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Dokumentenidentifikation DE69515967T2 07.12.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0716241
Titel Magnetlagervorrichtung
Anmelder Seiko Seiki K.K., Narashino, Chiba, JP
Erfinder Maejima, Yasushi, Narashino-shi, Chiba, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69515967
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 04.12.1995
EP-Aktenzeichen 953087442
EP-Offenlegungsdatum 12.06.1996
EP date of grant 29.03.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.12.2000
IPC-Hauptklasse F16C 39/06

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetlagervorrichtung, und insbesondere eine in einer Turbomolekularpumpe verwendete Magentlagervorrichtung.

In jüngster Vergangenheit wurde mit großem Eifer ein Magnetlager entwickelt, welches eine Superhochgeschwindigkeitsrotation, einen wartungsfreien Typ und dgl. ermöglicht. Das Magnetlager hält einen Rotor magnetisch in der Schwebe, um ihn auf berührungslose Art und Weise zu lagern. Die Magnetlager sind gegliedert in solche mit Permanentmagneten und andere mit Elektromagneten, welche als Magnetlager des steuer/regelbaren Typs genannt werden.

Bei den Magnetlagern des steuer/regelbaren Typs wird eine Schwebeposition des Rotors durch einen Verschiebesensor erfasst, und ein Erregerstrom für die Elektromagneten wird per Rückmeldung (Feedback) auf der Basis des erfassten Wertes gesteuert/geregelt, um dadurch die Positionssteuerung/regelung des Rotors durchzuführen. Die Positionssteuerung/regelung wird beispielsweise in einer Achse (eine Richtung) in der axialen Richtung und in vier Achsen (vier Richtungen) in der radialen Richtung unabhängig voneinander durchgeführt. Verschiebesensoren sind für die jeweiligen Achsen vorgesehen.

Fig. 11 und 12 zeigen Anordnungen der Axialsensoren zum Erfassen der Verschiebung in axialer Richtung des Rotors.

In dem in Fig. 11 gezeigten Magnetlager ist ein Axialsensor 12 an einer Position angeordnet, so dass er auf eine Endfläche 10a eines Rotors 10 weist, um ein Spiel T bis zu der axialen Endfläche 10a zu erfassen. Die Positionssteuerung/regelung des Rotors 10 in der axialen Richtung wird derart ausgeführt, dass das Spiel T konstant gehalten wird.

In dem in Fig. 12 gezeigten Magnetlager ist eine als ein Sensorziel verwendete Scheibe 16 in der Nähe eines axialen Endes eines Rotors 14 vorgesehen, und ein Paar von Axialsensoren 18a und 18b ist an Positionen angeordnet, welche die Scheibe 16 umfassen. Die Positionssteuerung/regelung wird derart ausgeführt, dass ein Spiel zwischen dem Axialsensor 18a und der Scheibe 16 und ein Spiel zwischen dem Axialsensor 18b und der Scheibe 16 zueinander gleich sind.

Die Magnetlager werden beispielsweise in einem Rotor oder einer Spindel einer Turbomolekularpumpe eingesetzt, und im Allgemeinen sind die Rotoren aus Metall hergestellt. Dementsprechend ist in einigen Fällen, während des Betriebs, die Temperatur des Rotors aufgrund der Wärme der Elektromagneten erhöht, und die Position eines jeden Teils des Rotors ist aufgrund von thermischer Ausdehnung verändert.

Fig. 13 zeigt die Positionsveränderung in jedem Teil, wenn der Rotor 10 im Magnetlager in Fig. 11 thermisch ausgedehnt ist.

Wie in Fig. 13 gezeigt ist, ist ein Teil, welches von dem Axialsensor entfernter ist, einer größeren Abweichung vom Sollwert der Steuerung/Regelung unterworfen, wenn der Rotor 10 thermisch ausgedehnt ist. Das heißt üblicherweise, der Axialsensor 12 ist an dem axialen Endabschnitt des Rotors 10 vorgesehen, und die Positionssteuerung/regelung des Rotors 10 wird auf der Basis des axialen Endabschnitts durchgeführt, so dass sich der Rotor 10 nominell ausdehnt, wobei der linke Endabschnitt, wie durch die gepunkteten Linien in Fig. 13 dargestellt, festgelegt ist, und beispielsweise ein in Fig. 11 dargestellter Zwischenpunkt O zu dem Punkt O' durch einen Abstand R abgewichen ist.

Übrigens ist der Zwischenabschnitt des Rotors im Allgemeinen ein Rotor (für einen Motor) im Fall eines Motors oder trägt Rotorblätter im Falle einer Turbomolekularpumpe oder eines Kompressors. Dementsprechend würde die Positionsverschiebung in diesem Abschnitt den Antrieb eines Rotationssystems ungünstig beeinflussen.

Fig. 14 zeigt eine Turbomolekularpumpe vom Magnetlagertyp.

