Magnetlager ermöglichen eine berührungslose Lagerung von Rotoren und arbeiten vollständig verschleiss-, wartungs- und schmier- mittelfrei. Sie bringen daher in verschiedenen Anwendungen we- sentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lagerungsmethoden.

Das sensorlose Magnetlager ist eine spezielle Form der Magnet- lager, bei welchem kein externer Positionssensor benötigt wird.

Die Positionsinformation wird durch die luftspaltabhängigen Eigenschaften des Magnetlagers gewonnen.

Der Hauptvorteil des sensorlosen Magnetlagers besteht in der Reduktion der Herstellungskosten. Zudem besitzt es weitere Vor- züge, die es zur Lösung von technischen Problemen interessant machen. Durch den fehlenden Sensorträger vereinfacht sich die Konstruktion, die Montage und die Wartung des Magnetlagersy- stems. Der Rotor kann kompakter gebaut werden, was seine Eigen- frequenzen erhöht. Weil die Zuleitungen zum Sensorträger ent- fallen, verkleinert sich zudem die Ausfallwahrscheinlichkeit der Anlage. Für einen sensorlosen Magnetlagerbetrieb sind zwei grundlegende Verfahrensweisen bekannt: Modulationsverfahren: Ein Elektromagnet weist im Aufbau die gleiche Struktur wie ein induktiver Wegsensor auf, und lässt sich auch als solcher betreiben. Mit einer geeigneten spektralen Trennung, bei welcher dem Kraftsteller der niederfrequente und der Sensorik der hochfrequente Bereich zugeordnet wird, lassen sich diese beiden Aufgaben gleichzeitig mit demselben physikali- schen Element erledigen. Das sensorlose Magnetlager mit Modula- tionsverfahren ist nach DE-OS 2537597 bekannt. Dort wird vorge- schlagen, den niederfrequenten Regel strom mit einem hochfrequen- ten Sensorstrom zu überlagern, und die luftspaltabhängige Sen- sorspannung an Mittelabgriffen der Magnetlagerspulen zu messen.

M.D. Noh und E.H. Maslen nutzen die hochfrequente Trägerfrequenz des Schaltverstärkers, um daraus ein Positionssignal zu gewinnen (Self-Sensing Magnetic Bearings, Fifth Int. Symp. on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, S. 95-100).

Verfahren mit linearem Regler: Bewegt sich der Rotor im Luft- spalt, wird ähnlich wie bei einem drehenden Gleichstrommotor Spannung über der Spule des Elektromagneten induziert. Diese ändert den Verlauf des Stromes durch die Spule. Wird nun der Strom gemessen und die Spannung gesteuert, lassen sich die feh- lenden Streckenzustände, Position und Geschwindigkeit des Ro- tors, mit einem Beobachter bestimmen und anschliessend mit einer Regelung stabilisieren. In der Patentschrift CH-678090 wird die Modellierung der Regelstrecke und die Auslegung des Reglers ausführlich beschrieben. In EP-A1-0549912 wird ein sensorloses Magnetlagersystem beschrieben, welches den linearen Regler mit dem Modulationsverfahren kombiniert. Dabei wird das Modulations- signal verwendet, um ein statisches Positionssignal zu gewinnen, welches die negative Steifigkeit des sensorlosen Magnetlagers entfernt.

Obwohl die beiden Verfahren des sensorlosen Magnetlagers die Positionsinformation aus der luftspaltabhängigen Impedanz des Magnet lagers extrahieren, unterscheiden sie sich durch die der Sensorik zugewiesenen Frequenzbereiche. Das Modulationsverfahren misst die Impedanz deutlich oberhalb der Frequenzbandbreite des Reglers, während das Verfahren mit linearem Regler die Eigen- schaften der Magnetlagerimpedanz innerhalb der Reglerstruktur umsetzt, d.h. Sensorik und Regelung besitzen den gleichen Fre- quenzbereich. Die Vereinigung von Sensorik und Regelung beim sensorlosen Magnetlager mit linearem Regler kann zwar mit ein- fachsten Mitteln und kostengünstig in Hardware umgesetzt werden.

Weil aber eine direkt messbare Positionsinformation in einer solchen Magnetlageranordnung nicht vorhanden ist, erweist sich die Inbetriebnahme dieses Verfahrens als äusserst schwierig, zumal sich das Gesamtsystem sehr empfindlich in Bezug auf Strec- kenparameter verhält. Neben den Inbetriebnahmeproblemen wirkt sich die Parameterempfindlichkeit auch negativ auf die System- robustheit aus. Der Robustheitsverlust ist im Vergleich zu einem Magnetlagersystem mit externem Positionssensor beträchtlich. Da keine Möglichkeit besteht, die Robustheit dieses Verfahrens weiter zu steigern, besteht ein grosses Interesse, die Vorzüge des sensorlosen Magnet lagers bei Verwendung des Modulationsver- fahrens trotz des leicht erhöhten Hardwareaufwands zu nutzen.

