DE68912490T2

DE68912490T2 - Magnetische Lager-Vorrichtung.

Info

Publication number: DE68912490T2
Application number: DE68912490T
Authority: DE
Inventors: Akira Yamamura
Original assignee: NIPPON FERROFLUIDICS KK
Current assignee: NIPPON FERROFLUIDICS KK
Priority date: 1988-10-07
Filing date: 1989-10-06
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2009-10-07
Also published as: US5073737A; JPH02102919A; EP0362881B1; DE68912490D1; JP2961117B2; KR900006696A; EP0362881A3; KR0153451B1; EP0362881A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Lager- Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Lager-Vorrichtung ist in der DE-A-23 55 104 offenbart, die ein System beschreibt, das keine Sensorspule enthält.
Die US-A-4 642 501 offenbart eine magnetische Aufhängung, die eine Sensoreinrichtung zum Messen der Magnetflußdichte verwendet.
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine magnetische Lagervorrichtung mit einfachem Aufbau vorzusehen, durch die die Steuercharakteristiken durch Verwendung eines Steuerstromes verbessert werden und eine unausgeglichene Federkonstante infolge einer Versetzung der Läuferscheibe verringert wird.
Diese Ziele werden durch die Erfindung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs erreicht.
Die Erfindung wird ferner unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist ein Längsschnitt, der ein Ausführungsbeispiel der magnetischen Lagervorrichtung gemäß dieser Erfindung zeigt;
Figur 2 ist ein äquivalentes Schaltbild der obigen Vorrichtung; und
Figur 3 ist eine schematische Darstellung, die das Arbeitsprinzip des Verlagerungs-Meßsensors zeigt.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der magnetischen Lager-Vorrichtung beschrieben.
Es wird auf Figur 1 Bezug genommen; das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine rotierende Hauptwelle, die drehbar mit einer Läuferscheibe 2 versehen ist und hierdurch eine einzige, einstückige Einheit bildet. Ein Paar Lagerelemente 3, 3 sind auf den in axialer Richtung gegenüberliegenden Seiten der Läuferscheibe 2 angeordnet und nehmen die Scheibe 2 zwischeneinander. Jedes der Lagerelemente 3, 3 weist ein Paar Polstücke 5, 6 auf, die an zwei Polflächen eines Permanentmagneten 4 angebracht sind. Jedes der Polstücke 5, 6 weist ein Teil auf, das sich parallel zur Läuferscheibe 2 erstreckt, sowie ein oberes Endteil, das sich von dem erwähnten Teil noch weiter weg bis zu einer Lage nahe der Läuferscheibe erstreckt. Eine Steuerspule 7 ist zwischen dem erwähnten Paar von Polstücken 5, 6 in einer Lage näher zur vorderen Endseite als der Permanentmagnet 4 angeordnet. Eine Sensorspule 8 ist in einer Lage noch näher zur vorderen Endseite als die erwähnte Steuerspule 7 angeordnet. Die Sensorspule 8 ist in derselben Richtung gewickelt wie die erwähnte Steuerspule 7.
In der magnetischen Lagervorrichtung mit dem obigen Aufbau sind ein erster und zweiter Spalt 11, 12 jeweils an den Scheitelendseiten der Polstücke 5, 6 ausgebildet, und ein magnetischer Streupfad 13 ist an den basisseitigen Enden der Polstücke 5, 6 ausgebildet, wovon eine äquivalente Schaltung in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Schaltbild bezeichnet das Bezugszeichen EO die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten 4, RO bezeichnet dessen inneren magnetischen Widerstand, RL bezeichnet den magnetischen Widerstand für einen Streufluß, R1 bezeichnet den magnetischen Widerstand für den ersten Spalt 11 und R2 bezeichnet den magnetischen Widerstand für den zweiten Spalt 12.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau erfolgt eine unausgeglichene Federkonstante als Ergebnis der Versetzung der Läuferscheibe 2 proportional zum folgenden Ausdruck:
1/[1 + RO/(1 + RO/R1)(R1 + R2)] pDie Steuerkraft ist proportional zum folgenden Ausdruck:
EO NI/R
R = (R1 + R2)² (1 + RO/RL) + 2RO(R1 + R2) + RO²/(1 + R2/RL)
Dementsprechend wird ein maximaler Wert zum folgenden Zeitpunkt erreicht:
RL = RO (R1 + R2)/[RO - (R1 + R2)] = RO/(a - 1)
wobei: RO = a(R1 + R2).
