Die Erfindung betrifft ein Magnetlager, bei dem der Luft- spaltdurch esser groß gegenüber der axialen Länge des Lager ist, bei dem der Rotor durch Permanentmagnete zumindest auf der Rotorseite radial passiv gelagert ist, bei dem die axia le Lage des Rotors durch eine Regeleinrichtung aktiv gere¬ gelt wird, und bei dem mehrere Sensoranordπungen zur Bestim mung der axialen Lage sowie RegelVerstärker und Wicklungen zur Ausübung von Kräften auf den Rotor verwendet sind.

Ein Magnetlager mit diesen Merkmalen ist aus der EU-Patent¬ anmeldung 49 300 bekannt. Dort wird ein Schwungring mit Hil¬ fe eines derartigen Magnetlagers gelagert. Gemäß dem einen Ausführungsbeispiel enthält der Schwungriπg an den axialen Oberflächen zwei Permanentmagnetringe. Mit diesen und mit Hilfe von Jochringen auf dem Rotor und Stator werden dort Magnetkreise gebildet, die axiale Luftspalte zwischen Rotor und Stator aufweisen. Hierdurch wird der Rotor radial sta¬ bilisiert. Der Rotor trägt drei seg entförmige Wicklungen. Die hierdurch erzeugten Magnetflüsse werden ebenfalls über die Luftspalte geleitet; damit sind sektorweise die auf den

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Rotor einwirkenden axialen Kräfte variierbar. Jeder der Wicklungen ist ein die axiale Lage des Rotors überwachender Sensor und ein nachgeschalteter Regel Verstärker zugeordnet.

Hiermit wird der Rotor in eine vorgegebene axiale Stellung gezwungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lagereigen-. Schäften eines solchen Magnetlagers mit im Vergleich zur radialen Ausdehnung geringer axialer Ausdehnung zu verbes- sern.

Dies wird erfindungsgeraäß dadurch erreicht, daß vier Sensor- aπordnungen auf zueinander senkrechten und zur Drehachse senkrecht stehenden Achsen und paarweise diametral zur Dreh- achse liegend angeordnet sind, daß drei RegelVerstärker vor¬ gesehen sind, von denen dem ersten und zweiten jeweils die Differenz der Seπsorsignale sich diametral gegenüberliegen¬ der Sensoranordnungeπ und dem dritten die Summe aller Seπ- sorausgangssignale zugeführt werden und daß die Ausgänge der drei Regel Verstärker, mit Wicklungen derart verbunden und diese derart angeordnet sind, daß bei Ansteuerung des ersten und zweiten Verstärkers auf den Rotor Rückstellmoraente um die zu der Achse,- auf der die zugehörigen Sensoranordnuπgen liegen, jeweils senkrecht liegenden Achse einwirken und daß bei Ansteuerung des dritten Verstärkers eine axiale Rück- stellkraft auf den Rotor einwirkt.

Bei der erf ndungsgemäßeπ Lösung wird somit nicht nur in axialer Richtung aktiv geregelt, sondern es werden zusätz- lieh Kippregler für zwei zueinander und zur Drehachse senk¬ rechte Achsen geschaffen. Ausgehend von vier Sensoranordnun¬ gen wird durch Verschaltung auf einen dreikanal igen Regler übergegangen, der dann wieder mindestens vier Wicklungen bedient.

Es genügt an sich vier Sensoren zu verwenden. Günstiger is es jedoch, jede Sensoranordnung aus einem Paar von axial gegeneinander versetzten und auf axiale Rotorbewegungen en gegengesetzt reagierenden Sensoren zu bilden, und deren Dif ferenzsignal als Sensorausgangssigπal zu verwenden.

Es sind verschiedene Anordnungen und Ansteuerungen der Wick lungen zur Erzeugung der geforderten Rückstellmomente und Kräfte möglich. Hierauf wird anhand der Ausführungsbeispiel näher eingegangen.

Bei dem erfindungsgemäßen Lager ist es durch Einkoppeln von Signalen in den ersten und zweiten RegelVerstärker möglich, den O-Punkt der Regelcharakteristik zu verschieben, d.h., in einem gewissen Rahmen die Drehachse bewußt schief zu stellen, was z.B. bei Lagerung eines Schwungrads für Raum¬ fahrzeuge von Interesse ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden die Eingangs Signale des ersten und zweiten RegelVerstärkers kreuzgekop¬ pelt, d.h., ein Anteil des Eingangssignals des einen Ver¬ stärkers wird dem Eingangssignal des anderen Verstärkers überlagert. Dies hat den Vorteil, daß ausreichende Stabili¬ tät bereits mit einfachen Reglern erreicht wird, da die um eine Achse erzeugten Momente eine Präzessions-Winkelge- schwindigkeit um die dazu senkrechte radiale Achse erzeugen Allerdings verschwindet dieser Effekt bei Stillstand.