Die Funktionsweise des Modulationsverfahrens basiert auf der Eigenschaft, dass ein Elektromagnet nicht nur zur Erzeugung von Kräften (Kraftsteller), sondern auch für berührungslose Ab- standsmessungen (Positionssensor) dienen kann. Die Ausführung einer solchen berührungsfreien Positionsmessung ist an den Auf- bau und an die Funktionsweise von induktiven Positionssensoren geknüpft. Bei induktiven Positionssensoren wird der Abstand zu einem metallischen Körper bei Verwendung einer Messspule ge- messen. Die Messspule besteht, vergleichbar zu einem Elektro- magneten, aus einem Kern und aus einer oder mehreren Wicklungen.

Die Impedanz der Messspule ändert sich mit dem Abstand zum Mess- objekt, und wird mit der entsprechenden Auswerteschaltung zu einem Positionssignal umgewandelt. Der Aufbau des Modulations- verfahrens umfasst typischerweise eine an die Verfahrensweise von induktiven Positionssensoren angelehnte Auswerteschaltung.

Diese liefert das Positionssignal für den Regler, welcher die Elektromagnete ansteuert und den Rotor im Arbeitspunkt behält.

Eine solche Auswerteschaltung besteht im allgemeinen aus einem Modulator, einer Messgrösse und einem Demodulator. Die Aufgabe des Modulators besteht in einer hochfrequenten Anregung des Messsystems, welche an der geeigneten Stelle einzuspeisen ist.

Das Modulationssignal entspricht real einer hochfrequenten Span- nungsquelle, die vorzugsweise einen sinusförmigen Verlauf auf- weist. Die Grundfrequenz des Modulators wird als Modulations- frequenz bezeichnet. Die Messgrösse bzw. das Messsignal stellt sich in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion "Einspeise- stelle des Modulationssignals zu Abgriffsstelle" ein. Der Ab- stand zwischen Elektromagnet und Rotor ändert die Amplitude des Messsignals, welche vom Demodulator ausgewertet wird. Es gibt vielfältige Realisierungsvarianten für einen Demodulator. Als Beispiele seien Synchrongleichrichtung und Spitzenwertgleich- richtung genannt. Die Modulationsfrequenz braucht nicht zwangs- weise konstant zu sein. So können beispielsweise Messanordnungen bei Verwendung von Hystereseschaltern oder PLL's (Phase Locked Loop) Schwingkreise realisiert werden, deren Schwingfrequenz die Messgrösse darstellt. Bei der Realisierung eines Sensors ist es wichtig, ein Messsignal mit möglichst grosser Amplituden- bzw.

Frequenzänderung anzustreben. Im folgenden wird dieser Umstand als die Weg-Sensitivität des Positionssignals bezeichnet. Neben der Weg-Sensitivität besitzt jedes reale Positionssignal auch eine Stör-Sensitivität. Diese erzeugt ebenfalls eine Amplituden- bzw. Frequenzänderung des Messsignals. Natürlich ist es wichtig, dass die Weg-Sensitivität die Stör-Sensitivität deutlich über- wiegt.

Fig. 1A zeigt wie bekannte sensorlose Magnetlager mit Modula- tionsverfahren die Auswerteschaltung für das Positionssignal integrieren. Das Modulationssignal 60' der Modulationsquelle 60 wird zum Ausgangssignal 61 des Reglers hinzuaddiert, und in den Leistungsverstärker 30 eingespeist. Der Leistungsverstärker kann entweder als linearer oder geschalteter Verstärker ausgebildet werden. Im Falle eines geschalteten Verstärkers kann die Schalt- frequenz als Modulationssignal verwendet werden. Am Ausgang des Leistungsverstärkers 30 ist ein Anschluss 70 der Wicklung 69 des Elektromagneten 50 angehängt. Der andere Anschluss 71 der Wick- lung 69 ist mit einer Messinduktivität 51 verbunden, die ihrer- seits an Masse verbunden ist, und bildet die Abgriffstelle 62 für das Messsignal 62'. Das Messsignal 62' wird anschliessend dem Demodulator 65 zugeführt, der dieses zu einem Positionssig- nal x umwandelt. Das Positionssignal beschreibt die Abweichung des Rotors 31 vom Arbeitspunkt xO. Der Abstand xl vom Elektro- magneten 50 zum Rotor 31 entspricht dem Luftspalt des Magnet- lagers und beträgt xl = xO - x. Die Impedanzen und die Signale innerhalb dieser Beschreibung werden im Frequenzbereich verstan- den. Sie sind dementsprechend komplexe Grössen, welche Amplitu- den- und Phaseninformation beinhalten.

Obwohl die Implementierung des Modulationsverfahrens scheinbar durch einfachen Einbezug von bekannten Auswerteschaltungen in- duktiver Positionssensoren zu lösen ist, sind bisher keine Mag- netlagersysteme bekannt, deren Systemrobustheit diejenige des Verfahrens mit linearem Regler übertroffen hätten. Die Gründe für den eigentlich unerwarteten Mangel an Systemrobustheit lie- gen einerseits an der unzureichenden Messpräzision der Modula- tionsanordnung, und andererseits an den Eigenheiten, die ein für den Kraftstellerbetrieb dimensionierter Elektromagnet für eine Sensorikaufgabe mit sich bringt. Die Eigenheiten der Elektromag- nete werden nachfolgend beschrieben.

