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Dokumentenidentifikation DE69711128T9 03.02.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000819860
Titel Magnetlager
Anmelder Seiko Instruments Inc., Chiba, JP
Erfinder Yamauchi, Akira, Narashino-shi, Chiba, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69711128
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.07.1997
EP-Aktenzeichen 973053838
EP-Offenlegungsdatum 21.01.1998
EP date of grant 20.03.2002
Date of publication of correction 03.02.2005
Information on correction Berichtigung in Absatz 1-12 der Beschreibung und in Anspruch 1-10 und in Zeichnungsseiten 1-12
IPC-Hauptklasse F16C 39/06

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetlagervorrichtungen.

9 zeigt ein allgemeines Konstruktionsdiagramm einer Turbomolekularpumpe, die mit einem dreiachsig geregelten Magnetlager versehen ist. Das dreiachsig geregelte Magnetlager verwendet einen radialen Elektromagneten 4 und einen axialen Elektromagneten 6, um einen durch eine Magnetkraft angehobenen Rotor 2 zu halten. Die Drehzahl des Rotors 2 wird mittels eines Drehzahlsensors 7 erfaßt. 10 ist ein Blockschaltbild, das eine Anordnung für eine Radialpositionsregelung zeigt, die in einer herkömmlichen Magnetlagervorrichtung ausgeführt wird. Zum Regeln der Position des Rotors 2 in dessen Radialrichtung erfaßt ein Radialpositionssensor 8 die Position des Rotors 2, wobei eine Verschiebungsberechnungsschaltung 10 dessen Verschiebung berechnet. Ein Ausgang der Verschiebungsberechnungsschaltung 10 wird über eine PID-Regelschaltung 12 (PID steht für Proportional-Integral-Differential – eine bekannte Regelungsform, wie z. B. beschrieben ist in K. J. Åström und T. Hägglund: PID-Controllers: Theory, Design and Tuning, 2. Ausgabe, Instrument Society of America) geführt und mittels einer Leistungsverstärker-Ansteuerschaltung 14 und eines Leistungsverstärkers 16 in der Leistung verstärkt. Anschließend wird der radiale Elektromagnet 4 angesteuert, um den Rotor 2 aktiv zu regeln. Aus dem Vorangehenden wird deutlich, daß die Positionsregelung des Rotors 2 einfach auf der Grundlage seiner Verschiebungen ausgeführt wird, die vom Radialpositionssensor 8 erfaßt werden. Da der Radialpositionssensor 8 an einer höheren Position montiert ist als der (nicht gezeigte) Schwerpunkt des Rotors 2, überwacht er Verschiebungen eines oberen Abschnitts des Rotors 2. Andrerseits werden Verschiebungen eines unteren Abschnitts des Rotors 2, d. h. eines Abschnitts unterhalb seines Schwerpunkts, mittels des axialen Elektromagneten 6, eines Ankers 18 und der Permanentmagneten 20 passiv geregelt. Somit kann der untere Abschnitt des Rotors 2 eine große Auslenkungsbewegung hervorrufen, die den unteren Abschnitt veranlassen kann, mit einem Aufsetzlager 22 in Kontakt zu kommen, wenn der Rotor 2 beschleunigt wird und seine Drehzahl einen Resonanzpunkt erreicht, der für die Turbomolekularpumpe charakteristisch ist. Diese Auslenkungsbewegung umfaßt gleichzeitige konische Bewegungen sowohl des oberen als auch des unteren Abschnitts des Rotors 2 um dessen Schwerpunkt. Dieses Phänomen kann eine Abnutzung des Lagers oder vorübergehende Schwingungen hervorrufen. Obwohl der Resonanzpunkt dieser Art dazu neigt, sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors 2 zu verändern, wird eine solche Auslenkungsbewegung im allgemeinen in Bewegungen in zwei Richtungen entsprechend der Drehzahl unterteilt, in welcher die Bewegungen in den zwei Richtungen um einen gemeinsamen stationären Punkt auftreten. Diese Bewegungen sind eine Rückwärtsdrehbewegung (Präzession), die der Drehrichtung entgegengesetzt ist, und eine Vorwärtsdrehbewegung (Nutation), die in die gleiche Richtung wie die Drehrichtung gerichtet ist. Hierbei ist ein Punkt, an welchem die Resonanz aufgrund der Präzession mit der Drehzahl des Rotors 2 übereinstimmt, als ein erster Kegelmodusresonanzpunkt definiert, während ein Punkt, an welchem die Resonanz aufgrund der Nutation mit der Drehzahl des Rotors 2 übereinstimmt, als ein zweiter Kegelmodusresonanzpunkt definiert ist. Neben diesen Kegelmodusresonanzen kann die Turbomolekularpumpe gelegentlich eine Parallelmodusresonanz aufgrund der Verschiebungsbewegung des Rotors 2 erzeugen, wobei diese Parallelmodusresonanz ebenfalls den Rotor 2 veranlassen kann, mit dem Aufsetzlager 22 in Kontakt zu kommen, oder es kann eine vorübergehende Schwingung auftreten. In Wirklichkeit treten die Kegelmodusresonanz und die Parallelmodusresonanz gleichzeitig auf und sind in vielen Fällen in einer komplexen Weise kombiniert. Um Nachteile zu vermeiden, die an den Resonanzpunkten in solchen Kegelmodus- und Parallelmodusresonanzen auftreten können, offenbart die ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 7-248021 ein Verfahren zum Verbessern der Steifigkeit in einem niedrigen Frequenzbereich durch Verbinden mehrerer Bandpaßfilter 24 parallel mit der PID-Regelschaltung 12, wie in 11 gezeigt ist.

