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Dokumentenidentifikation DE69908100T2 15.01.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001062435
Titel STEUERUNGSVORRICHTUNG EINES MAGNETLAGERS
Anmelder Ebara Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder SHINOZAKI, Hiroyuki, Ohta-ku, JP
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69908100
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 12.02.1999
EP-Aktenzeichen 999325186
WO-Anmeldetag 12.02.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/JP99/00600
WO-Veröffentlichungsnummer 0099041510
WO-Veröffentlichungsdatum 19.08.1999
EP-Offenlegungsdatum 27.12.2000
EP date of grant 21.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.01.2004
IPC-Hauptklasse F16C 39/06

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetlagersteuervorrichtung und insbesondere auf eine Magnetlagersteuervorrichtung, die einen schwebenden, sich drehenden Körper aktiv durch Steuerung einer Magnetkraft steuert, die durch Elektromagneten erzeugt wird, und zwar durch Liefern von gesteuertem Strom dort hin, wodurch der Strom durch eine Pulsbreitenmodulation gesteuert wird, und der sich drehende Körper gemäß der Zustandssignale gesteuert wird, wie beispielsweise der Sensorsignale für die detektierte Verschiebung.

Technischer Hintergrund

In letzter Zeit werden Magnetlagervorrichtungen weithin bei sich drehenden Maschinen auf verschiedenen Gebieten verwendet. Die Magnetlagervorrichtung hebt und trägt einen sich drehenden Körper ohne Kontakt durch eine Magnetkraft, die durch einen Elektromagneten erzeugt wird. Die Vorteile von sich drehenden Maschinen, die mit Magnetlagern ausgerüstet sind, sind, daß sie frei von Abriebsstäuben sind, daß sie instandhaltungsfrei sind, weil kein Schmieröl verwendet wird, daß sie eine Drehbarkeit mit hoher Drehzahl haben, und daß die Geräusche verringert werden.

Die Magnetlager sind auch geeignet, wenn diese in sich drehenden Maschinen verwendet werden, die in extrem reinen Atmosphären angeordnet sind, wie beispielsweise Reinräume zur Halbleiterherstellung. Weil die Magnetlager kein Schmieröl benötigen und keinen Abriebsstaub erzeugen, wird verhindert, daß die Halbleiterwafer verschmutzt werden. Daher sind Magnetlager vorteilhaft, wenn sie in einem Reinraum, in einem Raum mit Vakuum usw. verwendet werden. Insbesondere in einem Vakuumraum wird der Reibungskoeffizient der üblichen mechanischen Lager extrem groß; daher sind die Magnetlager geeignet, weil es kein Problem für die Magnetlager gibt, die die Achsen ohne einen Kontakt tragen.

1 zeigt eine allgemeine Schaltungskonfiguration einer Magnetlagersteuervorrichtung, die einen schwebenden, sich drehenden Körper aktiv durch Steuerung der Stromversorgung für die Elektromagneten steuert. Die Elektromagneten sind um den sich drehenden Körper herum, nahebei angeordnet, um Magnetkräfte darauf aufzubringen. Wenn der sich drehende Körper angehoben wird und von Magnetkräften getragen wird, die durch Elektromagneten ohne Kontakt dazu erzeugt werden, ist das gesteuerte Objekt des Systems der sich drehende Körper, beispielsweise an einer Position davon. Die Verschiebung X des sich drehenden Körpers im Vergleich zu der angewiesenen Position X0 wird durch eine Zustandsdetektoreinheit detektiert, nämlich in diesem Fall durch die Verschiebungssensoreinheit 11. Die detektierte Position X wird mit der angewiesenen Position X0 in der Abweichungsschaltung verglichen, und die Differenz &Dgr;X zwischen der detektierten Position X und der angewiesenen Position X0 wird in eine Kompensatoreinheit 12 eingegeben.

Die Kompensatoreinheit weist eine Steuerschaltung auf, wie beispielsweise eine PID-Steuerschaltung (PID = Proportional-Integral-Derivativ) und erzeugt ein Ausgangssignal, um diese Differenz &Dgr;X zwischen der detektierten Position X und der angewiesenen Position X0 zu steuern, so daß sie Null wird. Ein Ausgangssignal aus der Kompensatoreinheit 12 wird in eine Signalverstärkereinheit 13 eingegeben, wo das Signal verstärkt wird und die Amplitude des Signals wird durch eine Begrenzungsschaltung (Limitationsschaltung) begrenzt.

Eine Leistungsverstärkereinheit 14 erzeugt einen gesteuerten Strom zur Lieferung an den Elektromagneten 15 entsprechend dem Ausgangssignal der Signalverstärkereinheit 13. Die Leistungsverstärkereinheit 14 weist eine Pulsbreitenmodulationsschaltung auf, um gesteuerten Strom zu liefern, der dadurch in den Spulen der Elektromagneten 15 pulsbreitenmoduliert ist. Der Elektromagnet 15 erzeugt eine magnetische Anzugskraft gemäß der Größe des gesteuerten Stroms. Die magnetische Anzugskraft wird auf das gesteuerte Objekt 16 aufgebracht, nämlich auf den sich drehenden Körper in diesem Fall, und das gesteuerte Objekt wird bewegt, so daß die Differenz &Dgr;X auf 0 verringert wird, es bewegt sich nämlich die detektierte Position X zu der angewiesenen Position X0.

