Magnetlager mit Drehfeld und Verfahren Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetlager mit einem Ständer, der Elektromagnete aufweist, einem Rotor, der sich mit einer Drehzahl in oder um den Ständer dreht, und einer Steuereinrichtung zum Ansteuern der Elektromagnete des Ständers derart, dass der Rotor im oder am Ständer magnetisch ge- lagert ist.

Bei herkömmlichen, radialen Magnetlagern, die keine permanenterregte Vormagnetisierung aufweisen, ist die Verwendung einer Drehstromwicklung zur Erzeugung einer stationären Vor- magnetisierung bekannt. Hierzu sei beispielsweise auf die

Druckschrift DE 23 58 527 AI verwiesen. Das dort vorgestellte aktive magnetische Lager ist mit einem Drehantrieb, bestehend aus Ständer und Rotor mit einem von Sensoren überwachten Luftspalt, ausgestattet. Einem von Ständerwicklungen durch Speisung mit Drehstrom erzeugten Drehfeld ist ein Steuerfeld überlagert, das von Wicklungen im Ständer durch die Ausgangsströme von Verstärkern erzeugt wird.

Darüber hinaus offenbart die Druckschrift EP 2 148 104 AI ein magnetisches Radiallager, das in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Elektromagnete aufweist. Die Elektromagnete weisen jeweils eine gemeinsame Spule zur Erzeugung einer Vormagneti ^¬ sierung und eines magnetischen, mehrphasigen Drehfelds auf. Erste und zweite Hälften der Spulen sind jeweils in einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Beide Sternpunkte sind zum An ^¬ schließen an eine Gleichstromversorgung zur Vormagnetisierungserregung vorgesehen. Die verbleibenden Spulenenden sind zum parallelen Anschließen an einem entsprechenden mehrphasigen Drehstromsteller zur Drehfelderregung vorgesehen.

Den bekannten Magnetlagern ist gemeinsam, dass das zugehörige, mehrpolige, magnetische Feld in Bezug auf die Umfangs- richtung feststeht. Für eine Positionierung des Rotors im Ständer kann dieses Vormagnetisierungsfeld durch ein magneti ^¬ sches Drehfeld überlagert werden, welches durch eine entspre ^¬ chende phasenverschobene Bestromung der Drehstromwicklung erzeugt wird. Es resultiert eine magnetische zweipolige Feld- welle, die in Bezug auf die Umfangsrichtung zur Lageregelung entsprechend verdreht werden kann.

Ein Problem bei Magnetlagern besteht darin, dass in einem schnell drehenden Rotorelement, das in oder von dem Magnetla- ger gelagert wird, starke Wirbelströme induziert werden. Da ^¬ durch werden Verluste erhöht und es kommt zu einer Erwärmung des Rotorelements.

Ist das Magnetlager beispielsweise zur Lagerung eines Ro- tors/Läufers einer elektrischen Maschine (insbesondere Motor oder Generator) vorgesehen, so werden bei hohen Drehzahlen des Rotors der elektrischen Maschine durch die magnetische Lagerung derselben starke Wirbelströme in das Rotorwellenende induziert. Ursache hierfür ist die hohe Relativgeschwindig- keit zwischen der feststehenden Vormagnetisierung und dem quasi feststehenden magnetischen Drehfeld.

FIG 1 zeigt beispielhaft eine relative Anzugskraft F _A /FAmax einer linearen Wirbelstrombremse eines ICE 3. Die Anzugskraft ist diejenige magnetische Kraft, die den Zug durch die Wir ^¬ belstrombremse nach unten zur Schiene zieht. Dabei entspricht F _A der aktuellen, geschwindigkeitsabhängigen Anzugskraft und FAmax der maximalen Anzugskraft. Aus Kurve 1 ist zu erkennen, dass die Anzugskraft mit steigender Geschwindigkeit deutlich abnimmt.