In der in Fig. 14 gezeigten Turbomolekularpumpe 20 ist eine Mehrzahl von Rotorblättern 24 am Zwischenabschnitt des Rotors 22 derart angebracht, dass die Rotorblätter 24 in eine Mehrzahl von an einem Gehäuse 26 festgelegten Statorblättern 28 eingefügt sind. Dann werden die Rotorblätter 24 zusammen mit dem Rotor 22 durch die Antriebskraft des Motors 30 derart gedreht, dass Luftansaugen oder -einlass ausgeführt wird, wie in Fig. 14 durch einen Pfeil angezeigt ist.

In der in Fig. 14 gezeigten Turbomolekularpumpe 20 werden Permanentmagnete 32 als Axialmagnetlager verwendet. In dem Fall jedoch, wo stattdessen das Magnetlager vom steuer/regelbaren Typ verwendet wird, in welchem der Axialsensor am axialen Ende, wie in Fig. 11 dargestellt ist, angeordnet ist, wird aufgrund der thermischen Ausdehnung im Zwischenabschnitt des Rotors 22 eine große Positionsverlagerung erzeugt. Wenn eine derartige Positionsverlagerung des Rotors 22 erzeugt wird, würden in einigen Fällen die Rotorblätter 24, welche rotieren, in Kontakt mit den Statorblättern 28 gebracht werden. Aus diesem Grunde ist es üblicherweise notwendig, in Anbetracht der Verlagerung ein großes Spiel zu wahren.

Die EP 0 315 469 A offenbart eine Zerspanvorrichtung umfassend eine durch Elektromagnete gelagerte, rotierende Spindel sowie einen Axialsensor an einem Ende der Spindel.

Somit ist zu befürchten, dass die Positionsverlagerung aufgrund der thermischen Ausdehnung in dem Teil, welches die wichtige Funktion für das Antriebssystem ausübt, wie beispielsweise der Zwischenabschnitt des Rotors, den Antrieb des Rotationssystems ungünstig beeinflussen würde. Dementsprechend weist das Magnetlager den Nachteil einer ernst zu nehmenden Aufgabe auf, welche zu lösen ist, nämlich dass die Positionsverlagerung aufgrund der thermischen Ausdehnung in einem derartigen Abschnitt unterdrückt werden sollte.

Im Gegensatz zu dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, den Axialsensor direkt an der zu steuernden/regelnden Position anzuordnen (beispielsweise Punkt 0). Da jedoch, wie oben erwähnt, im Falle der Turbomolekularpumpe, die Rotorblätter oder dgl. am Zwischenabschnitt des Rotors angebracht sind, ist es sehr schwierig, den Sensor an einer derartigen Position anzuordnen. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetlagervorrichtung bereitzustellen, um eine vorbestimmte Position eines Rotors zu steuern/regeln, welche als ein selbst bei einer thermischen Ausdehnung zu steuernder/regelnder Punkt auf willkürliche Art und Weise ausgewählt ist.

Um diese und andere Aufgaben zu erfüllen, ist erfindungsgemäß vorgesehen: eine Magnetlagervorrichtung zum Steuern/Regeln eines Rotors zu einer Sollposition auf der Basis erfasster Werte von Positionssensoren zum Erfassen einer Schwebeposition des Rotors, umfassend:

Axialelektromagnete, um den Rotor in einer axialen Richtung davon magnetisch in der Schwebe zu halten, sowie weiterhin umfassend

zwei Axialsensoren zum jeweiligen Erfassen axialer Verlagerungen an zwei um einen Punkt symmetrischen Positionen, relativ zu einem als einem zu steuernden/regelnden Zielpunkt ausgewählten, vorbestimmten Punkt des Rotors, wobei die beiden Axialsensoren in einer Richtung einer Drehachse des Rotors mit Abstand voneinander angeordnet sind; sowie

ein Rotorpositionssteuer/regelmittel zum Halten der Schwebeposition des Rotors derart, dass jeweilige Ausgabewerte der beiden Axialsensoren eine vorbestimmte Beziehung zueinander aufweisen.

Vorzugsweise ist die vorbestimmte Beziehung derart, dass die jeweiligen Ausgabewerte der beiden Axialsensoren einander gleich sind.

Darüber hinaus verwenden die Axialsensoren, um diese und andere Aufgaben zu erfüllen, erfindungsgemäß als Ziele zwei Scheiben, welche jeweils in der axialen Richtung an zu den beiden Punkten äquidistanten Positionen vorgesehen sind, welche beiden Punkte symmetrisch um den vorbestimmten Punkt liegen.

Weiterhin ist, um diese und andere Aufgaben zu erfüllen, der vorbestimmte Punkt erfindungsgemäß ein Zentrum in der axialen Richtung des Rotors, und die Axialsensoren verwenden als Ziele beide Seitenendflächen des Rotors.