Durch die oben erwähnte Rückkoppelungssteuerung bzw. Regelung wird das gesteuerte Objekt 16 (in diesem Fall der sich drehende Körper) gesteuert, so daß es stabil an der angewiesenen Position X0 positioniert ist, auch wenn eine Störkraft von außen auf das gesteuerte Objekt 16 aufgebracht wird, um dessen Position zu stören.

Bei der Magnetlagersteuervorrichtung wird gewöhnlicherweise ein Verschiebungssensor als Zustandsdetektoreinheit 11 eingesetzt, um den Zustand zu detektieren, was in diesem Fall die Verschiebung X im Vergleich zu der angewiesenen Position X0 ist. Ein typischer Verschiebungssensor ist ein Induktionsverschiebungssensor, der einen Kern aus magnetischem Material mit darum gewickelten Spulen besitzt. Gemäß des Induktionsverschiebungssensors wird die Verschiebung des gesteuerten Objektes, welches ein daran befestigtes magnetisches Material aufweist, durch die Detektion der Veränderung der Induktivität der Spulen davon gemessen.

2 zeigt ein Detail einer Signalverstärkereinheit 13 und eines Teils einer Leistungsverstärkereinheit 14, die PWM-Schaltungen (Pulsbreitenmodulationsschaltungen) aufweist. Die Ausgangsgröße der Kompensatoreinheit 12 wird in die Signalverstärkereinheit 13 eingegeben, die eine Amplitudenbegrenzungsvorrichtung 25 aufweist, weiter eine Abweichungsschaltung 29, einen Signalverstärker 28, eine weitere Amplitudenbegrenzungsvorrichtung 29 usw.. Eine Ausgangsgröße des Gleichstromsignalgenerators 26 zur Einstellung des Vorspann-Gleichstroms wird in die Abweichungsschaltung 29 eingegeben, um das Ausgangssignal damit zu addieren. Die Leistungsverstärkereinheit 14 weist eine PWM-Schaltung mit einer Komparatorschaltung 31 und einem Zerhackwellengenerator (chopping wave generator) 32 und eine Leistungsverstärkerschaltung 35 auf, die das Ausgangssignal der Komparatorschaltung 31 mit dem tatsächlichen Strom vergleicht, der zu den Spulen der Elektromagneten 21 zu liefern ist.

Der Ausgangsstrom aus dem Leistungsverstärker 35 wird zu den Spulen der Elektromagneten 21 als ein gesteuerter Strom geliefert, wodurch gesteuerte Magnetkräfte durch die Elektromagneten 21 erzeugt werden und auf das gesteuerte Objekt (den sich drehenden Körper) 22 zur Steuerung dessen Position aufgebracht werden. Die schwebende tatsächliche Position des gesteuerten Objektes 22 wird durch den Zustandsdetektor detektiert, nämlich den Verschiebungssensor 23 der Induktionsbauart, in diesem Fall. Der gesteuerte Strom, der an die Spulen der Elektromagneten angelegt wird, wird durch einen Stromsensor 36 detektiert, und Komponenten des Ausgangssignals des Stromsensors mit niedrigerer Frequenz werden zu der Abweichungsschaltung 29 durch eine Rückkoppelungsschleife durch einen Tiefpaßfilter 39 zurückgeleitet, um die höherfrequenten Komponenten zu stoppen, die den Frequenzkomponenten der PWM-Signale des gesteuerten Stroms entsprechen.

Wie oben erwähnt, besteht die Signalverstärkereinheit 13 aus dem Signalverstärker 28, um ein Ausgangssignal der Kompensatoreinheit 12 zu verstärken und aus der Begrenzungsvorrichtung 29, um die Amplitude des von dem Verstärker 28 verstärkten Signals zu begrenzen. Diese Schaltungen werden am vorderen Ende der PWM-Schaltung eingefügt, die den Komparator 31 und den Zerhackwellengenerator 32 aufweist. Um die Spulen der Elektromagneten 21 anzutreiben, die eine induktive Belastung sind, ist eine relativ große Verstärkung (gain), beispielsweise eine Verstärkung von 10 bis 100 Mal, für den Signalverstärker 28 erforderlich, der das Ausgangssignal der Kompensatoreinheit 12 zur Eingabe in die PWM-Schaltung 31 der Leistungsverstärkereinheit 14 verstärkt.