In FIG 1 ist außerdem die relative Bremskraft F _B /F _B max gra ^¬ fisch mit der Kurve 2 dargestellt. Dabei bedeutet wiederum F _B die geschwindigkeitsabhängige Bremskraft und F _Bmax die maxima- le Bremskraft. Die relative Bremskraft steigt zunächst bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/h deutlich an und fällt dann langsam ab. Die Grafik verdeutlicht, dass eine Wirbel ^¬ strombremse erst bei einer bestimmten Geschwindigkeit maxima- le Wirkung entfaltet, sie zeigt aber auch, dass bei hohen Re ^¬ lativgeschwindigkeiten die Bremskraft und die Anzugskraft nachlässt . Bei radialen Magnetlagern kommt es, wie erwähnt, zu starken Wirbelströmen am drehenden Rotorelement, z.B. am Wellenende. Zur Verringerung dieser Verluste und des damit verbundenen, nicht unerheblichen Wärmeeintrags in das Wellenende wird bis ^¬ lang beispielsweise das Wellenende axial, ringförmig be- blecht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Wirbelstromverluste bei einem radialen Magnetlager zu redu ^¬ zieren. Es soll ein entsprechendes Magnetlager und ein Ver- fahren zum magnetischen Lagern bereitgestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Magnetla ^¬ ger mit

einem Ständer, der Elektromagnete aufweist,

- einem Rotor, der sich mit einer Drehzahl in oder um den Ständer dreht, und

einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Elektromagnete des Ständers derart, dass der Rotor im oder am Ständer magnetisch gelagert ist, wobei

- die Elektromagnete des Ständers mit der Steuereinrichtung derart ansteuerbar sind, dass sich ein von ihnen erzeugtes Magnetfeld mit einer im Wesentlichen gleichen Drehzahl dreht wie der Rotor. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Ver ^¬ fahren zum magnetischen Lagern eines Rotors in einem Ständer, der Elektromagnete aufweist, wobei

die Elektromagnete so angesteuert werden, dass sich ein von ihnen erzeugtes Magnetfeld im Wesentlichen mit der gleichen Drehzahl dreht wie der Rotor.

In vorteilhafter Weise dreht sich das von den Elektromagneten des Ständers erzeugte Magnetfeld mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor. D.h. die Drehzahl von Drehfeld und Rotor sind synchronisiert. Dies hat zur Folge, dass in dem Rotor weniger starke beziehungsweise keine Wirbelströme mehr induziert wer ^¬ den. Folglich entstehen weniger Verluste und das Rotorelement bzw. Wellenende wird weniger erwärmt.

In einer Ausführungsform kann das Magnetlager einen Drehgeber aufweisen, mit dem für die Steuereinrichtung die Drehzahl des Rotors ermittelbar ist. Damit lässt sich die Drehzahl des magnetischen Drehfelds so steuern, dass sie der Drehzahl des Rotors entspricht.

Alternativ kann das Magnetlager auch eine Messeinrichtung aufweisen, um einen magnetischen Kopplungswert zwischen Stän- der und Rotor zu messen, anhand dessen mit der Steuereinrichtung eine Relativgeschwindigkeit zwischen Ständer und Rotor reduzierbar ist. Damit ist es nicht notwendig, dass die Dreh ^¬ zahl des Rotors explizit bekannt ist. Vielmehr wird die Rela ^¬ tivgeschwindigkeit zwischen Drehfeld und Rotor dazu genutzt, um die Drehgeschwindigkeit des Drehfelds entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Rotors zu regeln.

In einer Ausführungsform kann der Rotor gezahnt ausgeführt sein, sodass an der Oberfläche des Rotors Kühlkanäle beste- hen. Dies hat den Vorteil, dass der Rotor bzw. das Rotorele ^¬ ment besser gekühlt werden kann gegenüber einem Rotor mit glatter Oberfläche. Die Zahnung mit axial verlaufenden Zähnen ist möglich, da im Rotor keine oder nur geringe Wirbelströme induziert werden.

Darüber hinaus können die Spulen der Elektromagnete des Sta ^¬ tors an mindestens einem Sternpunkt verschaltet sein, und der mindestens eine Sternpunkt kann für eine Regelung einer Posi ^¬ tion des Rotors an die Steuereinrichtung zurückgekoppelt sein. Damit können eventuelle Unsymmetrien des Magnetlagers für eine Antriebs- oder Bremsfunktion ausgenutzt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können einige der Elekt- romagnete des Ständers zur Kompensation der Gewichtskraft des Rotors und andere der Elektromagnete des Ständers zur Positi ^¬ onierung des Rotors dienen. Damit ist es möglich, die Elekt- romagnete bzw. deren Steuerung für die Positionierung des Rotors unabhängig von der Gewichtskraft zu gestalten.