Um diese und andere Aufgaben zu erfüllen, ist erfindungsgemäß vorgesehen: eine Magnetlagervorrichtung zum Steuern/Regeln eines Rotors zu einer Sollposition auf der Basis erfasster Werte von Positionssensoren zum Erfassen einer Schwebeposition des Rotors, umfassend:

Axialelektromangete, um den Rotor in einer axialen Richtung davon magnetisch in der Schwebe zu halten, sowie weiterhin umfassend:

zwei Axialsensoren zum jeweiligen Erfassen axialer Verlagerungen an einer ersten und einer zweiten Position am Rotor, wobei die beiden Axialsensoren in einer Richtung einer Drehachse des Rotors mit einem Abstand voneinander angeordnet sind;

Kompensationsmittel zum Kompensieren von Erfassungswerten der Axialsensoren in Antwort auf axiale Abstände von einem vorbestimmten, als ein Steuer/Regelziel ausgewählten Punkt des Rotors zur Erfassungsposition der Axialsensoren;

sowie ein Rotorpositionssteuer/regelmittel zum Halten der Schwebeposition des Rotors an einer Position, an welcher die kompensierten Erfassungswerte eine vorbestimmte Beziehung zueinander aufweisen.

Vorzugsweise umfassen die Kompensationsmittel zwei Kompensationsschaltkreise zum Kompensieren von Erfassungswerten von jeweiligen Axialsensoren.

In der erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung wird der Rotor in der axialen Richtung durch die Axialelektromagnete magnetisch in der Schwebe gehalten. Die zwei Axialsensoren erfassen jeweils die axialen Verschiebungen an den zwei Punkten, welche vorzugsweise symmetrisch bezüglich des vorbestimmten Punktes des Rotors sind, welcher als das Steuer/Regelziel ausgewählt ist. Das Rotorpositionssteuer/regelmittel hält die Schwebeposition des Rotors derart an der Position, dass die jeweiligen Werte in den zwei Axialsensoren eine vorbestimmte Beziehung aufweisen. Vorzugsweise sind die beiden Werte einander gleich, wo die beiden Punkte symmetrisch sind.

Weiterhin werden die jeweiligen Verschiebungen der Scheiben durch die Axialsensoren derart erfasst, dass die Rotorpositionssteuerung/regelung durch die Erfassungswerte durchgeführt wird.

Darüber hinaus wird die Rotorpositionssteuerung/regelung auf der Basis der Erfassungswerte durch Erfassen der Verschiebungen an beiden Seiten endflächen des Rotors mit den Axialsensoren ausgeführt.

Im Übrigen wird der Rotor in der axialen Richtung durch die Axialsensoren magnetisch in der Schwebe gehalten. Die beiden Axialsensoren erfassen die axiale Verschiebung an einem und den anderen Enden des Rotors. Die Erfassungswerte der jeweiligen Sensoren werden entsprechend dem Abstand von der vorbestimmten Position des Rotors in der axialen Richtung, welche Position als der Zielpunkt ausgewählt ist, zu den Erfassungspositionen der jeweiligen Sensoren durch die jeweiligen Kompensationsschaltkreise kompensiert. Das Rotorpositionssteuer/- regelmittel hält die Schwebeposition des Rotors an der Position, an welcher die Ausgabewerte des Kompensationsschaltkreises eine vorbestimmte Beziehung aufweisen. Vorzugsweise sind die Ausgabewerte einander gleich.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich als Beispiel mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden, in welchen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, die einen Teil einer Struktur einer Magnetlagervorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Darstellung einer Schaltkreisstruktur von Axialsensoren entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, welches einen Teil eines Steuer/Regelsystems der Magnetlagervorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Darstellung einer Positionsveränderung eines jeden Teils in der Magnetlagervorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung ist, wenn der Rotor thermisch ausgedehnt ist;

Fig. 5 eine schematische Ansicht ist, die einen Teil einer Struktur einer Magnetlagervorrichtung entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 6 eine schematische Ansicht ist, die einen Teil einer Struktur eines modifizierten Beispiels der Magnetlagervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 7 eine schematische Ansicht ist, welche einen Teil einer Struktur eines weiteren modifizierten Beispiels der Magnetlagervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 8 eine Darstellung eines weiteren Beispiels eines Sensorziels ist;

Fig. 9 eine Darstellung einer Positionsbeziehung von Axialsensoren ist, welche an unterschiedlichen Abständen von einem Punkt O angeordnet sind;

Fig. 10 ein Blockdiagramm ist, welches ein weiteres Beispiel von Sensorschaltkreisen der Axialsensoren zeigt;

Fig. 11 eine schematische Ansicht ist, welche einen Teil einer Struktur einer herkömmlichen Magnetlagervorrichtung zeigt;

Fig. 12 eine schematische Ansicht ist, die einen Teil einer weiteren Struktur einer herkömmlichen Magnetlagervorrichtung zeigt;

Fig. 13 eine Darstellung ist, die eine Veränderung in der herkömmlichen Magnetlagervorrichtung aufgrund der thermischen Ausdehnung des Rotors zeigt; sowie

Fig. 14 eine bruchstückhafte Teilschnittansicht ist, welche eine innere Struktur einer Turbomolekularpumpe zeigt.

Die vorliegende Erfindung wird nun als Beispiel im Detail auf Grundlage der Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 10 erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Magnetlagervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.

Die Magnetlagervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird verwendet, um einen Rotor 50 einer Turbomolekularpumpe drehbar zu lagern. Wie in Fig. 1 im Umriss durch die gepunkteten Linien gezeigt ist, ist eine Mehrzahl von Rotorblättern 54 (s. Fig. 14) auf einem Pumpabschnitt 52 des Rotors 50 angebracht.