Es gibt jedoch ein Problem dahingehend, daß das Ausgangssignal der Signalverstärkereinheit 13 verformt wird, so daß eine rechteckig geformte Wellenform aus der eingegebenen sinusförmigen Wellenform wird, und zwar durch Leiten durch die Ableitungsschaltung 27, den Signalverstärker 28 und die Amplitudenbegrenzungsvorrichtung 29. 3A bis 3C zeigen die Verformung der Wellenform und das Frequenzspektrum der verformten Wellenform. 3A zeigt ein Eingangssignal der Sinus-Wellenform von 1 kHz, welches in die Signalverstärkereinheit 13 eingegeben wird. 3B zeigt eine Wellenform mit einem gesteuerten Strom von 1 kHz entsprechend 3A, der in die Spulen der Elektromagneten fließt, die eine rechteckige Form zeigen. Der Grund einer solchen Deformation der Wellenform wird so eingeschätzt, daß eine Phasendifferenz in der Abweichungsschaltung 27 zwischen einem Eingangssignal und einem Rückkoppelungssignal erzeugt wird, und daß das Ausgangssignal der Abweichungsschaltung in dem Signalverstärker 28 verstärkt wird, und zwar einschließlich der Phasendifferenzen dazwischen und gesättigt darin durch die Leistungsversorgungsspannung (±15 V). Daher wird das Eingangssignal der PWM-Schaltung 31 eine rechteckig geformte Wellenform aus der ursprünglichen, sinusförmigen Wellenform durch Durchleitung durch die Signalverstärkereinheit 13.

Entsprechend weist der gesteuerte Strom, der in den Spulen der Elektromagneten 21 fließt, n-mal harmonische Komponenten der Grundfrequenz der eingegebenen Sinuswelle auf, und die Frequenzspektrumverteilung ist in 3C gezeigt. Wie in 3C gezeigt, werden n-mal harmonische Komponenten aus einer Grundfrequenz der eingegebenen Sinuswelle von 1 kHz erzeugt. Das Frequenzgebiet, wo die harmonischen Komponenten verteilt sind, übersteigt mehr als 10 kHz, wie durch den Kreis in 3C gezeigt. Weiterhin werden Frequenzspektrumverteilungen über 100 kHz durch die PWM-Schaltung 31 zur Erzeugung von pulsbreitenmodulierten, gesteuerten Strömen bewirkt, die beispielsweise durch eine Chopping- bzw. Zerhackfrequenz von beispielsweise 90 kHz moduliert werden.

4A zeigt ein Eingangssignal der Sinus-Wellenform mit 500 Hz, die in die Signalverstärkereinheit 13 eingegeben wird. 4B zeigt eine Wellenform des gesteuerten Stroms von 500 Hz entsprechend der 4A, der in den Spulen der Elektromagneten fließt, der eine rechteckige Form zeigt. Figur 4C zeigt die Frequenzspektrumverteilung des gesteuerten Stroms entsprechend den 500 Hz der 4B. In der gleichen Weise wie die eingegebene Signalform mit 1 kHz, wird das eingegebene Sinus-Wellensignal verformt, so daß es eine rechteckig geformte Wellenform ist, und zwar durch Durchleiten durch die Signalverstärkereinheit 13, und der gesteuerte Strom wird gemäß der verformten Wellenform moduliert, die in den Spulen der Elektromagneten fließt. Die Frequenzspektrumverteilung weist mehrere nmal harmonische Komponenten in einem höheren Frequenzgebiet auf, welches mehr als 10 kHz überschreitet. Es ist ein Problem, daß harmonische Komponenten nahe bei dem Frequenzgebiet von 10 kHZ verteilt sind, was in 4C durch einen Kreis gezeigt ist.

5 zeigt Frequenzgebiete, die bei der Magnetlagersteuervorrichtung verwendet werden. Das Gebiet ← ist ein Frequenzgebiet von weniger als mehreren kHz, welches von den detektierten Signalen des Verschiebungssensors verwendet wird und von den ursprünglich gesteuerten Strömen in den Spulen der Elektromagneten. Das Gebiet ← wird nämlich zur Steuerung des sich drehenden Körpers verwendet, der durch den Verschiebungssensor detektiert wird, und wird durch Magnetkräfte ohne Kontakt durch gesteuerte Ströme in den Spulen der Elektromagneten gesteuert.

Das Gebiet ↑ ist ein Frequenzgebiet, welches von dem Verschiebungssensor der Induktionsbauart verwendet wird. Der Verschiebungssensor der Induktionsbauart verwendet ein amplitudenmoduliertes Signal, mit beispielsweise einer Frequenz von 10 kHz als Grundfrequenz. Gemäß einer Veränderungsgröße der Induktivität wird die Amplitude der Grundfrequenz durch die Amplitudenmodulation moduliert, und dann wird die Position des sich drehenden Körpers durch die Veränderung der Induktivität detektiert, nämlich durch Detektieren der Amplitude des modulierten Signals davon. Daher werden die Frequenzspektren nahe bei 10 kHz durch den Betrieb des Verschiebungssensors der Induktionsbauart verteilt.

Das Gebiet → ist ein Frequenzgebiet, welches von der PWM-Schaltung 31 verwendet wird, um gesteuerten Strom zu erzeugen, der zu den Spulen der Elektromagneten geliefert wird. Die PWM-Schaltung 31 verwendet eine Zerhackwelle (chopping wave) von 90 kHz als Grundfrequenz, dann erzeugt die PWM-Schaltung 31 die Grundfrequenzkomponente und die harmonischen Frequenzkomponenten durch die PWM-Wellenform, die weit über 90 kHz verteilt sind.

