Verfahren zum Kompensieren einer niederfrequenten Stör-Kraft eines Rotors mit aktiven Magnetlagern, aktives Magnetlager mit Kompensations-Regel-Kreis zur Durchführung des Kompensierens und Verwendung des Magnetlagers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kompensieren einer niederfrequenten mechanischen Stör-Schwingung, die in einem Rotor mit mindestens einem aktiven Magnetlager (magnetgelagerter Rotor) auftritt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein aktives Magnetlager mit Kompensations-Regel-Kreis zur Durchführung des Kompensierens. Darüber hinaus wird eine Verwendung des aktiven Magnetlagers angegeben.

Ein aktives Magnetlager (AMB) wird beispielsweise bei einem Turboverdichter eingesetzt. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Turboverdichtern und der besonderen Eigenschaften der Magnetlager kann es zu folgendem Problem kommen: Je nach aerodynamischer Auslegung des Turboverdichters können in seinem spezifizierten Betriebsbereich durch aerodynamische Phänomene Störkräfte auf den Rotor ausgeübt werden, die inakzeptabel starke mechanische Schwingungen (Schwingungen mit hohen Schwingungs-Amplituden) zur Folge haben. Zum Schutz des Turboverdichters vor Beschädigung wird bei unzulässig starken mechanischen Schwingungen der Turboverdichter abgeschaltet.

Magnetlager weisen eine im Vergleich zu ölgeschmierten Lagern niedrigere Lagersteifigkeit auf. Eine relativ niedrige Lager- Steifigkeit begünstigt das Auftreten mechanischer Schwingungen mit hohen Schwingungs-Amplituden. Dies trifft insbesondere bei Stör-Kräften mit niedriger Stör-Frequenz (Anregungs- Frequenz) zu. So erfüllt zum Beispiel das bekannte Strömungs- Phänomen "rotating diffuser stall" die zuvor beschriebenen Bedingungen und kann bei Turboverdichtern mit Magnetlagern zu mechanischen Schwingungen mit unzulässig hohen Amplituden führen . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie das Auftreten unzulässig starker mechanischer Schwingungen in einem aktiven Magnetlager unterdrückt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Kompensieren mindestens einer niederfrequenten mechanischen Stör- Schwingung angegeben, die in einem Rotor eines aktiven Magnetlagers durch Einwirken einer Stör-Kraft auf den Rotor verursacht wird. Die mechanische Stör-Schwingung weist eine Stör-Schwingungs-Frequenz von unter 100 Hz. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

a) Analysieren der niederfrequenten mechanischen Stör- Schwingung, die zu einem Stör-Kraft-Analyse-Ergebnis führt, b) Bestimmen einer Kompensations-Kraft auf der Grundlage des Stör-Kraft-Analyse-Ergebnisses zum Erzeugen einer der mechanischen Stör-Schwingung entgegenwirkenden mechanischen Kompensations-Kraft im Rotor und

c) Erzeugen der der mechanischen Stör-Schwingung entgegenwirkenden mechanischen Kompensations-Schwingung im Rotor durch Einbringen der Kompensations-Kraft in den Rotor, wobei die Verfahrensschritte a) , b) und c) mit Hilfe mindestens eines von einem Magnetlager-Regel-Kreis zum Regeln des aktiven Magnetlagers entkoppelten Kompensations-Regel-Kreises des aktiven Magnetlagers durchgeführt werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein aktives Magnetlager mit einem Rotor, mindestens einem Magnetlager-Regel-Kreis zum Regeln des aktiven Magnetlagers und mindestens einem vom Magnetlager-Regel-Kreis entkoppelten Kompensations-Regel-Kreis zur Kompensation mindestens einer niederfrequenten mechanischen Stör-Schwingung angegeben. Die mechanische Stör- Schwingung kann in dem Rotor des aktiven Magnetlagers durch Einwirken einer Stör-Kraft auf den Rotor verursacht werden. Dabei weist die mechanische Stör-Schwingung eine Stör- Frequenz auf, die unterhalb der Dreh-Frequenz des Rotors liegt . Mit Hilfe des Kompensations-Regel-Kreises wird die Amplitude der durch die Stör-Kraft im Rotor (Welle) hervorgerufenen mechanischen Stör-Schwingung reduziert. Dabei kann die mechanische Stör-Schwingung teilweise oder nahezu komplett ausge- löscht werden.