Obwohl das Vorsehen mehrerer Bandpaßfilter 24, die parallel mit der PID-Regelschaltung 12 verbunden sind, bis zu einem gewissen Maß vorteilhaft ist, um dem Rotor 2 zu ermöglichen, z. B. einen Kegelresonanzpunkt zu überschreiten, ist eine Verbesserung der Steifigkeit in einem sehr viel niedrigeren Frequenzbereich erwünscht, um dem Rotor 2 zu ermöglichen, die Resonanzpunkte in einer stabilen Weise zu überschreiten. Diesbezüglich weist eine herkömmliche Schaltungskonfiguration, in der die aus nur phasenvorrückenden Elementen bestehenden Bandpaßfilter 24 parallel mit der PID-Regelschaltung 12 verbunden sind, das folgende Problem auf im Vergleich zu einer Schaltungskonfiguration, in der die Bandpaßfilter 24 mit der PID-Regelschaltung 12 in Serie verbunden sind. 12 zeigt Bode-Diagramme, die einen Vergleich zeigen zwischen einem Fall, in dem die Bandpaßfilter in Serie mit einer PID-Regelschaltung verbunden sind, und einem Fall, in welchem die Bandpaßfilter parallel mit der PID-Regelschaltung verbunden sind. Die durchgezogenen Linien in dieser Figur sind für die Konfiguration, die eine Serienverbindung verwendet, während die gestrichelten Linien für die Konfiguration sind, die eine Parallelverbindung verwendet. Aus 12 wird deutlich, daß die Parallelverbindung beim Erhöhen des Verstärkungsfaktors oder beim Vorrücken der Phase weniger effektiv ist als die Serienverbindung, wenn die gleichen Bandpaßfilter verwendet werden. Ferner wird z. B. eine Analyse der Übertragungsfunktionen bei der Parallelverbindung im Vergleich zur Serienverbindung komplizierter.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wurde hinsichtlich der obenerwähnten Probleme des Standes der Technik gemacht, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, Magnetlagervorrichtungen zu schaffen, die unerwünschte Konsequenzen verhindern können, die durch Kegelmodus- oder Parallelmodusresonanz hervorgerufen werden, die während der Beschleunigung eines Rotors leicht auftreten können.