Vorzugsweise wird diese Kreuzkopplung dazu drehzahlabhängig ausgebildet, d.h., mit steigender Drehzahl wird der kreuzge koppelte Anteil erhöht.

Anhand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung wird die Er¬ findung näher erläutert.

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Es zei gen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ansteue¬ rung für ein erfindungsgemäßes Magnetlagers, Fig. 2 ein möglicher Aufbau des Magnetlagers, das wie in Fig. 1 gezeigt geregelt wird,

Fig. 3 andere Ausführungsformen für das radiale pas¬ sive Lager, Fig. 4 andere Ausführungsformen für die Aufbringung von Momenten und Kräften, Fig. 5 eine andere Möglichkeit der Ansteuerung,

Fig. 6 eine Ausführungsform für den Aufbau des Lagers das gemäß Fig. 5 angesteuert werden kann.

In Fig. 1 sind vier Sensoranordπungen 1-4 vorgesehen, von ^' denen die Sensoranordnungen 1 und 2 auf einer Achse (x-Ach- se) senkrecht zur Drehachse (z-Achse) und diametral zur D-rehachse liegen und auf axiale Bewegungen in ihren Aus¬ gangssignalen in gleicher Weise reagieren. Entsprechend sind die Sensoranordnungen 3 und 4 auf der zur x- und z-Achse senkrechten y-Achse angeordnet. In Differenzverstärkern 5 und 6 werden aus den Ausgangssignalen der Anordnungen 1 und 2 bzw. 3 und 4 Differenzsignale gebildet, wobei eine Dif¬ ferenz auftritt, wenn der von den Seπsoranordnungen abge¬ tastete Rotor eine Kippbewegung um die jeweils senkrecht zur Achse, auf der die zusammengeschalteten Sensoranordnungen liegen, liegenden Achse erfolgt. Über RegelVerstärker 7 und 8, Inverter 9 und 10, Summierglieder 11 bis 14 und Leistungs verstärker 15 gelangen dann die Signale zu Wicklungen 16 bis 19; jede dieser Wicklungen 16 bis 19 ist einem der Sensor- anordnungeπ 1 bis 4 räumlich zugeordnet und erzeugt bei An¬ steuerung eine axiale Kraft auf den Rotor.

Alle 4 Sensoranordnungen 1 bis 4 sind auch an einen Summie verstärker 20 angeschaltet, dessen Ausgangssignal über ein RegelVerstärker 21 und die Summierverstärker 11 bis 14 sow die Leistungsverstärker 15 ebenfalls zu den Wicklungen 16 bis 19 gelangen.

Werden an den Klemmen 22 und 23 Gleichspannungssignale ein gekoppelt, so läßt sich der O-Punkt der Kippregler verstel len, sodaß es zu einer definierten Schiefstellung der Roto achse kommt.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Steuerschaltung läßt sich ein entsprechend Fig. 2 aufgebautes Magnetlager regeln. Fig. 2a zeigt eine perspektivische Ansicht und Fig. 2b eine Schnitt. -

Ein mit 31 bezeichneter Rotor des Lagers besteht aus einem radial magnet sierten Permanentmagnetring 32, an dessen Po¬ len sich zwei Polblechringe 33 und 34 anschließen. Diesem Rotor stehen axial versetzt zu beiden Seiten u-förmige Sta- torriπgsegmente 35 bis 38 bzw. 35' bis 38' aus magnetisch gut leitendem Material gegenüber; dabei ist die Ausbildung so getroffen, oaß die freien Schenkel des U gerade den Pol- blechringeπ 33 und 34 gegenüberstehen. Um diese Ringsegment -sind in U fangsrichtung Segment-Wicklungen 39 bis 42 bzw.39 bis 42' gewickelt. Die beiden Wicklungsgruppen werden von der in Fig. 1 dargestellten Steuereinrichtung, in Abhängig¬ keit von Abstandssignaleπ, die von Sensoranordnungen 43 bis 46 bzw. 43' bis 46' erzeugt werden, angesteuert. Dabei wird aus den Signalen je eines Sensorpaars z. B. 45 und 45' je¬ weils die Differnz gebildet; dieses Differenzsignal stellt das Ausgangssignal einer der Sensoranordnungen 1 bis 4 der Fig. 1 dar.

Die Luftspalte zwischen Rotor 1 und Stator sind mit 47 und 47' bzw. 48 und 48' bezeichnet.

Aus den Figuren 1 und 2 ergibt sich folgende Wirkungsweise.