Eine maximale Amplitude Α(ω _χ ) der Stör-Schwingung mit der Stör-Frequenz ω _χ wird auf einen Wert unterhalb eines zulässigen Grenzwertes reduziert.

Beispielsweise ist die Stör-Kraft eine von außen einwirkende, aerodynamische Stör-Kraft. Bei einer solchen aerodynamischen Stör-Kraft handelt es sich um eine niederfrequente äußere Störung im Sinn einer "erzwungenen Schwingung" . Die aerodyna- mische Stör-Kraft wirkt auf das Rotor/Lager-System und bewirkt im Rotor die mechanische Stör-Schwingung. Zur Kompensation dieser niederfrequenten Störung wird vorgeschlagen, über eine vom Magnetlager-Regel-Kreis unabhängige zusätzliche An- steuerung des Magnetlagers Kompensations-Kräfte auf den Rotor aufzubringen, die den Stör-Kräften gezielt entgegenwirken und somit das Auftreten großer Schwingungs-Amplituden im Rotor verhindern. Für das gezielte Aufschalten der Kompensations- Kräfte wird ein geeigneter Algorithmus verwendet, der diese Kompensations-Kräfte nach Betrag, Phasenlage und Frequenz so berechnet, dass die Schwingungs-Amplituden im betreffenden Frequenzbereich reduziert werden.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, für das Kompensieren bzw. das Dämpfen der Stör-Schwingung nicht den Magnetlager-Regel-Kreis, sondern einen separaten Kompensations-Regel-Kreis zu verwenden. Magnetlager-Regel-Kreis und Kompensations-Regel-Kreis sind voneinander entkoppelt, d.h. getrennt (separiert) . Durch diese Trennung lässt sich eine nachteilige Auswirkung einer Kompensation der Stör-Schwingung reduzieren, ohne die Eigenschaften des Magnetlager-Regel- Kreises nachteilig zu beeinflussen. Die Trennung bzw. Entkopplung von Magnetlager-Regel-Kreis und Kompensations-Regel-Kreis bedeutet dabei, dass durchaus vorhandene Elemente des Magnetlager-Regel-Kreises, z.B. Sensoren, Verstärker oder Aktoren und deren Ausgangsgrößen für den Kompensations-Regel-Kreis benutzt werden können.

Die Eigenschaften der Magnetlagerung tragen bei vorhandenen niederfrequenten Stör-Kräften maßgeblich zum Auftreten hoher (Wellen- ) Schwingungen bei. Diese Eigenschaften der Magnetla- gerung wiederum werden im Wesentlichen von der Auslegung des Magnetlager-Regel-Kreises bestimmt sowie von Dynamikeigenschaften verwendeter Hardware-Komponenten.

Bei der Auslegung des Magnetlager-Regel-Kreises muss für ein insgesamt akzeptables Verhalten des Gesamtsystems gesorgt werden. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf Eigenschaften des Magnetlagers, u.a. eine Lagersteifigkeit des Magnetlager, im Dreh-Frequenzbereich von ca. 100 Hz bis ca. 1000 Hz, so dass eine alleinige Optimierung des Magnetlager-Regel-Kreises hinsichtlich maximaler Lagersteifigkeit im Stör- Frequenzbereich von ca. 1 Hz bis ca. 50 Hz nicht sinnvoll wäre .