Aus magnetischem Werkstoff hergestellte Sensorscheiben 56a und 56b, welche Ziele für Sensoren 66a und 66b sind, sind an beiden Seiten des Pumpabschnitts 52 angebracht. Die Positionen, an welchen diese Sensorscheiben 56a und 56b angebracht sind, sind von einem Zentrumspunkt 0 des Pumpabschnitts 52 äquidistant angebracht. Ein Axialabstand U1 vom Punkt O zur Sensorscheibe 56a ist gleich einem Axialabstand U2 vom Punkt O zur Sensorscheibe 56b (U1 = U2).

Eine Axiallagerscheibe 58 aus Metall ist in der Nähe eines linken Axialendes des Rotors 50 angebracht. Axialelektromagnete 60a und 60b sind derart angeordnet, dass sie aufeinander zu weisen, so dass sie die Axiallagerscheibe 58 in der axialen Richtung umfassen.

In dieser Ausführungsform wird auf die Axiallagerscheibe 58 eine magnetische Kraft (Anziehungskraft) der Axialelektromagnete 60a und 60b derart ausgeübt, dass der Rotor 50 in der axialen Richtung in einem magnetischen Schwebezustand gehalten wird.

Ein Motorabschnitt 62 ist zwischen der Axiallagerscheibe 58 und der Sensorscheibe 56a vorgesehen. Der Motorabschnitt 62 wirkt als ein Rotor des Motors. Ein Rotationsdrehmoment wird durch Motorspulen (nicht dargestellt) erzeugt, welche um den Motorabschnitt 62 herum angeordnet sind.

Radiallagerabschnitte 64a und 64b sind zwischen dem Motorabschnitt 62 und der Axiallagerscheibe 58 vorgesehen, sowie an einer rechten Endseite (in Fig. 1) der Sensorscheibe 56b. Die Radiallagerabschnitte 64a und 64b sind durch Aufschrumpfen mit ferromagnetischem Werkstoff bereitgestellt. Radialelektromagnete (nicht dargestellt) sind um die Radiallagerabschnitte 64a bzw. 64b herum angeordnet, um den Rotor 50 in einer radialen Richtung magnetisch in der Schwebe zu halten. Der Rotor 50 ist in der radialen Richtung durch die Radiallagerabschnitte 64a und 64b drehbar gelagert.

Weiterhin sind, obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt, Radialsensoren zum Erfassen von radialen Verschiebungen des Rotors 50 um den Rotor 50 herum angeordnet, so dass eine Rückmeldungssteuerung/regelung des magnetischen Stroms in den Radialelektromagneten (nicht dargestellt) in Antwort auf Ausgaben der Radialsensoren durchgeführt werden kann.

Übrigens ist in dieser Ausführungsform das Vier-Achsen-Radialmagnetlager durch die Radialsensoren (nicht dargestellt), die Radialelektromagnete (nicht dargestellt) und dergleichen, gebildet.

Andererseits sind Axialsensoren 66a und 66b zum Erfassen der axialen Verschiebung des Rotors 50 um die Sensorscheiben 56a bzw. 56b herum angeordnet. Die Axialsensoren 66a und 66b sind in der axialen Richtung äquidistant vom Punkt O angebracht. Die Positionen der Axialensoren 66a und 66b sind ein wenig von den Sensorscheiben 56a und 56b verlagert. Basierend auf dieser Verlagerung können die Axialsensoren 66a und 66b Verschiebungen in Bezug auf äußere Endflächen der Sensorscheiben 56a und 56b erfassen.

Weiterhin werden in dieser Ausführungsform Verschiebungssensoren vom Induktionsumwandlungstyp als Axialsensoren 66a und 66b verwendet. Die Verschiebungssensoren vom Induktionsumwandlungstyp werden eingesetzt, um eine Induktionsveränderung in ein Verschiebesignal umzuwandeln, wenn die aus magnetischem Werkstoff hergestellten Sensorscheiben 56a und 56b verschoben werden.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Schaltkreisstruktur für die Axialsensoren 66a und 66b.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind der Axialsensor 66a und der Axialsensor 66b miteinander in Reihe geschaltet und sind dem Anlegen einer Hochfrequenzspannung unterzogen. Die den Verschiebungen der Sensorscheiben 56a und 56b entsprechenden Sensorausgaben können von dem Mittelpunkt P zwischen dem Axialsensor 66a und dem Axialsensor 66b abgegriffen werden.

In dieser Ausführungsform messen die Axialsensoren 66a und 66b keine absoluten Positionen der Sensorscheiben 56a und 56b, sondern Ausgabesignale, die einem Unterschied zwischen dem Abstand vom Axialsensor 66a zur Sensorscheibe 56a und dem Abstand vom Axialsensor 66b zur Sensorscheibe 56b entsprechen. Wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist, sind die Induktionen der Axialsensoren 66a und 66b die gleichen, wenn der Zwischenraum zwischen den Axialsensoren 66a und 66b und den jeweiligen Sensorscheiben 56a und 56b die gleichen sind (d. h. U1 = U2). Dementsprechend wird die Spannung am Mittelpunkt P null Volt. Wenn die Positionen der Sensorscheiben 56a und 56b verlagert sind, kann eine Sensorausgabe S, welche dem Unterschied der Richtung und der Größenordnung der Verlagerung entspricht, vom Mittelpunkt P erhalten werden.

