit dem Produkt der Sensorenspannung einer der Tastrichtungen χ oder y mit der Hilfsspannung einer Phase, die in der gleichen Richtung wirkt, ausgesteuert. Das hat den Vorteil, daß mit jedem Drehfeldsystem mittlere Stellkräfte in jeder Richtung erzeugt werden können, so daß auch unter Verzicht auf die Glättung der Stellkräfte auf Einzelsysteme wie in F i g. 1 und F i g. 5 Obergegangen werden kann.

Die Aussteuerung nur von Teilsternpunkten hat jedoch den Nachteil, daß die erzeugten Steuerströme, die die Verstärker bei dem induktiven Widerstand der Wicklungen aussteuern müssen, nicht nur die Differenzfrequenz von Speisefrequenz und gleichsinniger Umlauffrequenz einer durch Unwucht bedingten Exzentrizität führen (wie das zu Fig.3 beschrieben wurde) sondern auch die Summenfrequenz mit gleicher Amplitude. Eine erfindungsgemäße magnetische Lagerung von überkritisch laufenden Rotoren, bei der beim Durchlauf der kritischen Drehzahl während des Hochlaufes starke synchrone, mit dem Rotor umlaufende Stellkräfte erzeugt werden müssen, für die das Lager vorzugsweise dimensioniert werden muß, wird daher besser in einer Schaltung nach F i g. 3 ausgelegt als in einer solchen nach Fig.4 oder 5, weil bei den letztgenannten viel höhere Steuerstromfrequenzen vorkommen, die wesentlich höhere Scheinleistungen der Ausgangsverstärker erforderlich machen als bei der vorgenannten Ausführung nach F i g. 3.

Auch bei vierpoligen Motoren wie in F i g. 4 ist eine Beschattung mit vollständigen Sternpunkten aller Phasen wie in F i g. 3 für den Steuerstromkreis möglich, wenn auch hier die Verstärkereingangsspannung aus der Summe der Produkte beider Sensorenspannungen von te, und ks_y mit den beiden Hilfsspannungsphasen

Uo cos (ü„t und Uo sin ω_ηί

gebildet werden. Die erforderliche Ausgangsscheinleistung der Verstärker kann dadurch auch für vierpolige Maschinen bei überkritisch laufenden Rotoren drastisch verringert werden.

Man kann aber auch bei einer zweipoligen Maschine ein vierpoliges Steuerfeld überlagern, wenn man nach Fig.6 die beiden Teilsternpunkte S_w und 5_S wie in Fig.5 mit einem Gegentaktverstärker 136 so aussteuert, daß ihre Potentialverschiebung gegen den Sternpunkt 5 der Stromversorgung stets von gleicher Amplitude aber entgegengesetztem Vorzeichen ist. Der Eingang des bei dieser Schaltung einzigen Verstärkers 136 wird, wie zu F i g. 3 beschrieben, mit der Summe der Produkte der Sensorenspannungen mit den beiden 90° unterschiedlichen Phasenkomponenten der Speisespannung ausgesteuert.

Die Erfindung läßt sich jedoch auch so verwirklichen, daß die Drehfeldwicklung mit nur einseitig vom Läufer liegenden Windungen in jeder Phase gewickelt und mit zwei- bzw. dreiphasigem Netz gespeist wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Radiales aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb, bestehend aus Ständer und Läufer mit einem von Sensoren überwachten Luftspalt, wobei dem von Ständer-Drehfeldwicklungen durch Speisung mit Drehstrom erzeugten Drehfeld ein Steuerfeld überlagert wird, das von Steuerwicklungen im Ständer durch die Ausgangsströme von Verstärkern erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker mit Spannungen ausgesteuert werden, die dem Produkt der von den Sensoren gelieferten, der Abweichung des Luftspalts vom Sollwert entsprechenden Spannungen und von Hilfsspannungen proportional gemacht werden, die die Frequenz des das Drehfeld speisenden Netze.; haben.