6 zeigt eine Frequenzspektrumverteilung von mehr als 1 kHz, über der die Frequenzspektrumverteilung, die in 3C oder 4C gezeigt ist, überlagert wird. Der Verschiebungssensor der Induktionsbauart verwendet das Frequenzgebiet nahe bei 10 kHz zum Detektieren der Verschiebung des sich drehenden Körpers durch die Amplitudenmodulation der Grundfrequenz von 10 kHz. Jedoch wird das Frequenzgebiet, welches von dem Verschiebungssensor der Induktionsbauart verwendet wird, durch die n-fachen harmonischen Komponenten des gesteuerten Stroms in den Spulen der Elektromagneten überlagert. Die überlagerten Signale der zwei Arten von Frequenzgebieten bewirken, daß das Verschiebungssensorausgangssignal durch harmonisches Rauschen des gesteuerten Stroms verformt oder verzerrt wird, und wirkt dahingehend, daß die Steuerbarkeit des Magnetlagers in schwerer Weise beeinflußt wird. Daher kann in einem schwerwiegenden Fall die Steuervorrichtung den sich drehenden Körper nicht so steuern, daß er zum Schweben kommt. Ein Beispiel einer Anordnung des Standes der Technik gemäß des Oberbegriffes des Anspruches 1 ist bekannt aus R. Siegwart und R. Herzog in "Mechatronische Ansätze bei aktiven Magnetlagerungen", Automatisierungstechnik-AT, Vol. 43, Nr. 12, Seiten 549-553. Es ist weiter bekannt, eine Eliminatoreinheit, wie beispielsweise einen Bandpaßfilter, in einer Steuerschaltung vorzusehen (Bezugnahme auf US 5 703 424 A und auf EP 0 193 609 A).

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Magnetlagersteuervorrichtung vorzusehen, die das gesteuerte Objekt stabil unter Verwendung von gesteuerten Magnetkräften schweben lassen kann, auch wenn die Zustandsdetektoreinheit eine relativ geringe Grundfrequenz einsetzt, um den Zustand des gesteuerten Objektes zu detektieren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1 vorgesehen.

Wenn entsprechend ein Eliminator zwischen der Signalverstärkereinheit und der Leistungsverstärkereinheit eingesetzt wird, um Frequenzkomponenten des Frequenzgebietes zu eliminieren, welches von der Zustandsdetektoreinheit verwendet wird, werden die harmonischen Komponenten, die von der Signalverstärkereinheit erzeugt werden, durch den Eliminator entfernt. Dann enthält das Eingangssignal in die Leistungsverstärkereinheit nicht die Frequenzkomponenten des Frequenzgebietes, welches von der Zustandsdetektoreinheit verwendet wird, und der gesteuerte Strom, der zu dem Elektromagneten durch die Leistungsverstärkereinheit geliefert wird, enthält ebenfalls nicht die Frequenzkomponenten des Frequenzgebietes, welches von der Zustandsdetektoreinheit verwendet wird. Daher wird eine Fehlfunktion der Zustandsdetektoreinheit verhindert, die durch harmonische Komponenten verursacht wird, die von der Signalverstärkereinheit erzeugt werden, und die Magnetlagersteuervorrichtung kann stabil und schnell zur Steuerung des gesteuerten Objektes arbeiten.

Die Leistungsverstärkereinheit wird mit einer Pulsbreitenmodulationsschaltung bzw. PWM-Schaltung versehen, die einen Komparator aufweist, um ein Eingangssignal mit einem Zerhackwellensignal zu vergleichen, und der Eliminator ist am vorderen Ende des Komparators angeschlossen. Entsprechend werden harmonische Komponenten des Frequenzgebietes, welches von der Zustandsdetektoreinheit verwendet wird, am vorderen Ende der Pulsbreitenmodulationsschaltung eliminiert, und es wird verhindert, daß der Zustandsdetektor durch harmonisches Rauschen gestört wird, welches in dem gesteuerten Strom enthalten ist.

Der Zustandsdetektor ist ein Verschiebungssensor der Induktionsbauart. Entsprechend kann ein Verschiebungssensor der Induktionsbauart als Zustandsdetektor angepaßt werden, der leicht verfügbar ist und im allgemeinen oder weithin in der Industrie verwendet wird. Darüber hinaus kann die Grundfrequenz des Sensors für eine geeignete Anwendung abgesenkt werden, wie beispielsweise in einem eingeschlossenen, umkapselten Magnetlager.