Die vorliegende Erfindung schafft in einem allgemeinen Aspekt eine Magnetlagervorrichtung, die enthält:

einen Radialpositionssensor zum Messen der Position eines Rotors in dessen Radialrichtung;

ein erstes Kompensationsmittel zum Verbessern der Steifigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kompensationsmittel ein Frequenzband abdeckt, das wenigstens eine erste Kegelmodusresonanzfrequenz und eine zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält, und auf einen Ausgang des Radialpositionssensors anspricht;

ein zweites Kompensationsmittel zum selektiven Übertragen oder Korrigieren eines Ausgangs des ersten Kompensationsmittels; und

ein Mittel zum Bereitstellen eines Leistungsausgangs für einen radialen Elektromagneten zum Bewegen des Rotors in seiner Radialrichtung auf der Grundlage des Ausgangs des zweiten Kompensationsmittels.

In einem spezifischeren Aspekt umfaßt die Erfindung einen Radialsensor zum Messen der Position eines Rotors in dessen Radialrichtung, ein Verschiebungsberechnungsmittel zum Verarbeiten einer vom Radialsensor gemessenen Verschiebung, ein erstes Kompensationsmittel zum Verbessern der Steifigkeit in einem Frequenzband, das wenigstens eine erste Kegelmodusresonanzfrequenz und eine zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält, bei Empfangen eines Ausgangs des Verschiebungsberechnungsmittels, ein zweites Kompensationsmittel zum Korrigieren eines Ausgangs des ersten Kompensationsmittels, ein Leistungsverstärkungsmittel zum Verstärken der Leistung eines Ausgangs des zweiten Kompensationsmittels, und einen radialen Elektromagneten zum Regeln der Position des Rotors in dessen Radialrichtung auf der Grundlage eines Ausgangs des Leistungsverstärkungsmittels.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Radialsensor geschaffen zum Messen der Position eines Rotors in dessen Radialrichtung, ein Verschiebungsberechnungsmittel zum Verarbeiten einer vom Radialsensor gemessenen Verschiebung, ein Drehzahlsensor zum Messen der Drehzahl des Rotors, ein Kompensationsumschaltmittel zum Verbinden eines Leiters des ersten Kompensationsmittels, das eine Steifigkeit in einem Frequenzband verbessert, das wenigstens eine erste Kegelmodusresonanzfrequenz und eine zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält, mit einer nächsten Stufe des Verschiebungsberechnungsmittels, wenn die vom Drehzahlsensor gemessene Drehzahl mit dem vorgegebenen Drehzahldaten übereinstimmt, ein zweites Kompensationsmittel zum Korrigieren eines Ausgangs des Kompensationsumschaltmittels, ein Leistungsverstärkungsmittel zur Leistungsverstärkung eines Ausgangs des zweiten Kompensationsmittels, sowie einen radialen Elektromagneten zum Regeln der Position des Rotors in dessen Radialrichtung auf der Grundlage eines Ausgangs des Leistungsverstärkungsmittels, wobei die vorgegebenen Drehzahldaten wenigstens eine der spezifischen Drehzahlen definieren, die unterhalb und oberhalb des Frequenzbandes auftreten, das die erste Kegelmodusresonanzfrequenz und die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung verbindet das Kompensationsumschaltmittel den Leiter oder eines von mehreren Kompensationsmitteln mit der nächsten Stufe des Verschiebungsberechnungsmittels, wenn die vom Drehzahlsensor gemessene Drehzahl mit den vorgegebenen Drehzahldaten übereinstimmen, wobei die Kompensationsmittel jeweils unterschiedliche Frequenzbänder aufweisen, und wobei die gesamte Kompensationseinrichtung ein Frequenzband aufweist, das wenigstens die erste Kegelmodusresonanzfrequenz und die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält, wobei die vorgegebenen Drehzahldaten mehrere Drehzahlen definieren, die diejenigen enthalten, die unterhalb und oberhalb der ersten Kegelmodusresonanzfrequenz auftreten, sowie diejenigen, die unterhalb und oberhalb der zweiten Kegelmodusresonanzfrequenz auftreten.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Kompensationsmittel ein Bandpaßfilter, das die Steifigkeit in einem spezifischen Bereich innerhalb eines Frequenzbandes verbessert, das die erste Kegelmodusresonanzfrequenz F1, die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz F2 und eine dritte Frequenz F3 (= F1 + 2(F2 – F1)) enthält.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockschaltbild, das eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;