Die Baugrösse eines Elektromagneten ist aufgrund der Kräfte, die er zu erzeugen hat, gegeben. Bei induktiven Positionssensoren wird ein Verhältnis von Baugrösse der Messspule zu Messbereich von 3:1 empfohlen. Übertragen auf den Elektromagneten bedeutet dies, dass der empfohlene Luftspalt sehr gross sein müsste. Zwar gibt es Applikationen mit grossem Luft spalt, aber in der Regel ist der Luft spalt klein, damit das Magnet lager grosse Lager- kräfte erzeugen kann. Infolge des ungünstigen Verhältnisses von Baugrösse des Elektromagneten zu Messabstand reduziert sich beim Elektromagneten die maximal mögliche Änderung der Impedanz im zulässigen Luftspaltbereich, was sich in einer Verschlechterung Weg-Sensitivität äussert.

Neben der Baugrösse unterscheidet sich der Elektromagnet auch im Kernmaterial. Der Kern des Elektromagneten besteht typischer- weise aus Blechpaketen, die für Motoren und Transformatoren optimiert sind. Sie eignen sich bis hin zu Frequenzen von weni- gen 100 Hz. Bei höheren Frequenzen steigen die Wirbelstromver- luste in den Blechen deutlich an. Die Wirbelstromverluste dienen bei diversen induktiven Positionssensoren zur Erzeugung der Messgrösse. Bei Elektromagneten aber, wieder eine Folge des ungünstigen Verhältnisses von Baugrösse des Elektromagneten zu Messbereich, verursachen die Wirbelstromverluste mit steigender Modulationsfrequenz eine zunehmende Verschlechterung der Weg- Sensitivität.

Reale Spulen besitzen neben ihrer Selbstinduktivität noch eine Spulenkapazität. Diese wird hervorgerufen durch die Potential- unterschiede, die zwischen den benachbarten Wicklungen auftre- ten. Die Spulenkapazität ist unabhängig vom Luftspalt und führt bei hohen Modulationsfrequenzen (etwa 100-500 kHz) zu einem vollständigen Verlust des Messsignals, d.h. trotz änderndem Luftspalt erfährt die Impedanz des Elektromagneten keine Ände- rungen mehr. Die Spulenkapazität eines induktiven Positions- sensors ist verhältnismässig viel kleiner und erlaubt entspre- chend deutlich höhere Modulationsfrequenzen.

Da der Elektromagnet im Kraftstellerbetrieb eine hohe magneti- sche Durchflutung des Eisens bewirkt, entsteht eine spürbare Änderung der Permeabilität des Eisens bei der Aussteuerung des Elektromagneten während den Ausregelvorgängen. Eine Permeabili- tätsänderung erzeugt eine Änderung der Impedanz des Elektro- magneten, und geht als zusätzliche Stör-Sensitivität in das Positionssignals ein. M.D. Noh und E.H. Maslen beschreiben eine Kompensationsschaltung, die diesem Effekt entgegenwirkt (Self- Sensing Magnetic Bearings - Effects of Saturation, Fifth Int.

Symp. on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, S. 113-118).

Da die Kompensationsschaltung sehr komplexe Effekte wie die nichtlineare und hystereseüberlagerte Permeabilitätskennlinie berücksichtigen muss, wird in realen Systemen immer ein permea- bilitätsbedingter Anteil in der Stör-Sensitivität erhalten blei- ben.

Die Erläuterungen über die Eigenheiten der Elektromagnete ver- deutlichen, dass die Weg-Sensitivität bei sensorlosen Magnet- lagern schlechter ist als diejenige von induktiven Positionssen- soren. Zudem besitzen die Elektromagnete eine Stör-Sensitivität, die um ein vielfaches grösser ist als bei induktiven Positions- sensoren. Das Verhältnis von Weg-Sensitivität zu Stör-Sensitivi- tät, im folgenden Störabstand genannt, ist beim sensorlosen Mag- netlager prinzipbedingt gering. Es ist deshalb von grosser Wich- tigkeit, Auswerteschaltungen anzustreben, welche die maximal erreichbare Weg-Sensitivität ausnutzen, ohne aber die Stör-Sen- sitivität zu erhöhen.

In der bekannten Anordnung gemäss Fig. 1A entsteht ein grosser Verlust an Störabstand infolge der Modulation mittels des Lei- stungsverstärkers 30. Bei einer Modulationsfrequenz von 10-100 kHz beträgt die positionsbedingte Amplitudenänderung des Mess- signals nur wenige Prozente der Amplitude im Arbeitspunkt. Somit müsste der Leistungsverstärker ein Modulationssignal generieren, dessen Amplitudengenauigkeit weit unterhalb des Prozentbereichs liegt, um die Stör-Sensitivität nicht unnötig zu vergrössern.

Reale Leistungsverstärker können die geforderte Amplitudenpräzi- sion nicht erreichen, da sie neben der Modulation auch hohe Ströme für den Kraftstellerbetrieb liefern müssen.