Der Eliminator ist ein Bandeliminatorfilter. Entsprechend werden die harmonischen Komponenten des von der Zustandsdetektoreinheit verwendeten Frequenzgebietes in wirkungsvoller Weise leicht eliminiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Blockdiagramm, welches eine allgemeine Schaltungskonfiguration der Magnetlagersteuervorrichtung zeigt;

2 ist eine schematische Ansicht, die eine Detailkonfiguration eines Teils der herkömmlichen Magnetlagersteuervorrichtung zeigt;

3A ist eine Kurvendarstellung der Eingangswellenform einer Sinus-Welle mit 1 kHz, 3B ist eine Kurvendarstellung einer herkömmlichen gesteuerten Stromwellenform in der Spule des Elektromagneten, und 3C ist eine Kurvendarstellung der herkömmlichen Frequenzspektrumverteilung des gesteuerten Stroms;

4A ist eine Kurvendarstellung der eingegebenen Wellenform von einer Sinus-Welle mit 500 Hz, 4B ist eine Kurvendarstellung der herkömmlichen gesteuerten Stromwellenform in der Spule eines Elektromagneten und 4C ist eine Kurvendarstellung einer herkömmlichen Frequenzspektrumverteilung des gesteuerten Stroms;

5 ist eine Kurvendarstellung, die das Frequenzgebiet ← zeigt, welches ursprünglicherweise von dem gesteuerten Strom in der Spule des Elektromagneten verwendet wird, weiter das Frequenzgebiet ↑, welches von dem Zustandsdetektor (Verschiebungssensor) verwendet wird, und das Frequenzgebiet →, welches von der PWM-Wellenform des gesteuerten Stroms verwendet wird;

6 ist eine Kurvendarstellung, die das Frequenzgebiet zeigt, wo das Frequenzgebiet ← und das Frequenzgebiet ↑ miteinander gemäß der herkömmlichen Steuervorrichtung überlagert werden;

7 ist eine schematische Ansicht, die eine Detailkonfiguration eines Teils eines Ausführungsbeispiels der Magnetlagersteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

8 ist eine schematische Ansicht, die eine Detailkonfiguration eines Teils der Signalverstärkereinheit und der Leistungsverstärkereinheit der in 7 gezeigten Magnetlagersteuervorrichtung zeigt;

9A ist ein Schaltungsdiagramm der PWM-Schaltung, und 9B ist eine Kurvendarstellung, die den Betrieb der in 9A gezeigten Schaltung zeigt;

10 ist eine Kurvendarstellung, die Frequenzcharakteristiken des in 7 gezeigten Eliminators zeigt;

11A ist eine Kurvendarstellung der eingegeben Wellenform, mit einer Sinus-Welle mit 1 kHz, 11B ist eine Kurvendarstellung der gesteuerten Stromwellenform in der Spule eines Elektromagneten und 11C ist eine Kurvendarstellung einer Frequenzspektrumverteilung des gesteuerten Stroms gemäß der vorliegenden Erfindung; und

12A ist eine Kurvendarstellung der eingegeben Wellenform mit einer Sinus-Welle von 500 Hz, 12B ist eine Kurvendarstellung der gesteuerten Stromwellenform der Spule eines Elektromagneten und 12C ist eine Kurvendarstellung einer Frequenzspektrumverteilung des gesteuerten Stroms jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungskonfiguration der Signalverstärkereinheit und der Leistungsverstärkereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 7 gezeigt, besteht das Magnetlager aus dem Elektromagneten 21 zur Erzeugung einer Magnetkraft und zur Drehung des Körpers 22, der von der Magnetkraft angehoben und getragen wird, die von dem Elektromagneten 21 erzeugt wird, wodurch die schwebende Position des sich drehenden Körpers 22 aktiv durch den gesteuerten Strom gesteuert wird, der von der Leistungsverstärkereinheit 14 geliefert wird. 7 zeigt nur einen Teil der Steuervorrichtungsschaltungskonfiguration, nämlich einen Elektromagneten 21 und einen diesem entsprechenden Schaltungsteil. Ein Verschiebungssensor 23 der Induktionsbauart wird nahe bei dem sich drehendem Körper 22 positioniert, um seine Position X zu detektieren. Das Ausgangssignal des Verschiebungssensors 23 wird in die (in 7 nicht gezeigte) Kompensatoreinheit 12 eingegeben, um ein Steuersignal zu erzeugen, um die schwebende Position des sich drehenden Körpers 22 an der angewiesenen Position zu halten, wie zuvor mit Bezugnahme auf 1 beschrieben.

Das Ausgangssignal aus der Kompensatoreinheit wird in die Amplitudenbegrenzungsschaltung 25 eingegeben, und die Amplitude des Signals wird in einem Bereich eingeschränkt, wie in 7 gezeigt. Das Ausgangssignal der Begrenzungsvorrichtung 25 wird in die Abweichungsschaltung 27 eingegeben, wo das Gleichstromsignal des Gleichstromsignalgenerators 26 zur Einstellung des Vorspannstroms dort hinzu addiert wird, um eine Vorspannspannung zu ergeben. Das Ausgangssignal der Abweichungsschaltung 27 wird in den Signalverstärker 28 eingegeben, wo das Signal durch die Verstärkung mit einer Verstärkung von 10 bis 100 mal verstärkt wird.

