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Radiales aktives magnetisches Lager
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Die Erfindung bezieht sich auf ein radiales aktives magnetisches Lager
mit Drehantrieb, bestehend aus der Kombination eines oder mehrerer Ständer und einem
Rotor mit einem von Sensoren überwachten BuftspaSt, wobei å jeweils dem von der
Ständerwicklung durch Speisung mit Drehstrom erzeugten Antriebsdrehfeld ein Steuerdrehfel.d
iiberlagert ist, derart, daß einem n-polpaarigen Antriebsdrehfeld ein n 1-polpaariges
über Sensoren moduliertes Steuerdrehfeld überlagert ist, nach Patent . ... ... (Patentanmeldung
P 24 06 790), und daß eine in die als Sensoren wirkenden Steuerdrehfeldwicklungen
induzierte von einer Exzentrizität des Rotors abhängige Spannung den Strom der Steuerdrehfeldwicklungen
stellt, nach Patent . ... ... (Patentanmeldung P 24 57 084).
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Eine vorstehend beschriebene Anordnung wird dadurch weitergebildet,
daß dem Antriebsstrom mit Antriebsspannungsfrequenz in der Antriebswicklung ein
Sensorstrom mit höherer
Trägerfrequenz überlagert wird.
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Es wurde also bisher die Steuerdrehfeldwicklung sowohl als Sensorwicklung
als auch als Stellglied fiir den Regelkreis zur Erzeugung der radialen Lagerkräfte
verwendet, wobei die Speisefrequenz der Antriebswicklung als Trägerfrequenz für
diesen Regelkreis dient unter Verwendung des Antriebsfelds selbst zur Erzeugung
der Sensorspannung in der Steuerwicklung.
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In der Ausführung von Antriebslagern nach dieser Art haben sich befriedigende
Lagerstellkräfte nur im Bereich von Frequenzen ergeben, die klein sind im Vergleich
mit der als Trägerfrequenz des Regelkreises verwendete Antriebs-Speise-spannungsfrequenz.
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Dem weiterbildenden Erfindungsgedanken entsprechend wird hunter Beibehaltung
der Merkmale für Antriebs- und Steuerdrehfeldwicklungen sowie der Verwendung der
Steuerdrehfeldwicklung als Sensor und Steligliedorgan im Regelkreis eine Trägerfrequenz
ft eingeführt, die höher ist als die Speisefrequenz f der Antriebsquelle. Die Trägerfrequenzspannung
wird in einem Generator oder in einem Umrichter erzeugt und zu einer Modulation
der Antriebsströme in der Antriebswicklung vorzugsweise durch induktive Einkopplung
verwendet..
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Die Modulation erfolgt mit so geringer Amplitude, daß das Antriebsdrehmoment
dadurch nur unwesentlich verändert wird.
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In der Steuerwicklung wird Je nach Größe und Richtung einer Exzentrizität
des Rotors gegen den Ständer eine Spannung induziert, die den Strömen der Antriebswicklung
und dem Betrag der Exzentrizität e proportional ist und deren Phasenlage in Bezug
auf die Stromkomponente gleicher Frequenz der Antriebswicklung durch die Richtung
der Exzentrizität bestimnt wird.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend werden. aus den in den Phasen
der Steuerwicklung induzierten Sensorspannungen die von der Speiscfrequenzkomponente
der Antriebsströme bedingten. Spannungskomponenten ausgesiebt, was ohne störcnde
Phasenwinkelbeeinflussung der mit Trägerfrequenz ft induzierten Sen so r-Spannungskomponenten
wegen des großen Frequenzunterschieds f « ft leicht möglich ist. Die wirksamen Sensor-Spannungskomponenten
werden in einer besonderen multiplikativen Demodulatorschaltung mit ft frequenztransformiert.
Das heißt, daß die Drehfeld-Spannungskomponenten der beiden Phasenausgänge der Demodulatorschaltung
von der Frequenz ft bei zweiphasiger Steuerdrehfeldwicklung auf die Frequenz Null
transformiert werden. Bei fester Eszentrizität handelt es sich also um
Gleichspannungskomponenten,
die den Komponenten der Exzentrizität des Rotors in zwei zueinander (und zur Drehachse)
senkrechten Richtungen bezogen auf den Ständer proportional sind.
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Den zeitlichen Änderungen der Exzentrizität entsprechend, die gedämpft
ausgeregelt werden sollen, werden die Meßwerte, kombiniert mit den in Differentiationsgliedern
ermittelten Differentialquotienten, über Verstärker und eine Modulationsschaltung,
die eine Frequenztransformation auf die Spersefrequenz der Antriebswicklung bewirkt,
den Phasenwicklungen der Steuerwicklung zugeführt. In Kombination mit dem mit gleicher
Frequenz umlaufenden Antriebsdrehfeld bewirken die so ausgesteuerten Ströme der
Steuerwicklungen die Stellkräfte, die den-Rotor gut gedämpft zentrieren.