In dieser Ausführungsform wird die Rückmeldungssteuerung/regelung der Erregerströme der Axialelektromagnete 60a und 60b entsprechend den Ausgaben der Axialsensoren 66a und 66b durchgeführt, um dadurch die Axialpositionssteuerung/regelung des Rotors 50 zu erreichen.

Fig. 3 zeigt einen in der Magnetlagervorrichtung vorgesehenen Steuer/Regelschaltkreis C zum Ausführen der Positionssteuerung/regelung des Rotors 50 in der axialen Richtung.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfasst der Steuer/Regelschaltkreis C einen Addierer 70 zum Subtrahieren der Sensorausgänge S der Axialsensoren 66a und 66b von einem Referenzsignal K zum Beherrschen einer Schwebeposition des Rotors 50 in der axialen Richtung, einen PID- Kompensator 72 zum Verarbeiten von Signalen einer proportionalen Operation, Integrationsoperation, Differenzierungsoperation und dgl. von Signalen, die im Addierer 70 verarbeitet wurden, einen Phaseninvertierer 74 zum Invertieren einer Phase des Signals vom PID-Kompensator 72, sowie Leistungsverstärker 76a und 76b zum jeweiligen Verstärken von Erregerströmen der Axialelektromagneten 60a bzw. 60b in Antwort auf das Ausgabesignal des Phaseninvertierers 74.

In dieser Ausführungsform wird die Rückmeldungssteuerung/regelung relativ zu den Erregerströmen der Axialelektromagnete 60a und 60b als Antwort auf die Sensorausgaben S von den Axialensoren 66a und 66b durch den so aufgebauten Steuer/Regelschaltkreis C durchgeführt.

Ein Steuer/Regelschaltkreis ist für Radialmagnete (nicht dargestellt) für jede Achse vorgesehen.

Der Betrieb der Ausführungsform mit einer derartigen Anordnung wird nun beschrieben werden.

Zunächst wird der Rotor 50 in der radialen Richtung durch die nicht dargestellten Radialelektromagnete magnetisch in der Schwebe gehalten und gleichzeitig durch die Axialelektromagnete 60a und 60b in der axialen Richtung magnetisch in der Schwebe gehalten. In diesem Fall wird der Erregerstrom für jeden Elektromagneten durch den Steuer/Regelschaltkreis (s. Fig. 3) gesteuert/geregelt. Der Rotor 50 wird in der Schwebe gehalten und an einer vorbestimmten Position gehalten. Der Rotor 50 wird in der Schwebe gehalten und an einer in Fig. 1 gezeigten Position relativ zu den Axialsensoren 66a und 66b gehalten.

Unter dieser Bedingung, wenn die Temperatur des Rotors 50 durch die Wärmeerzeugung des Motors, der Elektromagnete oder dgl. erhöht ist, sind die Positionen der Sensorscheiben 56a und 56b von den in Fig. 1 gezeigten Positionen aufgrund der thermischen Ausdehnung verändert.

Die jeweiligen Verschiebungen der Sensorscheiben 56a und 56b zu dieser Zeit werden dem Steuer/Regelschaltkreis C (s. Fig. 3) als Sensorausgaben S zugeführt, was den Unterschied zwischen ihnen repräsentiert.

Der Steuer/Regelschaltkreis C steuert/regelt die magnetischen Kräfte der Axialelektromagnete 60a und 60b derart, dass die Sensorausgaben S null werden, d. h. die jeweiligen Verschiebungen der Sensorscheiben 56a und 56b relativ zu den Axialsensoren 66a und 66b sind einander gleich.

Fig. 4 zeigt eine Position, welche durch die Sensorscheiben 56a und 56b (d. h. Rotor 50) relativ zu den Axialsensoren 66a und 66b entsprechend dieser Positionssteuerung/regelung eingenommen ist.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird der Rotor 50 entsprechend der Positionssteuerung/regelung des Steuer/Regelschaltkreises C in der Schwebe gehalten und an einer Position gehalten, so dass der Zwischenraum zwischen der Sensorscheibe 56a und dem Axialsensor 66a und der Zwischenraum zwischen der Sensorscheibe 56b und dem Axialsensor 66b die gleichen sind.

Dementsprechend ist jeder Teil des Rotors 50 an beiden Seiten von einem Zentrum des Punktes O durch die thermische Ausdehnung nominell ausgedehnt. Unter der Annahme, der Punkt O sei ein festgelegter Punkt, nehmen die Sensorscheiben 56a und 56b an beiden Seiten die um einen Abstand V in entgegengesetzten Richtungen von den durch die strichpunktierten Linien in Fig. 4 angezeigten Positionen verschobenen Positionen ein, und die Abstände U1 und U2 vom Punkt O werden zu U1' bzw. U2'. In diesem Fall wird jedoch die Beziehung von U1' = U2' erreicht.