Insbesondere ist es möglich, die Elektromagnete des Ständers für die Kompensation der Gewichtskraft an einen ersten Strom- richter und die Elektromagnete des Ständers für die Positio ^¬ nierung des Rotors an einen zweiten Stromrichter anzuschließen, wobei der zweite Stromrichter eine höhere Regelgenauig ^¬ keit besitzt als der erste Stromrichter. Dies hat den Vor ^¬ teil, dass für die Kompensation der Gewichtskraft ein einfa- cherer Stromrichter eingesetzt werden kann, wohingegen für die Positionierung des Rotors ein sehr präzise geregelter Stromrichter eingesetzt werden kann. Letzterer sorgt dann beispielsweise bei elektrischen Maschinen für geringe Luft ^¬ spalttoleranzen.

Das Magnetlager kann auch mit einem Fanglager ausgestattet sein, mit dem der Rotor in oder an dem Stator mechanisch zentrierbar ist. Ein derartiges Fanglager ist beispielsweise als lockeres Kugel- oder Gleitlager realisiert. Es stellt ei- ne Lagerung des Rotors auch bei Stromausfällen oder Ausfällen der Steuerung sicher.

In einer weiteren Ausführungsform wirkt das Magnetfeld der Elektromagnete des Magnetlagers am gesamten Umfang auf den Rotor. Prinzipiell ist es aber auch möglich, dass das Magnet ^¬ lager auch nur segmentartig ausgeführt ist und dabei nur seg ^¬ mentweise auf den Rotor wirkt. Ein Magnetfeld am gesamten Um ^¬ fang hat aber den Vorteil, dass der Rotor präziser gelagert werden kann.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen: FIG 1 Kennlinien der Anzugskraft und der Bremskraft einer linearen Wirbelstrombremse;

FIG 2 einen Querschnitt durch ein radiales Magnetlager mit erfindungsgemäßem Drehfeld und

FIG 3 ein Schaltungsdiagramm für die Ansteuerung eines

Magnetlagers .

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin- dung dar.

Der Querschnitt von FIG 2 gibt beispielhaft ein magnetisches Radiallager wieder. Der Stator 3 ist beispielsweise als Dreh- feldmaschinenstator ausgebildet und ist vorzugsweise aus ei- nem Blechpaket mit einer Vielzahl von axial hintereinander angeordneten Dynamoblechen zur Reduzierung der beim Betrieb des Magnetlagers auftretenden Wirbelstromverluste gefertigt. Das gezeigte magnetische Radiallager weist beispielhaft zwölf Statornuten 4 auf, in welche eine beispielsweise dreiphasige Statorwicklung mit den Spulen L1U, L2U, L1V, L2V, L1W und L2W eingebracht ist, welche den Phasen U, V und W zugeordnet sind .

Die Bewicklung der Nuten 4 erfolgt zum Einstellen einer Pol- paarzahl p beispielsweise gesehnt. Mit „gesehnter" Stator ^¬ wicklung bzw. Drehstromwicklung ist gemeint, dass zwei oder mehrere Phasenstränge einer Spule zusammen mit anderen Pha ^¬ sensträngen in einer gemeinsamen Nut eingebracht sein können. Zwischen den Nuten 4 befinden sich die nur schematisch eingezeichneten Statorzähne 5. Gegebenenfalls sind diese auch mit Permanentmagneten versehen. Im Zentrum des Magnetlagers befindet sich der Rotor 6, z. B. eine Rotorwelle. Diese dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit (Oweiie um die Achse 7 des Magnetlagers. Zwischen dem Rotor 6 und der Innenseite des

Stators 3 befindet sich ein Luftspalt 8. Dieser beträgt bei magnetischer Lagerung typischerweise ca. 0,3 mm bis 0,5 mm. In dem Luftspalt 8 sind hier symbolisch die Pole des Stators 3 eingezeichnet. Am Umfang wechseln sich Nordpole N und Süd ^¬ pole S ab.

Das magnetische Radiallager weist beispielsweise eine drei- phasige Drehstromwicklung mit einer Lochzahl q = 2/5 auf.

Diese resultiert aus der Anzahl der Nuten pro Pol und Strang.

Für eine Vormagnetisierung des Magnetlagers werden beispiels ^¬ weise zwölf Permanentmagnete verwendet, welche ein Permanent- magnetfeld mit einer Polpaarzahl pvormag von sechs erzeugen.