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Der Vorteil der neuen Anordnung besteht darin, daß stabilisierende
Lagerkräfte mit höheren Frequenzen erzeugt werden können. Die Grenzfrequenz der
noch zu stabilisierenden Lagerschwingungen ist im Verhältnis St : f gesteigert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Steuerströme wegen der im Demodulator
vorgenommenen Frequenztransformation keine fiückkoppelnde Wirkung auf die Sensorspannung
ausüben, deren niedriger Frequenzanteil durch Siebmittel vom Verstärker ferngehalten
wird. Daher kann auch die Regelsteilheit erhöht werden.
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Anhand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel beschrieben.
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In Fig. 1 ist äede Phase einer zweipoligen zweiphasigenx Antriebswicklung
I und II des Ständers 1 eines Antriebslagers schematisch dargestellt. Der Rotor
2 kann als Inkuktionsläufer mit Käfig oder Läuferwicklung ausgeführt sein, er kann
aber auch als Hystereseläufer oder als Reluktanziäufer sowie permanentmagnetischer
Läufer eines Srnchronmotors gestaltet sein. Im Ständer 1 ist weiterhin eine vierpolige
zweiphasige Steuerwicklung bestehend aus
je vier in Reihe geschalteten
Wicklungsabschnitten wet für die beiden Phasensysteme Ist und 11st mit den Ansch1ußklejren
3 und 4 für Ist sowie 5 und 6 für IIst.
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Die Anschlußk.lemmen der Antriebsdrehfeldwicklung sind entsprechend
mit 7; 8; 9 und 10 bezeichnet. Die Antriebswicklung wird von einem zweiphasigen
Netz 11 gespeist.
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In den Stromkreisen beider Phasen sind zum Einkoppeln der Tragerfrequenz-Erregerströme
die Wandler 12, die primär von dem Trägerfrequenzgenerator 24 gespeist werden, in
Reihe geschaltet. Die Steuerspannungswicklung Ist und IISt ist, wie es die Fig.
2 zeigt, mit dem Eingang des Hochpasses 18, dieser mit dem Demodulator 19 und dieser
über den Differentiator 21 mit dem Zwelkanalverstärker 20 verbunden. Auf diesen
folgt der Modulator 22 zur Transformation auf f und ein Endverstärker 23. Die Klemmenbezeichnungen
am Ausgang dieses Verstärkers stimmen mit denen der Steuerwicklung überein, mit
denen sie verbunden sind. Als Träger£requenzgenerator dient der zweiphasige Frequenzvervielfacher
24, der von dem zweiphasigen Netz 11 gespeist wird (Klemmen 7; 8; 9; 10). Die erzeugte
Trägerfrequenzspannung (Klemmen 25; 26; 27 und 28) wird den Wandlern 12 in beiden
Phasen zugeführt sowie dem Demodulator 19.
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Fig. 3 zeigt Einzelheiten der beispielweisen Schaltung der Funktionelemente
nach Fig. 1. Der Demodulator 19, als Einzelzeichnung aus Fig. 2, enthält zwei Elektromagnete
E1 und E2, die mit den Phasenspannungen des Trägerfrequenzgenerators der Frequenz
t erregt werden (Anschlußklemmen 25 bis 28), und in deren Luftspalten je zwei Hallgeneratoren
untergebracht sind, die je zwei Anschlußklemmen i und zwei Anschlußklemmen h haben,
an denen die erzeugte Hallspannung entnommen wird. Jede Steuerwicklungsphase ist
über einen Hochpaß 18 (Fig. 1) und über einen Isoliertransformator 31 (Fig. 3 Ansdlußklerniren
40 bis 43) mit den Stromanschlußklemmen i von je einem Hallgenerator in den beiden
Magneten in der in Fig. 3 dargestellten Weise verbunden. Je zwei Hallspannungen
in unterschiedlichen Magneten und mit unterschiedlichen Stromphasen sind in der
dargestellten Weise in Reihe geschaltet. Die an diesen Reihenschaltungen
mit
den Ausgangsklemmen 44 bis 47 auftretenden Spannungen sind bei fester Exzentrizität
Gleichspannungen, und zwar Meßwerte für die txzentrizität in zwei senkrechten Komponentenrichtungen
bezogen auf den Ständer. Der anschließende Differentiator 21 (Fig.2') enthält Je
ein R-C-Glied in beiden Phasen, das mit einen. Potentiometer einstelibar ist, um
je nach erforderlicher Dämpfung dem Exzentrizitätsmeßwert eine Spannung hinzuzufügen,
die der zeitlichen Änderung der Exzentritt prpportional ist. Die so ergänzten Meßwertspannungen