Wie oben beschrieben wurde, ist es in der Ausführungsform möglich, da die als Sensorziele verwendeten Sensorscheiben 56a und 56b in gleichem Abstand (U1 = U2) vom Sensorreferenzpunkt O angebracht sind, die Positionssteuerung/regelung auf Basis des Punktes O durchzuführen, welcher durch die Sensoren nicht direkt gemessen werden konnte. Es ist möglich, die Positionssteuerung/regelung derart durchzuführen, dass der Punkt O an einer konstanten Position gehalten wird, selbst wenn eine thermische Ausdehnung auftritt.

Weiterhin ist es möglich, da die jeweiligen Teile des Rotors 50 von dem Zentrum des Punktes O auf die thermische Ausdehnung hin verschoben sind, selbst am Endabschnitt, welcher vom Punkt O im Pumpabschnitt 52 am entferntesten ist, die Positionsverlagerung derart zu unterdrücken, dass sie nicht mehr als die Hälfte jener der herkömmlichen Magnetlager vorrichtung beträgt, wo die Positionssteuerung/regelung auf der Basis des Endes der Welle durchgeführt wird. Dementsprechend ist es möglich, da die Positionsverlagerung der Rotorblätter 54 ebenfalls unterdrückt ist, einen Zwischenraum relativ zu den Statorblättern (nicht dargestellt) auf einen kürzeren Abstand als jenen in der herkömmlichen Vorrichtung einzustellen.

Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform erklärt werden. Es werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Bauteile der zwei Ausführungsformen zu bezeichnen. Die Wiederholung der Erklärung dafür wird weggelassen werden.

Fig. 5 zeigt die Sensorposition der Magnetlagervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform. Die Magnetlagervorrichtung wird zum Lagern eines Rotors 80 in der Spindel verwendet. Ein Motorabschnitt 82 ist als ein Rotor des Motors am Zwischenabschnitt des Rotors 80 vorgesehen. Ein Rotationsdrehmoment wird durch ein magnetisches Drehfeld erzeugt, welches durch eine um den Motorabschnitt 82 herum angeordnete Motorwicklung (nicht dargestellt) hervorgerufen wird. Radiallagerabschnitte 84a und 84b, welche in der Radialrichtung durch Radialelektromagnete (nicht dargestellt) gelagert sind, sind an beiden Seiten des Motorabschnitts 82 vorgesehen.

In dieser Ausführungsform soll das Zentrum O des Motorabschnitts 82 durch die Positionssteuerung/regelung gesteuert/geregelt werden. Sensorscheiben 86a und 86b, welche als Sensorziele verwendet werden, sind an den Positionen äquidistant von dem Punkt O angebracht. Axialsensoren 66a und 66b sind um die Sensorscheiben 86a und 86b herum angeordnet, um die Verlagerungen des Rotors 80 in der axialen Richtung zu erfassen.

Die Axialsensoren 66a und 66b sind ein wenig von den jeweiligen Sensorscheiben 86a und 86b in derselben Art und Weise wie in der ersten Ausführungsform verlagert. Die äußeren oder inneren Endflächen der Sensorscheiben 86a und 86b können als die Referenzen der Verlagerungsmessung verwendet werden.

Im Übrigen, obwohl nicht in Fig. 5 dargestellt, sind in der Anordnung ebenso Bauteile entsprechend den Axialelektromagneten 60a und 60b und den Axiallagerscheiben 58 der ersten Ausführungsform vorgesehen. In derselben Art und Weise wird die Positionssteuerung/regelung in der axialen Richtung des Rotors 80 in Antwort auf die Sensorausgaben S der Axialsensoren 66a und 66b durch den dem in Fig. 3 gezeigten Steuer/Regelschaltkreis C entsprechenden Schaltkreis durchgeführt.

In dieser Ausführungsform kann die Positionssteuerung/regelung des Rotors 80, da die Sensorscheiben 86a und 86b vom Punkt 0 des Motorabschnitts 82 äquidistant angebracht sind, selbst wenn thermische Ausdehnung auftritt, derart ausgeführt werden, dass der Punkt O immer konstant gehalten wird. Dementsprechend, da die Verlagerung des Motorabschnitts 82 relativ zur Motorwicklung (nicht dargestellt) reduziert ist, ist es möglich, den Verlust aufgrund der Positionsverlagerung zu reduzieren.

Im Übrigen können die Axialsensoren 66a und 66b an jeder anderen geeigneten Position vorgesehen sein.

Fig. 6 und 7 zeigen Beispiele der anderen Positionen der Axialsensoren 66a und 66b.

In dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel sind die Axialsensoren 66a und 66b an den Positionen derart vorgesehen, dass sie auf die äußeren Endflächen der Sensorscheiben 86a bzw. 86b weisen, um die Verschiebungen der Endflächen zu erfassen.

Weiterhin sind die Axialsensoren 66a und 66b in dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel an den Positionen derart vorgesehen, dass sie auf axiale Endflächen 80a und 80b des Rotors 80 weisen, so dass die Positionssteuerung/regelung des Rotors 80 basierend auf den Verschiebungen der axialen Endflächen 80a und 80b durchgeführt werden kann.