Unter allen Modulationsanordnungen wird einzig in DE-OS 2537597 ein Verfahren aufgeführt, das nicht mit dem Leistungsverstärker moduliert. Es verwendet eine hochfrequente Stromquelle zur Er- zeugung des Modulationssignals. In der Praxis ist dies aber problematisch, da eine Stromquelle ein geregeltes Element ist, das je nach Belastung der Stromquelle zu unerwünschten Schwin- gungen neigt. Eine stabile Stromquelle zu realisieren ist schwierig, da das zu regelnde System bei den hohen Frequenzen Streckennichtlinearitäten besitzt, die sich infolge der langen Zuleitungen zu den Elektromagneten und der wirbelstrombehafteten Impedanz der Elektromagnete ergeben.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mit welchen der Abstand zwischen den Elektromagneten und dem Rotor eines Magnetlagersystems mittels einer hochfrequenten Impedanzmessung geregelt werden kann.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäss dem Wortlaut des Patentanspruches 1 und einer Vorrichtung gemäss dem Wortlaut des Patentanspruches 8 gelöst. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1A Bekannte Anordnung für eine Impedanzmessung mit Mess- induktivität Fig. 1B Erfindungsgemässe Anordnung für eine Impedanzmessung mit Messinduktivität Fig. 2 Anordnung für eine Impedanzmessung bei mehreren mag- netischen Kreisen Fig. 3 Darstellung eines Radiallagers mit vier Einspeise- stellen Fig. 4A Darstellung eines bekannten Axiallagers im Schnitt Fig 4B Darstellung eines erfindungsgemässen Axiallagers im Schnitt mit zwei magnetischen Kreisen im Lagerquer- schnitt Fig. 5A Blockschaltbild eines sensorlosen Magnetlagersystems in einseitiger Anordnung Fig. 5B Blockschaltbild eines sensorlosen Magnetlagersystems in zweiseitiger Anordnung Fig. 6A Prinzipschaltbild einer Verstärkereinheit Fig. 6B Prinzipschaltbild eines Elektromagneten mit Mittelab- griff, einer Strommessung und einer Einspeisung des Modulationssignals Fig. 6C Prinzipschaltbild eines Demodulators für Magnetlager- systeme in einseitiger Anordnung Fig. 6D Prinzipschaltbild eines Demodulators für Magnetlager- systeme in zweiseitiger Anordnung Fig. 6E Prinzipschaltbild eines Reglers für Magnetlagersyste- me in einseitiger Anordnung Fig. 6F Prinzipschaltbild eines Reglers für Magnetlagersyste- me in zweiseitiger Anordnung Fig. 7A Anordnung für eine Einspeisung des Modulationssignals und für einen Abgriff der Messgrösse bei Verwendung einer Messinduktivität Fig. 7B Anordnung für eine Einspeisung des Modulationssignals und für einen Abgriff der Messgrösse bei Verwendung des Mittelabgriffs eines Magnetlagers mit mehr als einem magnetischen Kreis Fig. 7C-7E Anordnung für eine Einspeisung des Modulationssignals und für einen Abgriff der Messgrösse bei Verwendung eines Übertragers Fig. 8A Darstellung eines gemessenen Linearitätsverlaufs des Positionssignals Fig. 8B Darstellung einer gemessenen absoluten Abweichung des Positionssignals zu einem Referenzsensor Fig. 1B zeigt eine erfindungsgemässe gesonderte Einspeisung eines präzisen Modulationssignals 60' mit geringer Leistung. Der Ausgang 61 eines Reglers wird in einen Leistungsverstärker 30 eingespeist. Der Ausgang des Leistungsverstärkers 30 ist am Wicklungsanschluss 70 der Wicklung 69 eines Elektromagneten 50 angeschlossen. Der andere Wicklungsanschluss 71 ist mit einer Messinduktivität 51 und mit einer Einkopplungsimpedanz 63 ver- bunden, und bildet den Abgriff 62 des Messsignals 62'. Das Mess- signal 62' wird anschliessend einem Demodulator 65 zugeführt, der dieses dann zu einem Positionssignal x wandelt. Der Abstand xl vom Elektromagneten 50 zum Rotor 31 entspricht dem Luft spalt des Magnetlagers und beträgt xl = xO - x. Die Einkopplungsimpe- danz 63 ist komplex und kann in Form eines passiven Netzwerks aufgebaut werden. Bei Modulationsfrequenzen von 10-100 kHz liegt der Betrag der Einkopplungsimpedanz im kQSBereich. Hieraus ist ersichtlich, dass die Modulationsquelle 60 im Vergleich zum Leistungsverstärker 30 nur kleine Ströme liefern muss, und ent- sprechend mit handelsüblichen Operationsverstärkern sehr präzis aufgebaut werden kann.