2. Radiales aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der magnetische Fluß des Steuerfeldes durch einen Strom erzeugt wird, der einem Sternpunkt der Drehstromwicklung zugeführt wird, die dem Drehantrieb dient und sich über den Sternpunkt des Stromversorgungsnetzes für diesen Drehantrieb schließt.

3. Radiales aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drehfeldständer mit um eine halbe Polteilung gegeneinander verdrehten Drehfeldwicklungen vorgesehen werden, deren getrennte Sternpunkte von zwei Verstärkern mit Steuerströmen ausgesteuert werden, deren Eingangsspannungen u_a und Uz, von den Spannungen der Sensoren in x-Richtung te,und y-Richtung ke_y sowie von Hilfsspannungen von der Kreisfrequenz ω_π des Drehstromspeisenetzes

gesteuert werden, daß

Uo COS O)_n t

η t

40

über Multiplikation- und Summenschaltungen so gesteuert werden, daß

45

4. Radiales aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drehfeldsysteme mit um eine halbe Polteilung gegeneinander verdrehten Drehfeldwicklungen in Ständern vorgesehen werden, zwischen denen ein Ringpol mit den Rückschluß-Jochringen der beiden Ständerkerne magnetisch verbunden angeordnet ist sowie zwei konzentrischen Steuerwicklungen je zwischen einen der beiden Ständerkerne und dem Ringpol in der Mitte, und daß diese Steuerspulen von Verstärkern ausgesteuert werden, deren Eingangsspannungen u_a und u_b von den Spannungen der Sensoren in x-Richtung Ae, und y-Richtung te_y sowie von Hilfsspannungen von der Kreisfrequenz O)_n des Drehstromspeisenetzes

i = Uo cos ω_π t

65

u_b

U2 = Uo sin o>„ t
über Multiplikations- und Summenschaltungen so

5. Radiales aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Drehfeldwicklung mit zwei Ständerblechpaketen vorgesehen ist, deren Verdrehung um eine halbe Polleitung gegeneinander von den Nutleitern der Drehfeldwicklung zwischen den beiden Ständerblechpaketen überbrückt wird, und daß nur eine konzentrische Steuerspule zwischen den Ständerblechpaketen vorgesehen ist, wobei der eine von zwei Verstärkern den Sternpunkt und der andere Verstärker die Steuerspule speist

6. Anordnung nach Anspruch 1, daß zwei vierpolige zweiphasige Drehfeldsysteme in zwei genuteten Ständerringen vorgesehen sind, die räumlich um 45" gegeneinander versetzt sind und daß Teilsternpunkte von nur je zwei einander gegenüberliegenden Spulen gebildet werden, und zwar von den beiden Spulenpaaren der einen Phase des einen Drehfeldsystems und den beiden Spulenpaaren der anderen Phase des zweiten Drehfeldsystems, ;;nd daß die Teilsternpunkte der jeweils parallelen Spulenpaare beider Drehfeldsysteme miteinander und mit den von luftspaltüberwachenden Sensoren ausgesteuerten Verstärkern verbunden sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilsternpunkte des einen Drehfeldsystems an zwei von den luftspaltüberwachenden Sensoren ausgesteuerten Verstärkern angeschlossen sind, die von dem Produkt der Sensorenspannungen und einer Hilfsspannung der diesen Sternpunkten zugeordneten Phase ausgesteuert werden* und die Teilsternpunkte des anderen Drehfeldsystems entsprechend über zwei weitere Verstärker von der anderen Phase als Hilfsspannung ausgesteuert werden.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierpoliges Drehfeldsystem vorgesehen ist, daß zwei Teilsternpunkte von je zwei einander gegenüberliegenden Spulen 'einer Phase gebildet werden und daß diese Teilsternpunkte von den luftspaltüberwachenden Sensoren nach Multiplikation mit Hilfsspannungen von 180° Phasenverschiebung über Verstärker ausgesteuert werden.

9. Anordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Spulen der anderen Phase oder bei Drehstromspeisung der anderen beiden Phasen, die keine Teilsternpunkte bilden, parallelgeschaltet werden.

10. Anordnung nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfeldwicklung um das Rückschlußjoch des Ständers herumgewickelt wird, wobei jede Phase mit parallel geschalteten Hälften der Wicklung auf den beiden einander gegenüberliegenden Rückschlußjochabschnitten gewickelt wird, und daß die Mittelpunkte dieser Teilwicklungen in einem Sternpunkt verbunden werden.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Mittelpunkte der Teilwicklung einer Phase und den Sternpunkt des Motors Hilfsspannungen eingespeist werden.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung die von Verkettungsflüssen mit den Nachbarphasen induzierten Spannungen kompensiert.

Die Erfindung betrifft ein radiales aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Magnetische Lager dienen dazu, Rotationskörper ohne mechanischen Kontakt zum feststehenden Teil ausschließlich elektromagnetisch zu lagern, so daß keine Lagerreibung und somit kein Verschleiß auftritt

Aus der DE-AS 22 10 995 ist ein aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb bekannt, bei dem im Magnetfeld des Läufers auf dem Ständer Wicklungen derart angeordnet sind, daß zum Antrieb und zur Lagerung durch Steuerung der Wicklungsströme auf den Läufer Kräfte in axialer, radialer und tangentialer Richtung ausgeübt werden. Mit dieser bekannten Anordnung ist es möglich, einen Rotationskörper elektromagnetisch zu lagern und elektromotorisch in Umdrehung zu versetzen. Durch auf dem Ständer angebrachte Sensoren wird zusätzlich die Position des Läufers erfaßt und davon abhängig werden die Wicklungsströme des Ständers so gesteuert, daß entsprechende Stellkräfte auf den Läufer wirken.

Bei der direkten Ableitung der Steuerströme aus den Meßwerten der Sensoren entstehen jedoch Schüti-ϊΐ-kräfte als Stelikräfte, da der rotierende Läufer an jedem Ort ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und die resultierende Stellkraft proportional dem vektoriellen Produkt aus magnetischer Feldstärke und der Stromstärke in den Steuerwicklungen ist Bei gleichbleibenden Meßwerten der Sensoren wird somit eine die Schüttelkräfte bedingende Richtungsumkehr der Stellkräfte bewirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein radiales aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb zu schaffen, bei dem keine durch Richtungsumkehr der Stellkräfte bedingte Schüttelkräfte bei gleichbleibenden Meßwerten der Sensoren auftreten, so daß der Läufer stabil rotierend und frei schwebend in der jeweils gewünschten Position gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird das Auftreten von Schüttelkräften durch Erzeugung einer mittleren, den Sensormeßwerten proportionalen Stellkraft vermieden. Diese mittlere Stellkraft wird durch Multiplikation des Sensorenmeßwertes mit einer Wechselgröße von gleicher Frequenz wie die der speisenden Drehfeldwicklung und solcher Phasenlage erreicht, daß die Wechselströme in den Steuerwicklungen und das Feld der Drehfeldwicklungen gleich sind.