In diesem Beispiel sind weiterhin die als Sensorziele zu verwendenden jeweiligen axialen Endflächen 80a und 80b äquidistant vom Punkt O angeordnet. Dementsprechend kann die Positionssteuerung/regelung des Rotors 80, selbst wenn thermische Ausdehnung auftritt, derart ausgeführt werden, dass der Punkt O immer konstant gehalten wird.

Im Übrigen ist es in den vorangehenden Ausführungsformen möglich, obwohl die magnetischen Radiallager vom Steuerungs/Regelungstyp unter Verwendung der Elektromagnete sind, magnetische Radiallager unter Verwendung von Permanentmagneten einzusetzen.

Weiterhin können zusätzlich zu den Verschiebungssensoren des Induktionsumwandlungstyps Verschiebungssensoren des elektrostatischen Kapazitätstyps oder Sensoren des optischen Typs als Axialsensoren 66a und 66b verwendet werden. Es ist weiterhin möglich, diese Sensoren unterschiedlicher Typen in Kombination einzusetzen.

Darüber hinaus können die Axialsensoren 66a und 66b derart angeordnet sein, dass einer von ihnen die axiale Endfläche des Rotors als Sensorziel benutzt, wie in Fig. 7 dargestellt, und der andere die auf dem Rotor angebrachte Sensorscheibe als Sensorziel nutzt, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt ist. In diesem Fall, wenn die Anbringungspositionen des anderen Axialsensors und der Sensorscheibe nahe der Seite eines der Axialsensoren sind und die Zwischenposition der Sensoren sich nahe am axialen Ende des Rotors befindet, ist es möglich, den Punkt O sich dem axialen Ende des Rotors annähern zu lassen, um ihn an einem stationären Punkt zu halten.

Es können weiterhin, ohne die Sensorscheiben 56a und 56b oder dgl. vorzusehen, ein Teil, welches aus magnetischem Material hergestellt ist, sowie ein Teil, welches aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist, an der Oberfläche des Rotors derart vorgesehen sein, dass die Verschiebung des Rotors in der axialen Richtung erfasst werden kann. Wie in Fig. 8 dargestellt ist, sind ein aus magnetischem Werkstoff hergestelltes Sensorziel J und Teile K, welche aus nichtmagnetischem Werkstoff hergestellt sind, an der Oberfläche des Rotors derart vorgesehen, dass der Axialsensor 66b (gleichermaßen 66a) die Verschiebung des Rotors auf der Basis der Grenze zwischen dem magnetischen Sensorziel J und dem nichtmagnetischen Teil K erfassen kann.

Weiterhin sind in den vorangehenden Ausführungsformen, obwohl die Axialsensoren 66a und 66b von dem zu steuernden/regelnden Punkt O äquidistant angeordnet sind, in dem Fall, wo es unmöglich ist, die Axialsensoren in der äquidistanten Beziehung vom Punkt O anzuordnen, die Axialsensoren an unterschiedlichen Abständen vom Punkt O angeordnet, und die Ausgabewerte der jeweiligen Sensoren werden entsprechend den Abständen vom Punkt 0 kompensiert, wodurch es möglich ist, die Positionssteuerung/regelung auszuführen, um die Position des Punktes O konstant zu halten.

Fig. 9 zeigt eine Positionsbeziehung zwischen den Axialsensoren 66a und 66b und dem Punkt 0 in dem Fall, wo die Axialsensoren 66a und 66b an unterschiedlichen Abständen vom Punkt 0 angeordnet sind. Fig. 10 zeigt dafür einen Sensorschaltkreis zur Positionssteuerung/regelung, während der Punkt O als der stationäre Punkt beibehalten wird.

In dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel ist der Abstand W1 in der axialen Richtung zwischen dem Punkt O und dem Axialsensor 66a kürzer als die Distanz W2 in der axialen Richtung zwischen dem Punkt O und dem Axialsensor 66b. Beispielsweise werden der Abstand W1 und der Abstand W2 in der Beziehung von 1 zu 2 gehalten.

In diesem Fall, wenn die Positionssteuerung/regelung des Rotors 95 auf dieselbe Art und Weise wie in der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform bewirkt wird, wird der Punkt 0, welcher nicht der Mittelpunkt ist, von einer Sollposition bei thermischer Ausdehnung verlagert. Aus diesem Grunde sind in dem in Fig. 10 gezeigten Sensorschaltkreis proportionale Kompensatoren (proportionale Kompensationsschaltkreise) 100a und 100b zum Bewirken des Kompensationsprozesses in Antwort auf die Abstände W1 und W2 vom Punkt 0 mit den Ausgabeseiten der Axialsensoren 66a und 66b verbunden.