Die Messinduktivität 51 ist im allgemeinen gross und teuer, und bedingt zudem eine Überdimensionierung des Leistungsverstärkers 30. Ausserdem bewirkt sie eine Reduktion der Weg-Sensitivität, die aus bereits genannten Gründen vermieden werden sollte. Ein Verzicht auf die Messinduktivität 51 wäre demnach aus mehrfacher Sicht vorteilhaft.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung für eine Impedanzmessung bei mehre- ren magnetischen Kreisen, wodurch die obengenannten Problempunk- te vermieden werden. Wiederum wird der Ausgang 61 des Reglers in den Leistungsverstärker 30 eingespeist. Ein Elektromagnet 52 besitzt nun nicht mehr die Form eines U-Magneten mit einer Wick- lung, sondern die Form eines E-Magneten mit den zwei Wicklungen 69' und 69''. Diese Veränderung der Bauform ist notwendig, da eine Elektromagnetstruktur mit mindestens zwei magnetischen Kreisen 66', 66'' und 67 benötigt wird. Der magnetische Fluss in den Kreisen 66' und 66'' entspricht hierbei dem Leistungsfluss, der durch einen Rotor 31 geführt wird und der zur Erzeugung der Lagerkräfte benötigt wird. Er wird erzeugt, indem der Ausgang des Leistungsverstärkers 30 am Anschluss 72 der in Serie ge- schalteten Spulenwicklungen 69', 69'' angeschlossen wird, wäh- rend der Anschluss 74 mit Masse (Erde) verbunden ist. Das Modu- lationssignal 60' wird über die Einkopplungsimpedanz 63 am Mit- telabgriff 73 der beiden Wicklungen eingespeist, und erzeugt im magnetischen Kreis 67 den Modulationsfluss, der den Leistungs- fluss überlagert. Der Mittelabgriff 73 dient zudem als Abgriff 62 des Messsignals 62', welches vom Demodulator 65 zum Posi- tionssignal x umgewandelt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Anordnung mit einem U-Magneten mit zwei Wicklungen nicht dieselben Möglichkeiten bietet, da sich ohne den zweiten magne- tischen Kreis entweder der Leistungsfluss oder der Modulations- fluss aufhebt, d.h. entweder die Krafterzeugung oder das Mess- signal wäre 0.

Die beschriebene Modulationsart ist mit verschiedenstem Wick- lungsaufbau in den entsprechenden Elektromagnetstrukturen mög- lich. Wesentlich ist, dass mindestens ein zweiter magnetischer Kreis existiert.

Fig. 3 beschreibt eine Modulationsanordnung für ein Radiallager, welches zur Lagerung der radialen Freiheitsgrade eines Rotors 31 dient. Das Radiallager besitzt einen Stator 52 und zeichnet sich durch ein gemeinsames Rückflussjoch der magnetischen Pole aus.

Zusammen mit dem Rückfluss über den Rotor 31 verfügt es über mehrere magnetischen Kreise. Somit sind keine konstruktiven bzw.

geometrischen Anpassungen notwendig, um eine zur Fig. 2 ver- gleichbare Modulationsanordnung zu realisieren. Sowohl beim Leistungsfluss als auch beim Modulationsfluss muss darauf ge- achtet werden, dass sich die Polaritäten des Magnetfeldes ab- wechseln. N, S bezeichnen die Nord- und Südpole des Leistungs- flusses; n, s die Nord- und Südpole des Modulationsflusses. Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform kann erreicht werden, indem die Leistungsverstärker, welche die Polarität des Lei- stungsflusses bestimmen, an den Anschlüssen 80, 81, 82 und 83 angeschlossen werden, während die Anschlüsse 80', 81', 82' und 83' mit Erde verbunden werden. Die Leistungsverstärker liefern Ströme, die entsprechend den eingezeichneten Pfeilrichtungen durch die Spulen fliessen. Die Modulationssignale 60' der Modu- lationsquellen 60 werden über die Einkopplungsimpedanzen 63 an den Mittelabgriffen 84, 84', 85 und 85' eingespeist. Um die gewünschten Polaritäten des Modulationsflusses zu erhalten, werden die Modulationssignale 60' an den Mittelabgriffen 85 und 85' mit negativem Vorzeichen eingespeist. Die jeweils gegenüber- liegenden Messsignale 84 und 84' bzw. 85 und 85' werden vonein- ander subtrahiert, und anschliessend den Demodulatoren einge- speist, welche diese Differenzsignale zu den Positionssignalen x und y umwandeln.

Fig. 4A zeigt einen Querschnitt durch eine bekannte, industriell übliche Bauform eines Axiallagers. Dieses dient zur Stabilisie- rung des axialen Freiheitsgrades eines Rotors 31. Das Axiallager gliedert sich in den Kern 33 und die Wicklung 34 des Elektromag- neten und in das Gegenstück 32, welches die Kraft auf den Rotor 31 überträgt, und bildet damit einen sogenannten Topfmagneten.

Fig. 4B zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Bauform eines Axiallagers, welches eine Modulation gemäss Fig.

2 erlaubt. Der Rotors 31 und das Gegenstück 32 entsprechen den- jenigen in Fig. 4A. Ein Kern 35 weist hier die beiden Wicklungen 36 und 37 des Elektromagneten auf. Die beiden Wicklungen 36 und 37 sind in Serie geschaltet, und erzeugen an der Verbindungs- stelle den Mittelabgriff, welcher äquivalent zu Fig. 2 zur Ein- speisung des Modulationssignals 60' über die Einkopplungsimpe- danz 63 und als Messabgriff 62 dient.

Fig. 5A zeigt das Blockschaltbild eines Magnetlagers in einsei- tiger Anordnung. Das einseitige Magnetlager ist dadurch charak- terisiert, dass das Magnetlager lediglich über einen Elektromag- neten verfügt, der nur Kräfte F1 in einer Richtung zu erzeugen vermag. Um das Kräftegleichgewicht herzustellen, benötigt diese Anordnung eine Gegenkraft Fg, die entweder durch die Gewichts- kraft des Rotors 31 oder durch eine andersartige Kraftquelle er- zeugt werden muss. Die einseitige Anordnung besteht aus einer Verstärkereinheit Gal, einem Elektromagneten Gml einschliesslich der Modulationsanordnung, einem Demodulator Gdl, einer Kompensa- tionsschaltung Gcl und einer Reglereinheit Grl. Der Ausgang der Verstärkereinheit Gal steuert eine Spannung ul über der Spule des Elektromagneten, welche den Stromfluss il durch die Spule zur Folge hat. Das Messsignal uml wird vom Demodulator Gdl zu einem Positionssignal xn umgewandelt. Allfällige Nichtlinearitä- ten des Positionssignals xn können von der Kompensationsschal- tung Gcl in Abhängigkeit des Stromes il teilweise linearisiert werden. Das linearisierte Positionssignal x wird zusammen mit dem Strom il von der Reglereinheit Grl zu einem Stellsignal vl verarbeitet und der Verstärkereinheit Gal zugeführt. Damit wird der Regelkreis, welcher den Rotor im Arbeitspunkt stabilisiert, geschlossen.