2 zeigt die Veränderung der Kegelmodusresonanzfrequenzen entsprechend der Drehzahl;

3 zeigt Bode-Diagramme eines Gesamtkompensators, der erhalten wird, wenn ein Bandpaßfilter, das zur Verbesserung der Steifigkeit sowohl bei der ersten als auch der zweiten Kegelmodusresonanzfrequenz fähig ist, in Serie mit einer PID-Regelschaltung verbunden wird;

4 ist ein Schaltbild, das die Frequenzantworten von Regelkreissystemen zeigt, die ein zu regelndes System enthalten;

5 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Regelkreissystems, das ein geregeltes System enthält;

6 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Regelkreissystems, in das ein Bandpaßfilter eingesetzt ist;

7 ist ein Blockschaltbild, das eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt;

8 zeigt Bode-Diagramme von Bandpaßfiltern, die die Steifigkeit ausschließlich sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Kegelmodusresonanzfrequenz verbessern können;

9 ist ein allgemeines Konstruktionsschaubild einer Turbomolekularpumpe, die mit einem herkömmlichen, dreiachsig geregelten Magnetlager versehen ist;

10 ist ein Blockschaltbild, das eine Anordnung für die Radialpositionsregelung zeigt, die im obenerwähnten, dreiachsig geregelten Magnetlager ausgeführt wird;

11 ist ein Blockschaltbild, das eine Anordnung für eine Radialpositionsregelung zeigt, die in einem Magnetlager unter Verwendung (parallel verbundener) Bandpaßfilter ausgeführt wird; und

12 zeigt Bode-Diagramme, die einen Vergleich zeigen zwischen einem Fall, in dem Bandpaßfilter in Serie mit einer PID-Regelschaltung verbunden sind, und einem Fall, in welchem die Bandpaßfilter parallel mit der PID-Regelschaltung verbunden sind.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im folgenden werden Ausführungsformen dieser Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen die Elemente, die zu den in 10 gezeigten identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei eine Beschreibung solcher Elemente hier weggelassen wird. Wie in 1 gezeigt, die eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt, enthält ein Verschiebungsdetektor 30 einen Radialsensor 8 und eine Verschiebungsberechnungsschaltung 10. Ein Ausgang des Verschiebungsdetektors 30 wird an einen Eingangsanschluß 32a eines Schalters oder einer Umschalteinrichtung 32 weitergeleitet. Ein Ausgangsanschluß 32b der Schalteinrichtung 32 ist mit einem Leiter 34 verbunden. Ein weiterer Ausgangsanschluß 32c der Schalteinrichtung 32 ist mit einem Ende eines Bandpaßfilters 24 verbunden, der einem ersten Kompensationsmittel entspricht. Eine Kompensatorumschalt-Unterscheidungsvorrichtung 26 wechselt die Verbindungen eines Schalters 32s der Schalteinrichtung 32 entsprechend der von einem Drehzahlsensor 7 gemessenen Drehzahl. Ein Koppler 36 ist mit dem anderen Ende des Bandpaßfilters 24 sowie mit dem anderen Ende des Leiters 34 verbunden. Der Koppler 36 dient zum Addieren eines Ausgangs des Bandpaßfilters 24 und eines Ausgangs über den Leiter 34 und bildet zusammen mit der Kompensationsumschalt-Unterscheidungsvorrichtung 26 und der Schalteinrichtung 32 ein Kompensationsumschaltmittel. Eine PID-Regelschaltung 12 dient zum Ausführen einer Positionskompensation auf der Grundlage von PID-Konstanten und entspricht dem zweiten Kompensationsmittel. Eine Leistungsverstärker-Ansteuerschaltung 14 und ein Leistungsverstärker 16 arbeiten zusammen, um einen Ausgang der PID-Regelschaltung 12 zu verstärken und eine erhöhte Ausgangsleistung bereitzustellen und entsprechen dem Leistungsverstärkungsmittel. Ein Magnetlager 38 enthält den Leistungsverstärker 16 und einen radialen Elektromagneten 4.