Tatsächliche Schaltungen sind in 8 gezeigt, ein Gleichstromsignalgenerator 26, die Abweichungsschaltung 27 und der Signalverstärker 28 werden integral durch Verwendung von Operationsverstärkern konfiguriert und haben die Funktionen des Addierens, des Verstärkens und der Amplitudenbegrenzung. Die Amplitudenbegrenzungsschaltung (Begrenzungsvorrichtung) 25 weist einen Operationsverstärker, eine Zener-Diode und eine Widerstandsschaltung auf, um die aufgebrachte Spannung zu teilen. Die Begrenzungsvorrichtung 25 erzeugt eine Funktion, daß wenn die Amplitude des Eingangssignals größer als ein vorbestimmter Bereich ist, dann die Amplitude auf den vorbestimmten Wert des Bereiches begrenzt wird. Der Gleichstromsignalgenerator 26 zur Einstellung des Vorspannstroms weist einen Gleichstromspannungssignalgenerator mit einem variablen Widerstand auf, wie beispielsweise einen Volumenregler bzw. ein Potentiometer zur Einstellung der Gleichstromspannung oder des Gleichstroms. Die Abweichungsschaltung 27 weist einen (-)-Seitenanschlußteil des Operationsverstärkers 28a auf. Der Ausgangsspannungsanschluß des Gleichstromsignalgenerators 26, die Ausgangssignalleitung der Begrenzungsvorrichtung 25 und die Ausgangssignalleitung der Stromrückkoppelungsschaltung 39 zur Erzeugung des Rückkoppelungssignals des gesteuerten Stroms werden mit dem Eingangsanschluß 27 des Operationsverstärkers 28a verbunden. Der Signalverstärker 28 weist eine Kombination des Operationsverstärkers 28a und von Widerständen auf, die damit verbunden sind. Es weist auch die Begrenzungsvorrichtung 29 eine Kombination einer Zener-Diode und eines Operationsverstärkers 28a auf.

Der Komparator (Vergleichsvorrichtung) 31 erzeugt ein PWM-Signal durch Vergleich des Eingangssignals mit dem Ausgangssignal des Zerhackwellengenerators 32. 9A zeigt eine Schaltungskonfiguration des Pulsbreitenmodulators 31, in dem der Komparator 20 das Eingangssignal mit dem Referenzsignal der Zerhackwellenform vergleicht, was somit die PWM-Signalwellenform erzeugt. Wie in 9B gezeigt, werden die Intervalle zwischen den Kreuzpunkten des Eingangssignals und des Referenzsignals diskontinuierlich mit der Gleichstromamplitude ausgegeben, um die PWM-Wellenform zu bilden. Daher wird die Amplitude des analogen Eingangssignals in die Leistungsverstärkereinheit 14 durch das Zerhackwellenreferenzsignal moduliert, um ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal zu erzeugen. Danach wird das Signal durch einen Verstärker verstärkt, der aus Transistoren Q1 und Q2 besteht, um ein Ausgangs-PWM-Signal zu bilden.

Wie nämlich in 9B gezeigt, wird die Pulsbreitenmodulation ausgeführt durch einen Vergleich einer Amplitude des Eingangssignals Va mit dem Referenz-Zerhackwellensignal Vb in dem Komparator 20. Wenn das Referenz-Zerhackwellensignal Vb höher ist als das Eingangssignal Va, dann wird +Vcc ausgegeben. Wenn das Referenz-Zerhackwellensignal Vb kleiner als das Eingangssignal Va ist, dann wird -Vcc ausgegeben. Eine Frequenz von 90 kHz wird als die Grundfrequenz des Zerhackwellenreferenzsignals eingestellt, wie zuvor erwähnt.

Ein Eliminator 30 zum Eliminieren von Frequenzkomponenten des Frequenzgebietes, welches von der Zustandsdetektoreinheit verwendet wird, wird zwischen dem Ausgangsanschluß der Begrenzungsvorrichtung 29 und dem Eingang des Komparators (PWM-Modulator) 31 eingefügt. Der Eliminator 30 weist einen Bandeliminierungsfilter (BEF) auf, weiter einen Tiefpaßfilter (LPF = low pass filter) usw.. Das Ausgangssignal aus dem Komparator 31 wird in dem Leistungsverstärker 35 über einen optischen Isolator eingegeben. In dem Leistungsverstärker 35 wird gesteuerter Strom erzeugt und zu Spulen von Elektromagneten geliefert, um den Zustand des gesteuerten Objektes zu steuern.

Der Stromdetektor 36 detektiert den gesteuerten Strom. Das detektierte, gesteuerte Stromsignal wird durch die Stromrückkoppelungseinheit 39 zur Abweichungsschaltung 27 zurückgekoppelt und der Subtraktionsvorgang wird darin ausgeführt. Die Stromrückkoppelungseinheit 39 detektiert niederfrequente Komponenten des gesteuerten Stroms, der in den Spulen der Elektromagneten fließt, und die Rückkoppelung der detektierten Frequenzkomponenten findet zum Eingang des Signalverstärkers 28 statt. Die Stromrückkoppelungseinheit 39 weist eine Stromdetektions- und -verstärkungseinheit 39d auf, weiter einen Tiefpaßfilter (LPF) 39c, eine Versetzungseinstelleinheit 39b, eine Verstärkungseinstellheit 39a usw.. Hier eliminiert der Tiefpaßfilter (LPF) 39c die Frequenzkomponenten der PWM-Schaltfrequenzen des gesteuerten Stroms.