Zur Optimierung der Auslegung des Magnetlager-Regel-Kreises werden häufig sogenannte Filterbausteine mit dem Ziel eingesetzt, in einem relativ engen Frequenzbereich eine Verstärkung eines elektrischen Regel-Kreis-Signals anzuheben oder abzusenken. Da sich aber durch Einbau von Filterbausteinen in einem Magnetlager-Regel-Kreis neben der Verstärkung bzw. Ab- Schwächung eines Signals auch dessen Phasenlage ändert, haben derartige Filterbausteine nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten im Hinblick auf das Erreichen eines insgesamt akzeptablen Verhaltens des Gesamtsystems. Mit der Erfindung kann auf den Einsatz von Filterbausteinen für den Magnetlager-Regel-Kreis zur Optimierung der Auslegung des Magnetlager-Regel-Kreises zumindest zum Teil verzichtet werden. Es bietet sich an, das Verfahren während eines Betriebs des magnetischen Lagers in regelmäßigen zeitlichen Abständen oder auch ständig zu wiederholen bzw. durchzuführen. Durch das wiederholte bzw. ständige Durchführen des Verfahrens ist ge- währleistet, dass unerwünscht starke mechanische Stör- Schwingungen im Rotor mit magnetischen Lagern während des Betriebs nicht auftreten. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung werden daher die Verfahrensschritte a) und b) während einer Betriebsphase des Magnetlagers wiederholt durchgeführt.

Das Analysieren der niederfrequenten mechanischen Stör- Schwingung, das Bestimmen einer Kompensations-Kraft sowie das Erzeugen und Einbringen der der mechanischen Stör-Schwingung entgegenwirkenden mechanischen (bzw. elektromagnetischen) Kompensations-Kraft können prinzipiell mit Hilfe eines gemeinsamen Algorithmus durchgeführt werden. Vorteilhalft ist es aber, diese einzelnen Verfahrensschritte getrennt voneinander zu bearbeiten. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung werden daher die Verfahrensschritte a) , b) und/oder c) mit Hilfe unterschiedlicher Algorithmen durchgeführt. Denkbar ist auch, einen Algorithmus mit verschiedenen Teilen zur Bearbeitung der Verfahrensschritte a) , b) und/oder c) einzusetzen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird zum Analysieren der niederfrequenten Stör-Schwingung eine Frequenz-Analyse eines Zeitsignals einer Rotor-Auslenkung des Rotors durchgeführt. Die Frequenz-Analyse erfolgt insbesondere mit Hilfe von FFT (Fast Fourier Transformation) . Mit Hilfe des Verfahrens wird niederfrequente Stör-Schwingung kompensiert bzw. gedämpft. Dabei ist es grundsätzlich möglich, ein weites Frequenz-Spektrum abzudecken. Vorzugsweise wird die Frequenzanalyse für ein Frequenz-Spektrum (Frequenz- Band) aus dem Frequenz-Bereich von 1 Hz bis 50 Hz und insbe- sondere aus dem Frequenz-Bereich von 1 Hz bis 30 Hz und nochmals insbesondere aus dem Frequenz-Bereich von 1 Hz bis 20 Hz durchgeführt. Stör-Schwingungen gerade aus diesen Frequenz- Bereichen können sehr hohe, nicht akzeptable Schwingungs- Amplituden hervorrufen. Mit der Erfindung werden solche hohen Schwingungs-Amplituden reduziert .

Für das Analysieren der Stör-Schwingung können verschiedene Schwingungs-Parameter der Stör-Schwingung sowie unterschiedliche Auswertungen der Schwingungs-Parameter herangezogen bzw. durchgeführt werden. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung werden zum Analysieren der niederfrequenten Stör- Schwingung ein Ermitteln einer Stör-Amplitude A _p der Stör- Schwingung und ein Vergleichen der ermittelten Stör-Amplitude A _p und einer vorbestimmten Grenz-Amplitude Ai _im durchgeführt. Die Amplituden entsprechen zum Beispiel einer radialen Auslenkung, des Rotors. Die radiale Auslenkung beträgt beispielsweise wenige ym.

Durch das Vergleichen der ermittelten Stör-Amplitude A _p und der vorbestimmten Grenz-Amplitude Aii _m miteinander wird insbesondere festgestellt, ob die Stör-Amplitude A _p kleiner, gleich oder größer als die vorbestimmte Grenz-Amplitude An _m ist. Das Vergleichen erfolgt beispielsweise durch Quotienten- Bildung aus der Stör-Amplitude A _p und der vorbestimmten

Grenz-Amplitude An _m .