Es folgt nun eine Operationsbeschreibung.

Wie in 1 gezeigt, ist das Bandpaßfilter 24 in Serie mit der PID-Regelschaltung 12 verbunden, um im Vergleich zum Stand der Technik eine sehr viel bessere Steifigkeit zu schaffen. Der Verschiebungsdetektor 30 erfaßt Verschiebungen eines Rotors 2, wobei jede Verschiebung in die Schalteinrichtung 32 eingegeben wird. Andrerseits erfaßt der Drehzahlsensor 7 die Drehzahl, wobei die Kompensatorumschalt-Unterscheidungsvorrichtung 26 den Schalter 32s der Schalteinrichtung 32 in Abhängigkeit von der Drehzahl veranlaßt, den Ausgangsanschluß 32b oder den Ausgangsanschluß 32c zu verbinden. Der Zeitablauf dieser Schaltoperation wird wie folgt gesteuert. Wenn eine Turbomolekularpumpe mit einer Nenndrehzahl (von der die Drehzahl der Kegelmodusresonanzfrequenzen abhängt, wie in 2 gezeigt) von z. B. etwa 32.500 min–1 verwendet wird, existieren Kegelmodusresonanzpunkte, die mit der Drehzahl übereinstimmen, bei etwa 2.500 min–1) was einer ersten Kegelmodusresonanzfrequenz F1 entspricht) und bei etwa 4.800 min–1 (was einer zweiten Kegelmodusresonanzfrequenz F2 entspricht). Um mit dem Bandpaßfilter 24 ein Betriebsfrequenzband zu schaffen, das diese zwei Resonanzpunkte abdeckt, wird der Schalter 32s innerhalb eines Bereiches von z. B. 1.000 bis 6.500 min–1 mit dem Ausgangsanschluß 32c verbunden. Im Gegensatz hierzu wird der Schalter 32s in Bereichen von 0 bis 1.000 min–1 und ab 6.500 min–1 und darüber mit dem Ausgangsanschluß 32b verbunden. Der Koppler 36 addiert den Ausgang des Bandpaßfilters 24 und den Ausgang über den Leiter 34 miteinander. Alternativ kann der Koppler 36 einen Schalter umfassen, der eine ähnliche Funktion wie die Schalteinrichtung 32 besitzt und mit der Schalteinrichtung 32 gekoppelt ist. In einer weiteren Ausführungsform können dann, wenn das Umschalten zwischen den Ausgangsanschlüssen 32b und 32c stabil und sicher ist, die Ausgangsenden des Bandpaßfilters 24 und des Leiters 34 einfach miteinander verbunden werden. Die Frequenzantwort, die erhalten wird, wenn das Bandpaßfilter 24 und die PID-Regelschaltung 12 in Serie verbunden sind, ist in den in 3 gezeigten Bode-Diagrammen dargestellt. Wie aus dieser Figur deutlich wird, kann diese Schaltungskonfiguration die Steifigkeit sowohl um die erste als auch um die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz verbessern. In dieser Konfiguration umfaßt das Bandpaßfilter 24 Phasenvorrückelemente erster Ordnung und weist Grenzfrequenzen von 80 Hz und 150 Hz auf. Dies bedeutet, daß eine normale Operation bei anderen Frequenzen außerhalb eines Frequenzbandes möglich ist, das die Kegelmodusresonanzfrequenzen enthält, während die Kegelmodusresonanz in dem Frequenzband, das die Kegelmodusresonanzfrequenzen enthält, unterdrückt werden kann. Wenn jedoch Probleme wie z. B. eine Reduktion des Verstärkungsfaktors oder einer Phasenverzögerung nicht bei Frequenzen außerhalb des Frequenzbandes auftreten, das die Kegelmodusresonanzfrequenzen enthält, kann der Ausgang des Verschiebungsdetektors 30 nach dem Hochfahren kontinuierlich über das Bandpaßfilter 24 geleitet werden.