werden. mit Verstärker 20 verstärkt und dem Modulator 22 (Fig. 1 und 4) zugeführt,
der die Transformation auf ein Drehfeldsystem der Frequenz f in entsprechender Weise
wie der beschriebene Demodulator 19 vornimmt, jedoch mit vertauschter Funktion von
Magnetstrom und Hallgeneratorstrom. DIeser Modulator enthält, wie es Fig. 4 zeigt,
zwei Magnete E3 und E4 (Fig. 4), die mit den verstärkten Ne?wertströmen (Klemmen
50 bis 53) erregt werden. In den Luftspalten sind vier Hallgeneratoren untergebracht,
deren Stromanschlußklemmen i mit Strömen gespeist werden, die über Pna-.enschseber
29 und Trenntrafos 30 vom Speisenetz der Frequenz f (Anschlußklemmen 7 bis 10) erzeugt
werden und deren in entsprechender Weise paarweise in Reihe geschaltet Halispannungen
(Anschlußklemmen 54 bis 57) über Endverstärker 23 (Fig. 2) zur Speisung der Steuerwicklung
(Anschlußklemmen 3 bis 6) mit den Stellströmen dienen, die ein Drehfeld erzeugen,
das in Verbindung mit dem Antriebsdrehfeld, das die gleiche Speisefrequenz und den
gleichen Umlaufdrehsinn aber die doppelte Umlaufgeschwindigkeit wegen halber Polpaarzahl
hat, eine radiale Stellkraft bewirkt1 die den Rotor in seinen Schwingungen dämpft
und zentriert.
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Die Wirkungsweise wird anhand von Funktionsgleichungen für die Zeitfunktion
der einzelnen Spannungen näher erläutert: Die Phasenspannungen der Antriebsspannungen
seien:
UI U sin (2 # f t) und u11 = U cos (2# f t). Die des Trägerfrequenzgenerators:
utI = Ut sin (2# ftt) und utII = Ut cos (2# ftt).
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Durch die Einkopplung der Trägerfrequenz in die Antriebswicklung ergibt
sich für die Antriebsströme: iI = -I cos (2# f t) -It cos (2 # ftt) und iII = I
sin (2# f t) + It sin (2# ftt).
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Bei einer Exzentrizität e mit den Komponenten e cos ß in Phasenrichtung
I und e sin ß in Phasenrichtung II entstehen in den Phasen der Steuerwicklung I
(Anschlußklemmen 3, 4) und II (Anschlußklemmen 5, 6) die Spannungen: u sti = k1
e sin (2 # f t +ß) + k2 e sin (2 # ftt +ß) und ustII. k1 e cos (2 n f t +ß) + k2
e cos (2 # ftt +ß).
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Die Luftspaltinduktion in den Demodulationsmagneten hat den Verlauf:
= - B0 cos (2 # ftt) und BII = + B0 sind (2# ftt).
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Die Fall spannungen ergeben sich aus dem Produkt von B und dem Strom
i im Hallgenerator. Dieser enthält wegen des Hochpasses nur die Komponenten, die
durch den zweiten Summanden der Gleichungen für Ust bewirkt werden: ibl 3 k3 e sin
(2# ftt +ß) und ihII = k3 e cos (2Tr ftt +ß).
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Die Reihenschaltungen der Hallspannungen werden so durchgeführt, daß
uhl - k4 e (cos( 2# ftt +ß) cos( 2# ftt) + sin(27r ftt +ß) sin ( 2# ftt ) ) wIrd
(Anschlußklemmen 44, 45).
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Somit wird uhI = k4 e cos ß. Ferner wird uhII : (Anschlußklemmen 46,
47) uhII = K4 e(sin(2# ftt +ß) cos (2# ftt). -cos(2# ftt + ß) sin (2# ftt))
somit
wird uhII = k4 e sin ß.
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Sei die Lagerregelung in einer festen Richtung ß die zu losende Regelungsaufgabe,
so müssen bei konstantem ß elastisch rückstellende und dämpfende Stellkräfte in
dieser Richtung ß auf den Rotor ausgebübt werden, um ihn optimal zu zentrieren.
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Wenn mit der Zustellung auf Mitte allerdings auch eine Kippung der
Rotorachse verbunden ist, so muß wegen der Kreiselkräfte des umlaufenden Rotors
die Rückstellkraft mit der Richtung ß der Exzentrizität einen Winkel ßk bilden,
um optimal zu lagern. Beides ist nach dem Erfindungsgedanken durchführbar. Als Steuermeßwert
dienen die um einen differenzierten Anteil ergäntzen Meßwerte uhl, und uhII. Diese
werden verstärkt und prägen den Modulatormagneten E3 und E4 (Fig. 2) ihnen proportionale
Erregströme auf, dadurch wird: (k5 e + k e) cos ß und BmII = (k5 e + k6 e) sin ß.