Die Vormagnetisierung ist statisch, d.h. o _VO rmag = 0. Die drei ^¬ phasige Drehstromwicklung mit gesehnter Verteilung der jeweiligen Phasenstränge LU, LV, LW besitzt beispielsweise eine Polpaarzahl Pürehfeici = 5. Das Drehfeld besitzt eine Winkelge- schwindigkeit <> _Dr ehfeic die in etwa der Winkelgeschwindigkeit G) _W eiie des Rotors 6 bzw. der Welle entspricht, was unten näher erläutert werden wird. Bei einer dreiphasigen Erregung der Drehstromwicklung mittels eines dreiphasigen Drehstromstellers wird somit ein in seiner Drehrichtung um die Drehachse 7 drehbares, zehnpoliges Magnetfeld erzeugt.

FIG 3 zeigt ein Beispiel einer Ansteuerschaltung für das magnetische Radiallager. Im linken Teil von FIG 3 ist ein Drehstromsteller 10 in Form eines Umrichters und auf der rechten Seite das angeschlossene magnetische Radiallager 9 darge ^¬ stellt. In dieser schaltungstechnischen Darstellung ist auch die Verschaltung der sechs Spulen L1U, L2U; L1V, L2V; L1W, L2W in zwei Sternpunkten Sl, S2 zu erkennen. Im vorliegenden Beispiel ist der als Steuereinrichtung dienende Drehstromsteller 10 ein Umrichter mit einem eingangs- seitigen Zwischenkreis 11 und einer nachgeschalteten Wechselrichtereinheit 12 in einer so genannten Vollbrückenschaltung . Diese besitzt in üblicherweise getaktet ansteuerbare Schalt- mittel 14, insbesondere Leistungstransistoren, und Freilauf ^¬ dioden 15. Zur Prüfung einer eingangsseitig anliegenden Eingangsgleichspannung Ue ist ein Zwischenkreiskondensator 13 vorgesehen. In bekannter Weise sind die Ausgänge der Wechsel- richtereinrichtung 12 mit entsprechenden Phasenanschlüssen 91, 92, 93 des Radiallagers 9 verbunden. Diese Phasenan ^¬ schlüsse sind ihrerseits mit den Spulen L1U, L2U; L1V, L2V; L1W, L2W verbunden.

Von dem Zwischenkreis 11 des Drehstromstellers 10 wird ein Vormagnetisierungsstrom iO bereitgestellt. Dieser wird über Vormagnetisierungsanschlüsse 94, 95 in das Radiallager 9 ein ^¬ gespeist. Dies bedeutet, dass hier der Zwischenkreis 11 die Funktion der Gleichstromversorgung zur Erregung der Vormagnetisierung im magnetischen Radiallager 9 aufweist. Dem Zwischenkreis 11 ist beispielhaft eine Gleichrichtereinheit 16 vorgeschaltet, welche aus einer Eingangswechselspannung Un, wie z. B. einer Netzspannung von 230 V, eine gleichgerichtete Eingangsgleichspannung Ue für den Zwischenkreis 11 bereitstellt. Die Eingangswechselspannung Un wird an Netzanschlüs ^¬ sen 18, 19 bereitgestellt.

Die Gleichstromversorgung besitzt hier ein getaktetes Schalt- mittel 17, insbesondere einen Chopper, zum Einstellen des Vormagnetisierungsstroms iO. Dem Schaltmittel 17 ist eine Freilaufdiode 15 parallel geschaltet. Dadurch ist bei ent ^¬ sprechend getakteter Ansteuerung des Schaltmittels 17 ein faktisch stufenloser Vormagnetisierungsstrom iO einstellbar. Auf diese Weise können z. B. die Dämpfungseigenschaften des magnetischen Radiallagers eingestellt werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Wirbelstromverluste in dem radialen Magnetlager zu reduzieren. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß das magnetische Drehfeld mit der Drehzahl der Rotorwelle 6 synchronisiert, d.h. G) _D rehfeici ist (etwa) gleich (Oweiie · Hierzu wird die Drehstromwicklung L1U bis L2W derart bestromt, dass - von einem Beobachter auf dem Rotorwellenende betrachtet - sich die an der Innenseite des Magnetlagerständers ausbildenden magnetischen Pole in ihrer Position nicht ändern. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Rotorwelle 6 und dem magnetischen Drehfeld beträgt dann null. Dadurch werden auch keine Wirbelströme im Wellenende indu ^¬ ziert .