4 zeigt die Frequenzantworten der Regelkreissysteme, die ein zu regelndes System enthalten. Die gestrichelten Linien in dieser Figur zeigen die Frequenzantworten, die erhalten werden, wenn ein geregeltes System 40 nur mittels der PID-Regelschaltung 12 eingestellt wird, wie in einer in 5 gezeigten Konfiguration, während die durchgezogenen Linien die Frequenzantworten zeigen, die erhalten werden, wenn das Bandpaßfilter 24 in Serie mit der PID-Regelschaltung 12 verbunden ist, wie in einer in 6 gezeigten Konfiguration. Aus 4 wird deutlich, daß durch eine Serienverbindung des Bandpaßfilters 24 im Vergleich zur Konfiguration mit nicht angeschlossenem Bandpaßfilter 24 der Verstärkungsfaktor sehr viel stabiler geworden ist und die Verstärkungsfaktorspitzen bei den Frequenzen F1 und F2 (Resonanzfrequenzen, die von der Drehzahl abhängen) unterdrückt worden sind. Wie in den 5 und 6 gezeigt, wird ein Soll-Wert als ein Signal in den Anregungspunkt eines Regelkreissystems eingegeben, wobei dieser Soll-Wert im Fall einer Magnetlagervorrichtung für eine Turbomolekularpumpe grundsätzlich gleich 0 ist. Die Verschiebung des Rotors 2 wird vom Radialpositionssensor 8 erfaßt und entsprechend ihrer Amplitude und Phase durch die PID-Regelschaltung 12 der 5 oder die PID-Regelschaltung 12 der 6 und das Bandpaßfilter 24 geregelt.

Hierbei wird die niedrigere Resonanzfrequenz mit F1 bezeichnet (was der ersten Kegelmodusresonanzfrequenz entspricht), während die höhere Resonanzfrequenz mit F2 bezeichnet wird (was der zweiten Kegelmodusresonanzfrequenz entspricht). Obwohl das Frequenzband, das die Kegelmodusresonanzpunkte enthält, exakt auf einen Bereich von F1 bis F2 eingestellt werden kann, gibt es Fälle, in denen eine solche Einstellung die Stabilität in Abhängigkeit davon beeinträchtigt, wie die Phase zurückgeführt wird.

Dementsprechend wird das Operationsfrequenzband des Bandpaßfilters 24 auf einen spezifischen Bereich innerhalb eines Frequenzbandes gesetzt, das die Resonanzfrequenzen F1 bis F3 (= F1 + 2(F2 – F1)) enthält, aus Gründen der Stabilisierung, wobei der spezifische Bereich ein Frequenzbereich ist, der zu einer Hochfrequenzseite verschoben ist und Frequenzen ausschließt, bei denen die Phasenrückführung signifikant ist. Obwohl die Turbomolekularpumpe im allgemeinen geneigt ist, um eine Parallelmodusresonanz aufgrund einer Verschiebungsbewegung zusätzlich zur obenerwähnten Kegelmodusresonanz zu erzeugen, kann die Parallelmodusresonanz auch unterdrückt werden durch Verbessern der Steifigkeit mittels des Bandpaßfilters 24.

Während die vorangehende Beschreibung hauptsächlich auf das dreiachsig geregelte Magnetlager gerichtet ist, können die obenerwähnten resonanzbedingten Probleme auch in bestimmten Fällen in einem fünfachsig geregelten Magnetlager auftreten. Die obenbeschriebene Konfiguration ist auch zum Beseitigen dieser Probleme anwendbar.

Obwohl die Schalteinrichtung 32 bei Frequenzen unmittelbar unterhalb und oberhalb des Frequenzbandes, das die erste Kegelmodusresonanzfrequenz und die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält, umgeschaltet wird, kann die Schalteinrichtung 32 auch bei nur einer dieser Frequenzen umgeschaltet werden, in Abhängigkeit davon, wie die Phase zurückgeführt wird.