Für den Fall, dass die Stör-Amplitude A _p gleich oder größer als die vorbestimmte Grenz-Amplitude Ai _im ist, wird eine Ermittlung einer Phasenlage φ _Ρ der Stör-Schwingung durchgeführt. Die ermittelte Phasenlage φ _Ρ und/oder die Stör- Amplitude A _p sowie die Stör-Frequenz ω _χ der Stör-Schwingung werden als Eingangsgrößen für den Kompensations-Regel-Kreis verwendet. Phasenlage φ _Ρ und/oder die Stör-Amplitude A _p werden zum Bestimmen der Kompensations-Kraft bzw. der Kompensations-Schwingung verwendet.

Das aktive Magnetlager kann in vielen Bereichen der Technik eingesetzt werden, und zwar insbesondere dort, wo eine schwingungsfreie Lagerung von empfindlichen Komponenten notwendig ist. Beispiele hierfür sind Magnet gelagerte Turboma- schinen, Ventilatoren, Kältemaschinen, Vakuumpumpen und Werkzeugspindeln .

Insbesondere findet das aktive Magnetlager in Turboverdich- tern Anwendung. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird daher eine Verwendung des aktiven Magnetlagers in einem Turboverdichter (Turbokompressor) angegeben, wobei ein Rotor des Turboverdichters mit Hilfe des aktiven Magnetlagers gelagert wird.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figur wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.

Die Figur zeigt schematisch ein aktives Magnetlager mit zu- geordneten Regel-Kreisen.

Gegeben ist ein aktives Magnetlager 1 eines Turboverdichters. Das aktive Magnetlager 1 weist einen Rotor 11 sowie einen geschlossenen Magnetlager-Regel-Kreis 12 zum Regeln des aktiven Magnetlagers 1 auf.

Daneben ist ein vom Magnetlager-Regel-Kreis 12 entkoppelter Kompensations-Regel-Kreis 14 zur Kompensation einer niederfrequenten mechanischen Stör-Schwingung vorhanden, die in dem Rotor 11 des aktiven Magnetlagers 1 durch Einwirken einer

Stör-Kraft 103 auf den Rotor 11 verursacht werden kann. Die mechanische Stör-Schwingung weist eine Stör-Frequenz unterhalb der Dreh-Frequenz des Rotors 11 auf. Mit Hilfe des Stators (angedeutet durch den Elektromagneten 13) bildet sich das Magnetlager 1 aus. Der Rotor 11 wird mit Hilfe des Magnetlagers 1 im Stator 13 berührungslos gelagert (magnetgelagerter Rotor) . Eine Regelung der berührungslosen Lagerung erfolgt durch den Magnetlager-Regel-Kreis 12. Kompo- nenten des Magnetlager-Regel-Kreises 12 sind u.a. ein so genannter Displacement-Sensor (Positions-Sensor, Weg-Sensor) 121, der eine Lage-Änderung des Rotors 11 erfasst, sowie eine Kontroll-Einheit (Controller) 122 und ein Signalverstärker (Power amplifier) 123.

Im Betrieb des Magnetlagers 1 wirken auf den Rotor 11 ver- schiedene Kräfte. Diese Kräfte sind u.a. Gravitations-Kraft

101 und elektromagnetische Kraft 102. Gravitations-Kraft 101 und elektromagnetische Kraft 102 sind gemäß der Figur einander entgegen gerichtet. Neben Gravitations-Kraft 101 und elektromagnetischer Kraft

102 kann auf den Rotor 11 eine äußere niederfrequente Stör- Kraft 103 wirken. Die Stör-Kraft 103 ist eine aerodynamische Stör-Kraft. Diese Stör-Kraft wirkt periodisch auf den Rotor 11 und verursacht dadurch im Rotor 11 eine mechanische nie- derfrequente Stör-Schwingung. Die niederfrequente Stör- Schwingung weist eine Stör-Frequenz ω _χ von unter 50 Hz auf.