Bei einer Kippung um die y-Achse erzeugen die Sensorpaare 45 und 45' sowie 43 und 43' und die diesen entsprechenden Sensoranordnungen 1 und 2 der Fig. 1 Ausgangssignale. Hier¬ durch werden die Wicklungen 16 und 17 entgegengesetzt ange- steuert und erzeugen ein Gegenkippmoraent. In Fig. 2 ent¬ sprechen der Wicklung 16 die hintereinander geschalteten Teilwickluπgen 41 und 41', die entgegengesetzt gewickelt sind und sich in der Wirkung unterstützen. Entsprechendes gilt für die Wicklung 17 und die TeilWicklungen 39 und 39'. Hier werden in den Luftspalten 47 und 47' die Flüsse des Permanentmagnetrings und der Elektroraagnete überlagert.

Entsprechend wird von dem andern Kippregler 8 eine Kippuπg um die x-Achse ausgeregelt.

Erfolgt dagegen eine axiale Verschiebung des Rotors so geben alle Sensoranordnungen 1 bis 4 gleiche Signale ab. Die Kipp¬ regler 7 und 8 erhalten kein Signal, dagegen der Regelver¬ stärker 21, der alle Wicklungen 16 bis 19 (und entsprechend 39 bis 42 bzw. 39' bis 42') ansteuert und eine Rückstell- kraft erzeugt.

Zu erwähnen sind noch die Kreuzkoppelleitungen 24 und 25, über die ein Anteil der Eingangssignale der RegelVerstärker 7 bzw. 8 in den jeweils anderen RegelVerstärker gekoppelt werden kann. Vorzugsweise steigen die Kreuzgekoppelten An¬ teile mit der Drehzahl an, was durch einen Verstärker mit verstellbarem Verstärkungsfaktor in jeder Kreuzkoppelleitung realisiert werden kann.

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In den Fig. 3a bis 3c sind andere Ausführungsbeispiele für eine mögliche passive Radial!agerung gezeigt, wobei hier jeweils ein Statorring 50 koaxial zu einem Rotorring 51 an geordnet ist und die radiale Lagerung durch einander ab- stoßende Magnetpole von Permanentmagneten erzielt wird.

Entsprechend zeigt Fig. 4a und 4b andere Ausführungsformen für das Aufbringen von Kräften auf den hier aus Weicheisen bestehenden Rotorring 60, an dem noch das rotorseitige Teil 61 des Radiallagers angedeutet ist. Die Elektro agnete 62 und 62' müssen hier allerdings alternativ angesteuert werden. Beide Lösungen erlauben eine relativ große Schräg- stellung des Rotors.

In der Fig. 5 entspricht die Verschaltung bis zum Ausgang der RegelVerstärker 7, 8 und 21 der der Fig. 1, weshalb gleiche Bezugszeichen benutzt sind. Die für die Kippregelun zuständigen RegelVerstärker 7 und 8 sind über Leistungsver¬ stärker 70 mit hintereinander geschalteten aber entgegenge- setzt gewickelten Wicklungen 72 und 73 bzw. 74 und 75 ver¬ bunden. Die Wicklungspaare 72 und 73 bzw. 74 und 75 sind wieder diametral zur Drehachse angeordnet.

Mit dem Ausgang des Reglers 21 ist eine gesonderte Wicklung 76 verbunden, die eine Axialkraft erzeugt, während die -Wick lungspaare 72 und 73 bzw. 74 und 75 Kippmomente erzeugen. Diese Verschaltung kann z.B. bei einem Magnetlager gemäß Fig. 6 verwendet werden. In Fig. 6a ist mit 80 ein Rotorrin bezeichnet, mit 81 ein Statorring und mit 82 ein passives Radiallager. In einem Luftspalt 83 des Rotorrings 80 wird mit Hilfe der Magnete 82a und 84 ein radiales Magnetfeld erzeugt, in dem eine statorseitig befestigte Ringspule 85 liegt und eine ebenfalls statorseitig befestigte Sektorwick lung 86 teilweise eintaucht. Die Fig. 6b zeigt, daß 4 Sekto Wicklungen 86 und eine Ringwicklung 85 vorgesehen sind.

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Wird die Ringwicklung 85, die der Wicklung 76 der Fig. 5 entsprechen kann, angesteuert, so wird eine axiale Kraft auf den Rotor 80 ausgeübt, deren Richtung von der Strom¬ richtung abhängt. Bei Ansteuerung der Wicklung 86 und ent- gegengesetzter Ansteuerung der diametral gegenüberl egenden Wicklung wird dagegen ein Moment um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse erzeugt, dessen Drehrichtung von der Strora richtung abhängig ist.

In Fig. 5 erfolgt schließlich noch je eine Rückkopplung 77 bis 79 auf die RegelVerstärker 7 und 8. Dadurch wird unab¬ hängig von den Spuleniπduktivitäten ein"stromsteuerndes" Verhalten erzielt, d.h. die Regler-Ausgangsspanπungen werde in proportionale Kräfte bzw. Kippmomente umgewandelt.