7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, in der die Elemente, die zu den in 1 gezeigten Elementen identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei eine Beschreibung dieser Elemente hier weggelassen wird. Wie in 7 gezeigt, unterscheidet sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform dadurch, daß eine Schalteinrichtung 32 drei Ausgänge aufweist und zwei Bandpaßfilter 24 in einer Parallelkonfiguration mit den Ausgangsanschlüssen 32c und 32d verbunden sind. Die Ausgangsenden der Bandpaßfilter 24 sind jeweils mit einem Koppler 36 verbunden.

Es folgt nun eine Operationsbeschreibung.

Das Bandpaßfilter 24a und das Bandpaßfilter 24b weisen Operationsfrequenzbänder auf, die die Resonanzfrequenzen F1 bzw. F2 enthalten, wie in den Bode-Diagrammen der 8 gezeigt ist. Mit anderen Worten, das Bandpaßfilter 24a und das Bandpaßfilter 24b sind Kompensatoren, die dem ersten Kegelmodus bzw. dem zweiten Kegelmodus zugewiesen sind. Ein Schalter 32s der Schalteinrichtung 32 wird somit mit dem Ausgangsanschluß 32c verbunden, wenn die Drehzahl z. B. zwischen 1.000 und 3.000 min–1 liegt. Der Schalter 32s wird mit dem Ausgangsanschluß 32d verbunden, wenn die Drehzahl in einem Bereich von 3.000 bis 6.500 min–1 liegt, während der Schalter 32s mit einem Ausgangsanschluß 32b verbunden wird, wenn die Drehzahl in den Bereichen von 0 bis 1.000 min–1 und ab 6.500 min–1 und darüber liegt. Die Schalteinrichtung 32 ist mit einem Kopplungsmechanismus versehen, um eine Fehloperation zu vermeiden, wodurch der Schalter 32s immer mit einem der Ausgangsanschlüsse verbunden ist. Die vorher erwähnte erste Ausführungsform verwendet einen einzelnen Kompensator, um sowohl den ersten als auch den zweiten Kegelmodusresonanzpunkt abzudecken, wobei in diesem Sinne die erste Ausführungsform eine Kompromißlösung bezüglich der Verbesserung der Steifigkeit darstellt. Im Gegensatz hierzu kann die zweite Ausführungsform eine optimale Verbesserung der Steifigkeit sowohl für den ersten als auch den zweiten Kegelmodusresonanzpunkt schaffen.

Obwohl das Bandpaßfilter 24a und das Bandpaßfilter 24b als Kompensatoren wirken, die dem ersten bzw. dem zweiten Resonanzpunkt zugewiesen sind, ist es möglich, mehrere Bandpaßfilter zu verwenden und diese so zu konfigurieren, daß sie eine solche Schaltung bilden, die insgesamt ein Operationsfrequenzband schafft, das den ersten und den zweiten Resonanzpunkt abdeckt. In diesem Fall wird die Schalteinrichtung 32 an mehreren Drehzahlpunkten umgeschaltet, die die Frequenzen unmittelbar unterhalb und oberhalb der ersten Kegelmodusresonanzfrequenz und der zweiten Kegelmodusresonanzfrequenz enthalten. Diese Umschaltpunkte können ferner z. B. Frequenzen enthalten, bei denen sich die Verstärkungsfaktorkennlinien der Bandpaßfilter schneiden.

Wie oben beschrieben worden ist, ist eine Konstruktion dieser Erfindung (Anspruch 1) so beschaffen, daß das erste Kompensationsmittel zwischen dem Verschiebungsberechnungsmittel und dem zweiten Kompensationsmittel vorgesehen ist. Folglich kann die Steifigkeit in einem Frequenzband verbessert werden, das wenigstens die erste Kegelmodusresonanzfrequenz und die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält. Diese Anordnung ermöglicht, sowohl die Kegelmodusresonanz als auch die Parallelmodusresonanz zu unterdrücken.

Eine weitere Konstruktion der Erfindung (Anspruch 2) ist so beschaffen, daß eine elektrische Verbindung zum Leiter oder zum ersten Kompensationsmittel in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors umgeschaltet wird. Dies ermöglicht, unerwünschte Konsequenzen, die aus der Kegelmodusresonanz entstehen, die nur in dem Frequenzband auftritt, das die erste Kegelmodusresonanzfrequenz und die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält, selektiv zu verhindern.