Zur Kompensation der im Rotor 11 des aktiven Magnetlagers 1 durch Einwirken der Stör-Kraft 103 induzierten niederfrequen- ten Störkraft-Schwingung werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt :

a) Analysieren der niederfrequenten mechanischen Stör- Schwingung, die zu einem Stör-Kraft-Analyse-Ergebnis führt, b) Bestimmen einer Kompensations-Kraft 104 auf der Grundlage des Stör-Kraft-Analyse-Ergebnisses zum Erzeugen einer der mechanischen Stör-Schwingung entgegenwirkenden mechanischen Kompensations-Kraft im Rotor 11 und

c) Einbringen der Kompensations-Kraft 104 in den Rotor 11. Dabei werden die Verfahrensschritte a) , b) und c) mit Hilfe eines von einem Magnetlager-Regel-Kreis 12 zum Regeln des aktiven Magnetlagers 1 entkoppelten Kompensations-Regel-Kreises 14 des aktiven Magnetlagers 1 durchgeführt. Für das Verfahren werden zwei Algorithmen bzw. ein Algorithmus mit zwei Teilen eingesetzt: Mit dem Teil 1 (Bezugszeichen 141) wird der Verfahrensschritt a) des Verfahrens realisiert. Es geht um das Erkennen hoher Auslenkungen im niedrigen Frequenzbereich .

Dazu umfasst das Analysieren der niederfrequenten mechani- sehen Schwingung eine Analyse des Spektrums im Bereich niedriger Frequenzen ω(ω _{Ιίι η} < ω < co _max ) . co _m i _n beträgt zum Beispiel 1 Hz und co _max 50 Hz.

Zum Analysieren der niederfrequenten Störkraft-Schwingung wird eine Frequenzanalyse eines Zeitsignales der Rotor- Auslenkung (z.B. 20 ym) durchgeführt. Zur Frequenzanalyse wird FFT eingesetzt.

Mit Hilfe der Frequenzanalyse werden Stör-Amplituden A _px er- mittelt. Durch das Vergleichen der ermittelten Stör- Amplituden A _px und der vorbestimmten Grenz-Amplitude An _m wird festgestellt, ob die Stör-Amplitude A _px kleiner, gleich oder größer als die vorbestimmte Grenz-Amplitude Ai _im sind. Es erfolgt eine Abfrage, ob Stör-Amplituden A _px größer als ein zu- lässiger Grenzwert Ai _im sind.

Falls eine Stör-Amplitude A _p größer als der zulässige Grenzwert Ai _im ist, werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt : i) Ermitteln von Phasenlage und Frequenz eines maximalen Betrages der Rotor-Auslenkung (der Stör-Schwingung) in dem untersuchten Frequenzbereich. ii) Übergabe dieser Werte Α( ω _χ ) (Amplitude) und φ (ω _χ ) (Phasenlage) bei Frequenz ω _χ an den Algorithmus Teil 2 (Bezugszeichen 142 , siehe unten) .

Falls die Stör-Amplituden A _px kleiner als ein zulässiger Grenzwert Ai _im sind, wird keine weitere Aktion eingeleitet. Die Verfahrensschritte i) und ii) werden während des Betriebs des Magnetlagers 1 wiederholt durchgeführt (rekursive Durchführung der Verfahrensschritte) . Gemäß Algorithmus Teil 2 wird ein Verfahren eingesetzt, das die im Frequenzbereich co _m i _n < ω < co _max ermittelte maximale Amplitude Α( ω _χ ) auf einen Wert unterhalb des zulässigen Grenzwertes An _m reduziert. Dazu wird die dafür notwendige Kompensations-Kraft 104 bestimmt. Zum Bestimmen der Kompensations-Kraft 104 wird eine Frequenz behaftete Magnet-Kraft f _K omp ( co _x ) und eine Phase (p _f ( co _x ) bei gleicher Frequenz ω _χ (entsprechend der Stör-Schwingungs- Frequenz) ermittelt.

Die so bestimmte Magnet-Kraft wird den Stellgrößen des Kompensations-Regel-Kreises übergeben und dem Verstärker 123 aufgeschaltet . Über den Elektromagneten 13 wird schließlich die Kompensations-Kraft 104 als mechanische Kompensations- Schwingung in den Rotor 11 eingebracht. Die eingebrachte mechanische Kompensations-Schwingung ist der mechanischen Stör- Schwingung entgegen gerichtet und führt zur Dämpfung der mechanischen Stör-Schwingung. Verwendung finden das aktive Magnetlager sowie das Verfahren zum Kompensieren niederfrequenter mechanischer Schwingungen in einem Turboverdichter.