In Weiterbildung der Erfindung überträgt eine Drehfeldwicklung in einem genuteten Ständerblechpaket über einen Arbeitsluftspalt auf einen Rotationskörper ein antreibendes Drehfeld, und eine zusätzliche konzentrisch zum Rotationskörper angeordnete Steuerwicklung erzeugt im Arbeitsluftspalt ein rotationssymmetrisches Zusatzfeld. Der Ständer besitzt ein oder zwei Drehfeldsysteme der gleichen Bauart wie bei üblichen Drehstrommotoren, mit denen das antreibende magnetische Drehfeld erzeugt und über den Luftspalt bzw. über zwei Luftspalte auf den Läufer übertragen wird. Im Drehfeld dieses oder dieser Ständer erfährt der Rotor ein Antriebsmoment Der Rotor kann nach Art von Käfigläufern ausgebildet sein. Er kann aber auch als ferropiagnetischer Zylinder oder Hohlzylinder mit größerer oder kleinerer Wandstärke ausgebildet sein und als Hystereseläufer eines Hysteresemotors wirken, wobei er beispielsweise auch selbst als Zentrifugenrotor dienen kann, wenn die Aufgabenstellung eine solche Zentrifuge mit magnetischer Lagerung betrifft Für im Vakuum zu betreibende Zentrifugen mit hoher Umfangsgeschwindigkeit kann die magnetische Lagerung, und zwar insbesondere die aktive magnetische Radiallagerung ein funktionswichtiger Bestandteil für eine technisch betriebssichere Ausführung sein.

AJs aktives magnetisches Lager wird dabei ein solches verstanden, bei dem der konzentrisch zu haltende Luftspalt mit Sensoren überwacht wird, die über eine elektronische Schaltung Elektromagnete so regeln, daß sich der Rotor zentriert und somit gelagert wird. Die achsiale Lagerung kann dabei wie auch sonst im Elektromaschinenbau selbsttätig durch das vom Ständer auf den Läufer übertretende Antriebsdrehfeld erfolgen.

Durch ein rotationssymmetrisches Zusatzfeld (Steuerfeld) wird die Luftspaltinduktion des Rotors jeweils an der Stelle verstärkt, an der eine Zugkraft auf den Rotor zum Zwecke der Regelung der konzentrischen Rotorlage ausgeübt werden muß, und an der gegenüberliegenden Seite geschwächt

Für rotationssymmetrische unipolare Steuerfelder wird ein besonderes magnetisches Rückschlußjoch am Ständer der Maschine vorgesehen, das den Steuerfluß über einen weiteren konzentrischen Luftspalt zum Rotor hin schließt.

An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert In Fig. 1 ist eine besonders einfache Ausführungsform eines magnetischen Lagers mit Antrieb dargestellt Der Ständerkern 1 trägt in halbgeschlossenen Nuten eine zweipolige Drehfeldwicklung 2. Der Läufer 3 kann als Käfigläufer ausgebildet sein oder auch aus einem Hohlzylinder aus Hysteresematerial bestehen. Die konzentrische Steuerwicklung 4 wird von dem konzentrischen Rückschlußjoch 5 und vom Ständerkern 1 der Drehfeldwicklung 2 umschlossen.

Der Steuerfluß ist rotationssymmetrisch. Er schließt sich über den zusätzlichen Zusatzluftspalt 7, den Läufer 3, den Drehfeldluftspalt 6, den Ständerkern 1 und das Rückschlußjoch 5.

F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Drehfeldsysteme vorgesehen sind.

Die Polringe 8 und 9 bestehen aus einzelnen Zähnen, deren magnetischer Fluß über die achsialen Kerne 10 an einen mittleren Jochrückschlußring 11 geführt wird.

Dieser bildet ungezahnt mit dem Hystereseläufer 12 einen zylindrischen Luftspalt 13, der die Funktion des Luftspaltes 7 in F i g. 1 erfüllt, also zum magnetischen Rückschluß des Steuerflusses für die Lagerstellkräfte dient. Die gezahnten Polringe 8 und 9 bilden mit dem Hystereseläufer 12 die Drehluftspalte 14 und 15 von zwei Drehfeldwicklungssystemen 16 und 17, die mit den Kernen 10 verkettet sind. Die beiden Drehfeldsysteme können natürlich auch in der im Maschinenbau sonst üblichen Weise in den Nutlücken zwischen den Zähnen

fa5 der Polringe 8 und 9 angeordnet werden. Dann würden die Wickelköpfe die achsiale Baulänge des erfindungsgemäßen Lagerantriebes nach oben und unten achsial verlängern, was für Zentrifugen unerwünscht sein kann.