Fig. 5B zeigt das Blockschaltbild eines Magnetlagers in zwei- seitiger Anordnung. Das zweiseitige Magnetlager ist dadurch charakterisiert, dass das Magnetlager über zwei dem Rotor 31 gegenüberliegende Elektromagnete verfügt, welche zueinander entgegengesetzte Kräfte F1 und F2 erzeugen. Die zweiseitige Anordnung ist die industriell übliche Ausführung. Sie besteht aus zwei Verstärkereinheiten Gal und Ga2, zwei Elektromagneten Gml und Gm2 einschliesslich der Modulationsanordnung, einem Demodulator Gd2, einer Kompensationsschaltung Gc2 und einer Reglereinheit Gr2. Die Ausgänge der Verstärkereinheiten Gal, bzw. Ga2 steuern die Spannungen ul, bzw. u2 über den Spulen der beiden Elektromagnete Gml, bzw. Gm2. In der Folge fliessen die Ströme il, bzw. i2 durch die Spulen. Die Messsignale uml, bzw.

um2 werden vom Demodulator Gd2 zu einem Positionssignal xn umge- wandelt. Allfällige Nichtlinearitäten des Positionssignals xn können von der Kompensationsschaltung Gc2 in Abhängigkeit der Ströme il, bzw. i2 teilweise linearisiert werden. Das lineari- sierte Positionssignal x wird zusammen mit dem Strömen il, bzw.

i2 von der Reglereinheit Gr2 zu den Stellsignalen vl, bzw. v2 verarbeitet, und den Verstärkereinheiten Gal, bzw. Ga2 zuge- führt. Damit wird der Regelkreis, über welchen den Rotor im Arbeitspunkt stabilisiert wird, geschlossen.

Fig. 6A zeigt das Prinzipschaltbild einer Verstärkereinheit Gal, bzw. Ga2. Der Leistungsverstärker 30 liefert einen Strom, der vom Elektromagneten in eine den Rotor anziehende Kraft umgesetzt wird. Da der Elektromagnet vorwiegend induktiv ist, muss der Strom mittels der Spannung des Leistungsverstärkers aufgebaut werden. In der Regel ist der Leistungsverstärker aus ökonomi- schen Gründen nicht so stark dimensioniert, dass er jeden Bela- stungsfall ohne Verstärkersättigung ausregeln könnte. Entspre- chend gehört die Verstärkersättigung zu einem zu erwartenden Betriebsfall und muss innerhalb der Anordnung des sensorlosen Magnetlagers berücksichtigt werden. Wenn die Aussteuerung des Leistungsverstärkers die Verstärkersättigung erreicht, werden höherharmonische Störsignale in die Elektromagnete eingespeist.

Diese Störsignale beeinträchtigen die Demodulation und gelangen so unerwünschterweise in die Positionsinformation. Ohne entspre- chende Massnahmen beginnt die Spannung des Leistungsverstärkers bei transienten Vorgängen hochfrequent zu schwingen, wobei sich das System von diesem Zustand nach einer gewissen Zeit erholt.

Für industrielle Anwendungen muss dieses unerwünschte Verhalten verhindert werden. Dies geschieht, indem die Spannungs- und die Strombegrenzung von speziellen Schaltungen ausserhalb des Lei- stungsverstärkers übernommen werden, welche früher ansprechen, als die internen Begrenzungen des Leistungsverstärkers. Die Spannungsbegrenzung ist Bestandteil der Verstärkereinheit Gal, während die Strombegrenzung Bestandteil der Reglereinheit Grl ist und später beschrieben wird. Die Verstärkereinheit gliedert sich gemäss Fig. 6A in einen Begrenzer, bzw. Limiter G12, ein Tiefpassfilter Gt2 und einen handelsüblichen Leistungsverstärker 30 mit Eingang 1 und Ausgang 2. Der Limiter Gl2 begrenzt den Eingang der Verstärkereinheit bei einem Wert leicht unterhalb der maximal möglichen Ausgangsspannung des Verstärkers. Der Limiter erzeugt spektral hohe Frequenzen, die vom Tiefpassfilter Gt2 gedämpft werden müssen. Mit dieser Massnahme wird die Ein- kopplung von Frequenzen im Bereich der Modulationsfrequenz un- terdrückt.

Fig. 6B zeigt das Prinzipschaltbild eines Elektromagneten mit Mittelabgriff, einer Strommessung und einer Einspeisung des Modulationssignals, was als Funktionsblock Gml in Fig. 5A, bzw.

als Funktionsblöcke Gml und Gm2 in Fig. 5B dargestellt wurde.