In einer weiteren Konstruktion der Erfindung (Anspruch 3) sind mehrere Kompensationsmittel parallel verbunden, wobei eine elektrische Verbindung zum Leiter oder zu einem der Kompensationsmittel in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors umgeschaltet wird. Dies ermöglicht, eine Steifigkeitskompensation zu schaffen, die für die erste Kegelmodusresonanzfrequenz und die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz am besten geeignet ist.

In einer weiteren Konstruktion der Erfindung (Anspruch 4) ist das Kompensationsmittel ein Bandpaßfilter, das die Steifigkeit in einem spezifischen Bereich innerhalb eines Frequenzbandes verbessert, das die erste Kegelmodusresonanzfrequenz F1, die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz F2 und eine dritte Frequenz F3 enthält. Es ist somit möglich, eine stabile Steifigkeitskompensation zu schaffen, die frei von solchen nachteiligen Einflüssen wie einer Phasenrückführung ist.


Anspruch[de]
  1. Magnetlagervorrichtung, die enthält:

    einen Radialpositionssensor (30) zum Messen der Position eines Rotors (2) in dessen Radialrichtung;

    ein erstes Kompensationsmittel (24) zum Verbessern der Steifigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kompensationsmittel (24) ein Frequenzband abdeckt, das wenigstens eine erste Kegelmodusresonanzfrequenz und eine zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält, und auf einen Ausgang des Radialpositionssensors anspricht;

    ein zweites Kompensationsmittel (32, 36) zum selektiven Übertragen oder Korrigieren eines Ausgangs des ersten Kompensationsmittels; und

    ein Mittel (13, 14) zum Bereitstellen eines Leistungsausgangs für einen radialen Elektromagneten (4) zum Bewegen des Rotors in seiner Radialrichtung auf der Grundlage des Ausgangs des zweiten Kompensationsmittels.
  2. Lagervorrichtung nach Anspruch 1, in der der Radialpositionssensor ein Verschiebungsberechnungsmittel (10) zum Verarbeiten einer vom Radialpositionssensor gemessenen Verschiebung enthält.
  3. Lagervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die einen Drehzahlsensor (7) zum Messen der Drehzahl des Rotors enthält, der mit dem zweiten Kompensationsmittel zu dessen Steuerung/Regelung verbunden ist.
  4. Lagervorrichtung nach Anspruch 3, in der das zweite Kompensationsmittel so konfiguriert ist, daß es für wenigstens einen der Bereiche der spezifischen Drehzahlen, die unterhalb und oberhalb des Frequenzbandes auftreten, das die erste Kegelmodusresonanzfrequenz und die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz enthält, das erste Kompensationsmittel umgeht.
  5. Lagervorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in der das zweite Kompensationsmittel eine Schalteinrichtung (32) umfaßt, die selektiv zwischen einem ersten Signalweg (34) und einem zweiten Signalweg, der das erste Kompensationsmittel (24) enthält, umschaltbar ist.
  6. Lagervorrichtung nach Anspruch 5, in der der erste und der zweite Signalweg mit einem Summierungsknoten (36) verbunden sind.
  7. Lagervorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in der das erste Kompensationsmittel ein Bandpaßfilter umfaßt.
  8. Lagervorrichtung nach Anspruch 5, in der das erste Kompensationsmittel mehrere individuelle Kompensationsmittel (24A, B) umfaßt, die jeweils individuell von der Schalteinrichtung ausgewählt werden können.
  9. Lagervorrichtung nach Anspruch 8, in der die individuellen Kompensationsmittel unterschiedliche Antwortfrequenzbänder aufweisen.
  10. Lagervorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in der das erste Kompensationsmittel ein Bandpaßfilter ist, das die Steifigkeit in einem spezifischen Bereich innerhalb eines Frequenzbandes verbessert, das die erste Kegelmodusresonanzfrequenz F1, die zweite Kegelmodusresonanzfrequenz F2 und eine dritte Frequenz F3 enthält.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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