10 zeigt eine Frequenzcharakteristik der Verstärkung (gain) und der Phase des Bandeliminierungsfilters 30, der am vorderen Ende des PWM-Modulators 31 eingefügt ist. In diesem Beispiel wird eine Dämpfung von – 31dB bei 9,55 kHz erreicht. Diese Frequenzbandbreite der Dämpfung fällt mit der Frequenzbandbreite zusammen, die von der Zustandsdetektoreinheit verwendet wird, nämlich von dem Verschiebungssensor der Induktionsbauart in diesem Ausführungsbeispiel.

Entsprechend wird das Frequenzgebiet der Grundfrequenz und in deren Nähe, welches von dem Verschiebungssensor der Induktionsbauart verwendet wird, durch den Bandeliminierungsfilter 30 eliminiert. Wie zuvor erwähnt, wird die ausgegebene Wellenform aus dem Signalverstärker 28 und der Begrenzungsvorrichtung 29 aus dem Eingangssignal mit einer Sinus-Wellenform so verformt, daß es eine rechteckig geformte Wellenform wird, die eine große Menge von n-fachen harmonischen Komponenten aufweist. Dann erstrecken sich in der Frequenzspektrumverteilung die harmonischen Komponenten des gesteuerten Stroms zu dem Frequenzgebiet, welches von dem Verschiebungssensor der Induktionsbauart verwendet wird, wie in 3C oder in 4C gezeigt. Durch den Bandeliminierungsfilter 30 werden die harmonischen Komponenten des Ausgangssignals der Signalverstärkereinheit 13 in der Nähe von 10 kHz eliminiert, und das Eingangssignal in die Leistungsverstärkereinheit 14 enthält dann nicht die Frequenzkomponenten von diesem Frequenzgebiet. Das Signal enthält nun keine harmonischen Komponenten, die mit dem Frequenzgebiet zusammenfallen, welches von der Zustandsdetektoreinheit verwendet wird. Dann wird das Signal durch den Komparator 31 pulsbreitenmoduliert und wird zu den Spulen der Elektromagneten 21 über den Leistungsverstärker 35 geliefert, und zwar als gesteuerter Strom zur Erzeugung einer gesteuerten Magnetkraft, die auf den sich drehenden Körper aufgebracht wird. Somit detektiert der Verschiebungssensor der Induktionsbauart als eine Zustandsdetektoreinheit nicht die Frequenzkomponenten des Frequenzgebietes nahe seiner Grundfrequenz und kann die Verschiebung des sich drehenden Körpers 22 ohne irgend eine Störung durch harmonische Komponenten des gesteuerten Stroms detektieren.

Entsprechend wird das Problem gelöst, daß die harmonischen Komponenten des gesteuerten Stroms in das Frequenzgebiet fallen, welches von dem Verschiebungssensor verwendet wird, wie in 6 gezeigt. Beide Frequenzgebiete des Gebietes ← und des Gebietes ↑ werden klar getrennt, wie in 5 gezeigt. Dann wird verhindert, daß der Verschiebungssensor der Induktionsbauart durch die harmonischen Komponenten gestört wird, und falsch funktionierende Betriebsvorgänge werden verhindert. Dies gibt der Steuervorrichtung die Möglichkeit, den sich drehenden Körper stabil zu steuern, so daß er an der angewiesenen Position schwebt, auch wenn eine äußere Störung aufgebracht wird.

Die 11A bis 11C zeigen experimentelle Ergebnisse der Magnetlagersteuervorrichtung, bei der der Eliminator vor dem PWM-Modulator darin eingefügt wurde. 11A zeigt eine Eingangssignalwellenform mit einer Sinus-Welle von 1 kHz der Signalverstärkereinheit. 11 B zeigt eine Wellenform des gesteuerten Stroms, die in den Spulen der Elektromagneten fließt, und zwar entsprechend den Eingangssignalen der 11A. Figur 11 C zeigt eine Frequenzspektrumverteilung des gesteuerten Stroms entsprechend dem gesteuerten Strom der 11B. Wie in 11B gezeigt, wird die Kante der rechteckig geformten Wellenform runder geformt, wobei der quadratische Teil davon verloren geht, und zwar in Vergleich zu 5B, und sich näher an die Wellenform der eingegebenen Sinus-Wellenform annähert. Wie auch in 11C gezeigt, werden die Frequenzkomponenten in der Nähe des Frequenzgebietes von 10 kHz jeweils bezüglich der Frequenzspektrumverteilung reduziert, und das Frequenzgebiet wird von dem Verschiebungssensor der Induktionsbauart verwendet.

12A bis 12C zeigen das gleiche experimentelle Ergebnis, wenn das eingegebene Signal eine Sinus-Welle mit 500 Hz ist. Wie in 12B gezeigt, wird der Kantenteil der rechteckigen Wellenform runder als der Kantenteil der 11B. Wie in 12C gezeigt, werden die harmonischen Komponenten des gesteuerten Stroms merklich bei dem Frequenzgebiet von mehr als 1 kHz in der Frequenzspektrumverteilung reduziert, und sind fast Null in dem Frequenzgebiet nahe bei 10 kHz, welches von dem Verschiebungssensor der Induktionsbauart verwendet wird.