Der magnetische Widerstand des Magnetfadens der Steuerspule 7 kann dadurch optimiert werden, daß man den Spalt zwischen den Polflächen N und S des Permanentmagneten 4 vergrössert, daß man den inneren magnetischen Widerstand RO vergrößert (indem man beispielsweise die Polstücke 5, 6 aus irgendeiner weichmagnetischen Substanz bildet) und daß man einen Streupfad des Permanentmagneten 4 bildet. Die Steuermerkmale mit einem Steuerstrom können dadurch verbessert werden, daß man die Steuerspule 7 auf der Seite näher zum Vorderende anordnet als den Permanentmagenten 4. Als Ergebnis hiervon kann nicht nur die unausglichene Federkonstante infolge der Versetzung der Läuferscheibe verringert werden, sondern es kann auch der gesamte Aufbau vereinfacht werden.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die das Prinzip der Versetzungserfassung durch einen Versetzungserfassungssensor zeigt. Der Versetzungserfassungssensor weist eine Sensorspule 8 und die Läuferscheibe 2 (eine magnetische Substanz) auf, und ein Hochfrequenzstrom (etwa 50 kHz) wird an der Spule 8 angelegt. Wenn der Abstand zwischen der Sensorspule 8 und der Läuferscheibe 2 sich ändert, dann verändert sich die Induktivität der Spule 8 auf eine solche Weise, daß die Amplitude der Hochfrequenz, die an die Spule 8 angelegt ist, moduliert wird. Eine solche modulierte Größe wird von einer Meßeinrichtung als Versetzung erfaßt. Eine Meßeinrichtungsschaltung ist als Brücke ausgebildet, mit zwei Impedanzen ZO, ZO und zwei Sensorspulen L1, L2, so daß das Versetzungssignal durch die Meßeinrichtungsschaltung ausgegeben wird, nachdem differenziell die modulierte Größe erfaßt wurde.
Eine Störung zum Zeitpunkt des gemeinsamen Betreibens der Steuerspule 7 und der Sensorspule 8 ist nicht äußerst hoch, trotz der Tatsache, daß ein starkes magnetisches Feld in der Steuerspule 7 erzeugt wird, wenn ihre anziehende Kraft erhöht wird, obwohl das Ausmaß der Induktivitätsänderung einen bestimmten Wert erreicht. Dies liegt daran, daß die Sensorspule 8 sich von der Läuferscheibe 2 entfernt befindet. Andererseits ist auch in der Steuerspule 7, wenn ihre Anziehungskraft verändert wird, das Ausmaß der Induktivitätsänderung der Sensorspule 8 nahezu dieselbe wie der erwähnte bestimmte Wert, trotz der Tatsache, daß das erzeugte Magnetfeld nicht so stark ist. Dies liegt daran, daß der Abstand zwischen der Sensorspule 8 und der Läuferscheibe 2 geringer ist. Auf diese Weise macht es die Heranziehung des differenziellen Erfassungsssystems, das oben beschrieben wurde, möglich, das Ausmaß der Änderung zu versetzen, und es liegt keine Erfassung in Form einer versetzten Komponente vor, was zu einer genauen und präzisen Erfassung der Versetzung führt.
Wenn man zugrundelegt, daß
L, L2: Induktivitäten der Sensorspule,
ZO: Bezugsimpedanz der Brücke,
µ: magnetische Permeabilität des Spalts,
s: Querschnittfläche des Magnetkerns,
xO: Abstand zur Sensor-Sollage beim ausgeglichenen Punkt
x: Versetzung von xO aus, und
w: Winkelfrequenz der Spannung VO, die an die Spule angelegt wird,
dann wird die Ausgangsspannung V der Brücke ausgedrückt wie folgt:
V = VO(jwL2 - jwL1)/2(jwL1 + JwL2) = VO(L2 - L1)/2(L1 + L2).
Wenn man ferner zugrundelegt, daß
L1 = µSN²/2(xO - x) = a/(xO - x), und
L2 = µSN²/2(xO + x = a/ (xO + x),
wird der folgende Ausdruck erhalten:
V = -VO x/2 x O.
Dementsprechend kann ein elektrisches Signal proportional zur Versetzung erhalten werden. Da V eine Hochfrequenzspannung mit mehreren 10 kHz ist, deren Amplitude proportional zur Versetzung vorliegt, kann jedes Versetzungssignal durch Eliminieren der Hochfrequenzkomponente durch die Erfassung ausgegeben werden.
Wie oben beschrieben, kann bei dem axialen Versetzungs- Erfassungsmechanismus gemäß diesem Ausführungsbeispiel deshalb, weil die Sensorspule 8 ihren magnetischen Weg gemeinsam hat mit der Steuerspule 7, Raum gespart werden. Ferner ist als Ergebnis der Verwendung des differenziellen Erfassungsmechanismus, wie er oben beschrieben ist, der Ausgang des Meßfühlers Null, wenn sich die Läuferscheibe 2 in der Mitte zwischen den beiden Lagerelementen 3, 3 befindet. Somit kann nicht nur eine Unregelmäßigkeit unter einzelnen Bestandteilen verringert werden, sondern es kann auch ein linearer Sensorausgang hinsichtlich der Versetzung erhalten werden.
Es ist zusätzlich auch vorzuziehen, die Sensorspule 8 in einer Lage anzuordnen, die in Fig. 4 gezeigt ist.
Somit kann bei dem Mechanismus zum Erfassen der axialen Versetzung mit dem obigen Aufbau gemäß dieser Erfindung deshalb, weil die Sensorspule einen gemeinsamen magnetischen Pfad mit der Steuerspule hat, der Vorteil erreicht werden, Raum zu sparen. Ferner kann als Ergebnis der Verwendung des differenziellen Erfassungsmechanismus, wie er oben beschrieben ist, der lineare Sensorausgang hinsichtlich der Versetzung erhalten werden.