Zur Synchronisation kann ein Drehgebersignal der Rotorwelle 6 oder ein von der Relativgeschwindigkeit abhängiger magneti ^¬ scher Kopplungswert der Drehstromwicklung herangezogen werden. Beispielsweise wird ein Induktionswert in den Spulen ge ^¬ messen, und für den Fall, dass dieser minimal ist, ist das Drehfeld mit der Welle synchronisiert.

Für den Fall, dass eine vollkommene Synchronisation der Drehzahl des Rotorelements mit der Drehfrequenz des Felds nicht realisierbar ist, ergeben sich auch dann Vorteile, wenn die Differenz zwischen Rotordrehzahl und „Felddrehzahl" reduziert wird, da dadurch auch die Wirbelströme reduziert werden. Ein Beleg dafür ist die Kennlinie 1 der Anzugskraft einer Wirbel ^¬ strombremse gemäß FIG 1.

Ist die „Felddrehzahl" des Magnetlagers mit der Rotordrehzahl synchronisiert, so kann das Rotorelement (z.B. die gelagerte Welle) des Magnetlagers gezahnt ausgeführt werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass dadurch die Trägheit des Rotors wegen des reduzierten Materialeinsatzes vermindert wird. Ein weiterer besonderer Vorteil liegt darin, dass durch die Zah- nung Nuten entstehen, die Kühlkanäle zur Kühlung des Magnetlagers und/oder der magnetisch gelagerten elektrischen Maschine bilden.

In FIG 3 ist dargestellt, dass die Sternpunkte Sl und S2 an den Drehstromsteller 10 unsymmetrisch rückgeführt sind. Die entsprechenden Unsymmetrien können mithilfe des Schaltmittels 17 (z.B. schaltbarer Leistungshalbleiter) geregelt werden. Durch die Rückführung eines oder beider Sternpunkte können Unsymmetrien zur Positionsregelung genutzt werden. Eine Syn- chronmaschine ist dann sowohl als Magnetlager wie auch als Motor betreibbar. Ein Magnetlager ist derart ausbildbar, dass eine erste Anzahl von Wicklungen zur Ausbildung eines magnetischen Felds vorgesehen ist, welches beispielsweise Gewichtskräfte der gelager ^¬ ten Welle aufnimmt. Eine zweite Anzahl von Wicklungen ist für eine mittige Positionierung des Rotors vorgesehen. Mit dieser zweiten Anzahl von Wicklungen kann ein Regelkreis ausgebildet werden, welcher gewährleistet, dass der Rotor in einer mittigen Position gehalten wird. Vorteilhaft ist ein erster Stromrichter für die erste Anzahl von Wicklungen vorgesehen und ein zweiter Stromrichter für die zweite Anzahl von Wicklungen, wobei der zweite Stromrichter eine höhere Regelgenauig ^¬ keit aufweist als der erste Stromrichter. Damit lässt sich eine sehr exakte Positionierung der Welle in dem Magnetlager realisieren .

In einer alternativen Ausgestaltung kann auch ein Fanglager als Mittel zur Zentrierung verwendet werden. Das Fanglager muss dabei im Nennbetrieb nicht mehr die gesamte Last tragen, sondern ist lediglich für eine mittige Ausrichtung des Rotors insbesondere auch bei Stromausfällen zuständig.

Das Magnetfeld ist also vorteilhaft mit einer Drehgeschwin ^¬ digkeit der Welle synchronisiert, sodass der Ausbildung von Wirbelströmen entgegengewirkt wird. Das Magnetfeld kann aber auch (z.B. zeitweise) stationär sein, falls die Wirbelstromverluste durch geringe Drehgeschwindigkeiten der Welle nicht zu groß sind. Für den Fall, dass das Magnetfeld (Drehfeld) nicht exakt auf die Drehgeschwindigkeit der Welle synchroni ^¬ siert ist, ergeben sich bereits aus der geringen Differenz- drehzahl zwischen Drehfeld und Wellendrehzahl geringere Wirbelstromverluste .

In einer Ausgestaltung des Magnetlagers wirkt ein Magnetfeld in einer gesamten Umfangsrichtung der Welle auf diese Welle.

Bei einer alternativen Ausgestaltung des Magnetlagers wirkt das Magnetfeld nur in zumindest einem Segmentabschnitt des Umfangs auf die Welle. Beispielsweise zieht das Magnetlager den Rotor nur mit einem Segment nach oben.