Die Wicklungen 53 und 53' eines Elektromagneten 54 sind über einen Strommesswiderstand 66 an Masse verbunden. Das Modulati- onssignal 60' einer Modulationsquelle 60, welche einseitig an Masse liegt, wird über eine Einkopplungsimpedanz 63 und eine Kapazität 67 mit dem Mittelabgriff 67' der Wicklungen 53 und 53' verbunden. Am Eingang 3 der Wicklung 53 liegt die Ausgangsspan- nung des Leistungsverstärkers an. Am Ausgang 4 des Strommess- widerstandes 66 wird das Strommesssignal und am Ausgang 5, wel- cher den Verbindungspunkt der Einkopplungsimpedanz 63 und der Kapazität 67 bildet, das Messsignal abgegriffen. Ein Magnetla- gersystem regelt nebst der Lage des Rotors auch den Strom durch die Elektromagnete. Hierzu muss der Strom gemessen werden, wie dies hier bei Verwendung eines Strommesswiderstands 66 ge- schieht. Das Stromsignal wird anschliessend verstärkt und gefil- tert. Am Mittelabgriff 67' des Elektromagneten 54 ist eine Kapa- zität 67 zur Potentialtrennung angeschlossen. Die Aufgabe dieser Kapazität besteht darin, niederfrequente Signale von Seite des Leistungsverstärkers zu verhindern, und die Modulationssignale weitgehend zu übertragen. Die Kapazität 67 ist so zu dimensio- nieren, dass die Modulationsquelle, welche eine niedrige Ver- sorgungsspannung besitzt, durch den Leistungsverstärker nicht zu stark niederfrequent ausgesteuert wird, da die Sättigung der Modulationsquelle zum Verlust des Positionssignals und damit zu Instabilität des Magnetlagersystems führen würde. Mit Rücksicht auf eine einfache spektrale Trennung ist es wünschenswert, die Modulationsfrequenz so hoch wie möglich zu wählen. Andererseits sollte der Sensor eine gute Weg-Sensitivität besitzen, welche aber bei allzu hohen Frequenzen nicht mehr gegeben ist. Die hochfrequente Impedanz des Magnet lagers wird vorwiegend durch die wirbelstrombehaftete Spuleninduktivität und die wegunabhän- gige Spulenkapazität charakterisiert. Mit zunehmender Frequenz nimmt bei Magnet lagern wegen den Wirbelströmen und der Spulenka- pazität die positionsbedingte Änderung der Magnetlagerimpedanz ab, wobei der Störeinfluss durch den Kraftstellerbetrieb zu- nimmt. Bei der Resonanzfrequenz der Magnetlagerimpedanz, gebil- det aus dem Parallelschwingkreis, der Spuleninduktivität und der Spulenkapazität, besitzen geblechte Magnetlager eine hohe Weg- Sensitivität, so dass dieser Bereich sich für die Modulations- frequenz eignet. Bei Magnetlagern, wo sich ungeblechte Teile innerhalb des magnetischen Flusses befinden (z.B. bei Axialla- gern), ist dieser Resonanzbereich durch die Wirbelströme stark gedämpft, was sich auch auf die Weg-Sensitivität überträgt. Für diese Art Magnet lager ist es unerlässlich, die Resonanzfrequenz mittels einer zum Elektromagneten parallelgeschalteten zusätzli- chen Kapazität zu senken, und die Modulationsfrequenz gleich der reduzierten Resonanzfrequenz zu wählen.

Fig. 6C zeigt einen Demodulator Gdl für eine einseitige Magnet- lageranordnung in schematischer Darstellung. Wie bereits er- wähnt, gibt es verschiedene Demodulationsanordnungen. Die vor- liegende basiert auf einer Synchrongleichrichtung. Am Eingang 6 des Demodulators liegt das Messsignal an. Von diesem Messsignal wird mit der Subtraktion des halben Modulationssignals 40' der Offset abgezogen. Das Modulationssignal 40' wird aus dem Modula- tionssignal 60' der Modulationsquelle 60 durch Halbierung ge- wonnen. Hierbei wird angenommen, dass die Einkopplungsimpedanz 63 optimal ausgelegt wurde. Mit einem abgleichbaren Faktor 40 kann der Offsetabzug so eingestellt werden, dass der Ausgang 7 des Demodulators 0 V im Arbeitspunkt des Rotors beträgt. Nachdem der Offset vom Messsignal abgezogen wurde, wird das verbleibende Signal 45 einem Bandpass Gb zugeführt. Dem Bandpass Gb kommen zwei Funktionen zu. Einerseits dient er dazu, Frequenzen aus- serhalb der Modulationsfrequenz vom Demodulator fernzuhalten.

Hierbei gilt zu beachten, dass sich die Modulationsfrequenz in Abhängigkeit zur Bewegung des Rotors verschiebt. Der Bandpass darf die verschobene Modulationsfrequenz weder dämpfen noch phasenverschieben. Beides würde die dynamische Positionsmessung verschlechtern. Andererseits ist es Aufgabe des Bandpasses Gb, eine Übersteuerung des Demodulators zu verhindern. Bei transien- ten Ausregelvorgängen steuert der Leistungsverstärker das Mag- netlager mit hohen Spannungen an, welche bei falscher Dimensio- nierung des Bandpasses bis hin zum Demodulator gelangen, und diesen in die Sättigung treiben. Die Folge wäre der Verlust des Positionssignals und somit Instabilität des Magnetlagersystems.