In diesem Schaftkreis, wenn die Beziehung W1 : W 2 = 1 : 2 wie oben erwähnt hergestellt ist, bewirkt der proportionale Kompensator 100b einen derartigen Prozess, dass der Ausgabewert des Axialsensors 66b halbiert wird. Das kompensierte Signal wird als die Sensorausgabe S dem in Fig. 3 gezeigten Steuer/Regelschaltkreis C zugeführt, wodurch die Positionssteuerung/regelung des Rotors 95 erhalten wird, während der Punkt O als der stationäre Punkt selbst bei thermischer Ausdehnung gehalten wird.

Obwohl in dieser Ausführungsform der proportionale Kompensator 100a den Ausgabewert des Axialsensors 66a nicht verändert, ist das Vorsehen von zwei Axialsensoren bevorzugt, um die Flexibilität des Systems zu erhöhen.

Mit der erfindungsgemäßen Magnetlagervorrichtung ist es möglich, die Positionssteuerung/regelung derart zu erreichen, dass der zu steuernde/regelnde vorbestimmte Punkt selbst bei thermischer Ausdehnung des Rotors konstant gehalten wird.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Position eines Punktes gesteuert/geregelt durch Einstellen der Position derart, dass die Ausgabe (bzw. kompensierte Ausgabe) der Positionssensoren gleich oder nach Addition einer Positionssteuer/regelkonstante gleich ist. Anstelle des Kompensierens der Ausgaben der Positionssensoren, wenn die Sensoren asymmetrisch angeordnet sind, könnte stattdessen eine vorbestimmte Beziehung zwischen den Ausgaben der Sensoren, wie z. B. das Ausgabesignal des Sensors 66b, welches das Doppelte des Sensors 66a in dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel ist, verwendet werden.

Zahlreiche Einzelheiten der Erfindung können verändert werden, ohne von ihrer Grundidee oder ihrem Umfang abzuweichen. Darüber hinaus ist die vorangehende Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen lediglich zum Zwecke der Erklärung vorgesehen und nicht zum Zwecke des Beschränkens der Erfindung, wie sie durch die angehängten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.

Die vorstehende Beschreibung wurde lediglich als Beispiel gegeben und es wird durch einen Fachmann anerkannt werden, dass Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.


Anspruch[de]

1. Magnetlagervorrichtung zum Steuern/Regeln eines Rotors (50) zu einer Sollposition auf der Basis erfasster Werte von Positionssensoren zum Erfassen einer Schwebeposition des Rotors, umfassend:

Axialelektromagnete (60a, 60b), um den Rotor in einer axialen Richtung davon magnetisch in der Schwebe zu halten,

zwei Axialsensoren (66a, 66b) zum jeweiligen Erfassen axialer Verlagerungen an zwei um einen Punkt symmetrischen Positionen, relativ zu einem als einem zu steuernden/regelnden Zielpunkt ausgewählten, vorbestimmten Punkt (O) des Rotors,

ein Rotorpositionssteuer/regelmittel zum Halten der Schwebeposition des Rotors derart, dass jeweilige Ausgabewerte der beiden Axialsensoren eine vorbestimmte Beziehung zueinander aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Axialsensoren in einer Richtung einer Drehachse des Rotors mit Abstand voneinander angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Beziehung derart ist, dass die jeweiligen Ausgabewerte der beiden Axialsensoren einander gleich sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Axialsensoren als Ziele zwei Scheiben (56a, 56b) verwenden, welche jeweils in der axialen Richtung an zu den beiden Punkten äquidistanten Positionen vorgesehen sind, welche beiden Punkte symmetrisch um den vorbestimmten Punkt liegen.

4. Magnetlagervorrichtung zum Steuern/Regeln eines Rotors (50) zu einer Sollposition auf der Basis erfasster Werte von Positionssensoren zum Erfassen einer Schwebeposition des Rotors, umfassend:

Axialelektromangete (60a, 60b), um den Rotor in einer axialen Richtung davon magnetisch in der Schwebe zu halten, zwei Axialsensoren (66a, 66b) zum jeweiligen Erfassen axialer Verlagerungen an einer ersten und einer zweiten Position am Rotor, ein Rotorpositionssteuer/regelmittel zum Halten der Schwebeposition des Rotors an einer Position, an welcher die kompensierten Erfassungswerte eine vorbestimmte Beziehung zueinander aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Axialsensoren in einer Richtung einer Drehachse des Rotors mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und dass die Magnetlagervorrichtung Kompensationsmittel zum Kompensieren von Erfassungswerten der Axialsensoren in Antwort auf axiale Abstände von einem vorbestimmten, als ein Steuer/Regelziel ausgewählten Punkt (O) des Rotors zur Erfassungsposition der Axialsensoren umfasst.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Kompensationsmittel zwei Kompensationsschaltkreise (100a, 100b) zum Kompensieren von Erfassungswerten von jeweiligen Axialsensoren umfassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Ausgabewerte der beiden Kompensationsschaltkreise eine vorbestimmte Beziehung zueinander aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die vorbestimmte Beziehung derart ist, dass die Werte gleich sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Axialsensoren als Ziele zwei Scheiben (56a, 56b) verwenden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 7, wobei der vorbestimmte Punkt ein Zentrum in der axialen Richtung des Rotors ist und die Axialsensoren als Ziele beide Seitenendflächen des Rotors verwenden.







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