Claims

1. Magnetische Lager-Vorrichtung mit einer rotierenden Hauptwelle (1), einer auf der rotierenden Hauptwelle montierten Läuferscheibe (2) und einem Paar Lagerelemente (3), die auf in Axialrichtung gegenüberliegenden Seiten der Läuferscheibe (2) angeordnet sind, wobei jedes Lagerelement (3) eine mit zwei Polstücken (5, 6) versehene Steuerspule (7) umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß jedes Lagerelement (3) mit einem Paar Polstücke (5, 6) versehen ist, wobei die zwei Polstücke (5, 6) jeweils ein Teil, zwischen denen ein Spalt (13) von konstanter Breite definiert ist, und ein vorderes Endteil haben, das sich vom erwähnten Teil bis zu einer der Läuferscheibe (2) gegenüberliegenden Position erstreckt, wobei die Steuerspule (7) zwischen denjenigen, den Spalt (13) definierenden Teilen der zwei Polstucke (5, 6) näher an den oberen Endteilen angeordnet ist, so daß zwischen den beiden den Spalt (13) definierenden Teilen ein magnetischer Streupfad definiert ist, und eine Sensorspule (8) an einer Position angeordnet ist, die näher am Vorderende der Polstücke (5, 6) als die Steuerspule angeordnet ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Versatz der Hauptwelle (1) differentiell mittels des Sensorspulenpaares (8), die auf in axialer Richtung gegenüberliegenden Seiten der Läuferscheibe (2) angeordnet sind, ausgegeben werden.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei sich die Teile der Polstücke (5, 6), die den Spalt (13) zwischen sich definieren, parallel zur Läuferscheibe (2) erstrecken.