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Die Hallgeneratorströme i werden vom Speisenetz (Anschlußklemmen 7
bis 10) über Phasenschieber-Brückenschaltungen 29 Ünd Isoliertransformatoren 30
Gespeist. Sie betragen: imI = i0 cos (2# f t + ß0) und imII = i0 sin (2# f t + ß0).
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Die Reihenschaltung der Hallspannungen, die in ähnlicher Weise wie
beim Demodulator erfolgt, ergibt: (Anschlußklemmen 54, 55) Um = (k7 e + k8e) (cos
(2 t f t+ßo) cos ß -sin(2 f t+Ro) sin ß) somit wird umI = (k7 e + k8 e) cos (2#
f t + ß0 + ß) umII = (k7e + k8e)(sin(2# f t +ß0) cos ß + cos(2# f t + ß0) sinß somit
wird umII = (k7e + k8e) sin(2# f t + ß0 +ß).
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Über die Endverstärker 23 werden den Steuerwicklungen Ströme aufgeprägt,
die diesen Modulatorspannungen proportional sind.
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Durch passende Wahl von ßO am Phasenschieber 29 kann man somit je
nach Bedarf Rückstellkraftrichtung und Richtung der Exzentrizität in Übereinstimmung
bringen (wenn ßO-0 gemacht wird) oder bei vorhandenen Kreiselkräften einen entsprechenden
Winkel ßO ßk miteinander bilden lassen. Ferner kann man mit der Einstellung der
Verstärkungsfaktoren der Verstärker 2D und 23 die Regelsteilheit und damit die Lagersteifigkeit
nach Wunsch einstellen, und durch das Potentiometer der Differentiationsglieder
21 die Größen k7 und k8 so aufeinander absti...men, daß z. B.-aperiodische Rückstellung
des Rotors erreicht wrd. Ist beispielsweise die Rückstellkraft F 3 c e, worin c
die mit k7 eingestellte Steifigkeit der magnetischen Lagerung st, und hat der Rotor
die Masse m, so wird aperiodische Einstellung erreicht, wenn k8/k7
gemacht wird.
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Anstelle des als Frequenzgenerator 24 zu Fig. 1 genannten Frequenzvervielfachers
kann jeder beliebige andere Generator z. B.
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Maschinengenerator oder ein zweiphasiger Wechselrichter Verwendung
finden. Ein Frequenzvervielfacher der Speisefrequenz f hat den Vorteil, eine zweiphasige
Spannung aus der mehrphasigen Speisespannung einfacher und genauer zu erzeugen,
als ein selbstindiger Generator, auch wenn die Speisespannung dreiphasig (rch.stromnetz)
ist. Im letzteren Falle muß die ModulationsspanrunJ jedoch auch dreiphasig erzeugt
werden, und es müssen drei t;sndler 12 zum Einkoppeln in den Primärkreis vorgesehen
werden.
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Statt Hallgeneratoren für die Multiplikation zu verwenden, kann rnn
auch quadratische Kennlinien nichtlinearer Widerstände in Schaltungen ausnutzen,
die aus zwei Spannungen A und B den iVombinationswert: (A + 3)2 - (A - 3)2 = 4 A
B als reine Produktgröße herstellen. Zahlreiche andere Modulationsverfahren stehen
weiterhin zur Verfügung, bei denen jedoch neben der beabsichtigten Frequenzsubtraktion
bzw. Frequenzaddition auch die Surnmandenfrequenzen und die nichterwünschten Seitenbonder
(Frequenzaddition bzw. -subtraktion) auftreten, die nicht leicht so ausgesiebt werden
können, daß die erwünschten
Glieder in ihrer Phasenlage unbeeinflußt
bLeiben. Es ist zu bericksichtigen, daß die Exzentrizität selbst eventuell rasche
Veränderungen zeigt oder z. - B. umläuft. Dann wird auch die Steuerstromfrequenz
für die Stellkräfte um diesen Betrag der Umlauffrequenz der Exzentrizität größer
oder kleiner als die Speisefrequenz. Mit Frequenz-Bandfiltern, wie in der Fernsprechtechnik
sonst üblich, kann man in den hier erforderlichen Regelkreisen daher nicht arbeiten,
weil es auf die Phasenlagen der Spannungen auch bei den frequenzmodulierten Trägerfrequenzgrößen
ankommt.
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Weitere Multiplikationsschaltelemente stehen mit magnetfeldabhängigen
Widerständen zur Verfügung, die anstelle von Hallgeneratoren verwendet werden können.
Mit vormagnetisierten I~r,GnP,ten und in Brückenschaltung betriebenen magnetfeldabhängigen
Widerständen lassen sich damit die gleichen bipolaren nullpunktfesten Aus steuerungen
ermöglichen wie mit ral lgeneratoren.
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L e e r s e i t e