Wenn die Magnetkraft auf dem sich drehenden Körper, beispielsweise durch ein dünnes rostfreies Stahlblech, in einem umschlossenen, eingekapselten Magnetlager aufgebracht wird, sollte die Grundfrequenz des Verschiebungssensors der Induktionsbauart niedriger sein, um einen Wirbelstromverlust durch das rostfreie Stahlblech zu vermeiden. Daher kommen sich das Frequenzgebiet ← und das Frequenzgebiet ↑ näher, als in 5 gezeigt, und dies verursacht ein Problem dahingehend, daß harmonisches Rauschen des Frequenzgebietes ← in das Frequenzgebiet ↑ fällt, so daß der stabile Betrieb des Magnetlagers gestört wird. In manchen schwerwiegenden Fällen enthält der gesteuerte Strom, der durch die Leistungsverstärkereinheit verstärkt wird, so viel harmonisches Rauschen in dem Frequenzgebiet ↑, daß das Magnetlager nicht dahingehend arbeiten kann, daß es den sich drehenden Körper anhebt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die harmonischen Komponenten des gesteuerten Stroms in dem Frequenzgebiet ↑ eliminiert, welches von dem Verschiebungssensor der Induktionsbauart verwendet wird. Dies ermöglicht daher, das Gebiet ↑ mit relativ niedriger Frequenz von ungefähr 10 kHz als Grundfrequenz des Verschiebungssensors der Induktionsbauart zu verwenden, ohne irgend ein Problem zu verursachen.

In dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel wird ein einziger Bandeliminierungsfilter mit einer Dämpfung von ungefähr -30 dB eingesetzt, es kann jedoch möglich sein, die Filter mit mehreren Stufen einzusetzen. Dies wird eine perfektere Eliminierung von n-fachen harmonischen Komponenten des gesteuerten Stroms durch Steigerung der Dämpfung und der Bandbreite davon gestatten. Es ist auch möglich, einen Tiefpaßfilter (LPF) statt dem Bandeliminierungsfilter (BEF) einzusetzen, und dann sind die gleichen Ergebnisse zu erwarten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Eliminator zwischen der Signalverstärkereinheit und der Leistungsverstärkereinheit mit der PWM-Schaltung eingesetzt, um Frequenzkomponenten des Frequenzgebietes zu eliminieren, welches von der Zustandsdetektoreinheit verwendet wird. Es wird verhindert, daß die harmonischen Komponenten des gesteuerten Stroms in das Frequenzgebiet fallen, welches von der Zustandsdetektoreinheit verwendet wird. Dies ermöglicht daher einen stabilen Betrieb der Magnetlagersteuervorrichtung, bei dem der sich drehende Körper durch die gesteuerte Magnetkraft auf exakt der angewiesenen Position schwebt, auch wenn äußere Störkräfte darauf aufgebracht werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Die vorliegende Erfindung ist nützlich für Magnetlager, die in sich drehenden Maschinen eingebaut sind, um den sich drehenden Körper ohne Kontakt zu tragen. Die sich drehenden Maschinen mit Magnetlagern sind zur Anwendung bei vielen industriellen Anwendungen geeignet.

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Anspruch[de]
  1. Magnetlagervorrichtung zum Anheben eines sich drehenden Körpers an einer vorbestimmten Position, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Elektromagneten (21) zur Erzeugung einer Magnetkraft durch einen gesteuerten Strom; eine Leistungsverstärkereinheit (14) zum Liefern des gesteuerten Stroms an den Elektromagneten (21) wobei der gesteuerte Strom pulsbreitenmoduliert ist; eine Signalverstärkereinheit (13) zur Verstärkung des Signals vor der Eingabe in die Leistungsverstärkereinheit (14); eine Zustandsdetektoreinheit (23) zum Detektieren eines Zustandes des sich drehenden Körpers; wobei die Magnetlagervorrichtung dadurch gekennzeichnet wird, daß die Zustandsdetektoreinheit ein moduliertes Signal einer gewissen Grundfrequenz verwendet, und wobei ein Eliminator (30) zwischen der Signalverstärkereinheit (13) und der Leistungsverstärkereinheit (14) eingeführt wird, um Frequenzkomponenten des Frequenzgebietes um die Grundfrequenz herum zu eliminieren.
  2. Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungsverstärkereinheit mit einer Pulsbreitenmodulationsschaltung (31) versehen ist, die einen Komparator (Vergleichsvorrichtung) (20) aufweist, um ein Eingangssignal mit einem Zerhackwellensignal zu vergleichen und wobei der Eliminator (30) am vorderen Ende des Komparators (20) angeschlossen ist.
  3. Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Zustandsdetektor (23) ein Verschiebungssensor der Induktionsbauart ist.
  4. Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Eliminator (30) ein Bandeliminierungsfilter ist.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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