Die Demodulation erfolgt mit einem analogen Multiplizierer 43, welcher den Ausgang des Bandpasses mit dem Demodulationssignal 64' einer Demodulationsquelle 64 multipliziert. Das Demodula- tionssignal ist phasenverschoben zum Modulationssignal. Der ab- gleichbare Verstärkungsfaktor 42 bestimmt die Steigung des Posi- tionssignals. Der dem Multiplizierer 43 nachgeschaltete Tiefpass Gt3 entfernt aus dem Positionssignal das von der Synchrongleich- richtung erzeugte Signal mit doppelter Modulationsfrequenz. Der Ausgang 7 des Demodulators entspricht dem nicht-linearisierten Positionssignal.

Fig. 6D zeigt einen Demodulator Gd2 für eine zweiseitige Magnet- lageranordnung in schematischer Darstellung. Dieser besteht aus den beiden Eingängen 14 und 15 der Messsignale und dem Ausgang 16 des nicht-linearisierten Positionssignals. Durch die Subtrak- tion der beiden Messsignale entfällt der Offset, welcher bei der einseitigen Magnetlageranordnung gesondert abgezogen werden musste. Ein allfälliger Offsetfehler, welcher infolge einer leichten Asymmetrie der zweiseitigen Anordnung entstehen könnte, kann mit dem Koeffizienten 41 abgeglichen werden, wonach ein abgeglichenes Messsignal 41' der Subtraktion zugeführt wird.

Nach der Subtraktion wird das verbleibende Signal 45 einem Band- pass Gb zugeführt. Der verbleibende Teil des Demodulators ent- spricht dem bereits beschriebenen Demodulator für einseitige Magnetlager (Fig. 6C).

In Fig. 6E ist eine Reglereinheit Grl für Magnetlager in ein- seitiger Anordnung in schematischer Darstellung. Die Reglerein- gänge bestehen aus dem Positionssignal 12 und dem Strom durch den Elektromagneten 11. Der Reglerausgang 13 entspricht der Sollspannung des Leistungsverstärkers. Die Geschwindigkeit des Rotors wird von der Zustandsregelung benötigt. Sie wird mit dem Differenzierer D1 vom Positionssignal abgeleitet. Um nicht unnö- tig höherfrequente Störsignale zu verstärken, wird das Posi- tionssignal vor der Differentiation mit einem Tiefpass Gtl ge- filtert. Für die Auslegung der Reglerkoeffizienten kx, kv und kc wird auf einschlägige Literatur im Bereich der Regelungstechnik verwiesen. Wie bereits erwähnt, ist die Strombegrenzung ein Be- standteil der Reglerstruktur, und verhindert hiermit die Strom sättigung des Leistungsverstärkers. Die Strombegrenzung lässt sich gemäss Fig. 6E in eine Reglerstruktur mit kaskadierter Strom- und Positionsregelung integrieren. Der Sollstrom des Ausgangs des Positionsreglers wird mit dem Limiter Gll begrenzt.

Der begrenzte Sollstrom is wird zum Ruhestrom iO für die Vor- magnetisierung hinzuaddiert. Anschliessend folgt die Stromrege- lung, welche dafür sorgt, dass der Strom durch den Elektromagne- ten mit der Stromvorgabe in Übereinstimmung kommt.

Fig. 6F zeigt eine Reglereinheit Gr2 für Magnetlager in zwei- seitiger Anordnung in schematischer Darstellung. Die Reglerein- gänge bestehen aus dem Positionssignal 22 und den Strömen durch die Elektromagnete 21 und 23. Die Reglerausgänge 24 und 25 ent- sprechen den Sollspannungen der beiden Leistungsverstärker. Die Positionsregelung und die Begrenzung des Sollstromes stimmt mit der Beschreibung der Reglereinheit Grl für Magnet lager einseiti- ger Anordnung überein (Fig. 6E). Der begrenzte Sollstrom is wird beim ersten Stromregler zum Ruhestrom i0 hinzuaddiert und beim zweiten Stromregler vom Ruhestrom i0 subtrahiert. Anschliessend folgt die Stromregelung, welche dafür sorgt, dass die Ströme durch beide gegenüberliegenden Elektromagnete mit den Stromvor- gaben in Übereinstimmung kommen.

Das Wegmessverfahren ist nichtlinear. Entsprechend kann es unter Umständen notwendig sein, die Nichtlinearität des Positionssi- gnals zu korrigieren. Zudem erzeugt die Nichtlinearität und die Hysterese der Magnetisierungskennlinie einen Positionsfehler, der durch den Einbezug der Ströme der Elektromagnete zu einem gewissen Grad berücksichtigt werden kann (M.D. Noh und E.H. Mas- len, Self-Sensing Magnetic Bearings - Effects of Saturation, Fifth Int. Symp. on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan 1996, S.

113-118). Die Linearisierungskennlinie ist vor allem für Magnet- lager in einseitiger Anordnung von Bedeutung. In der technisch üblichen zweiseitigen Anordnung ist die Linearität des Posi- tionssignals infolge der Differenzenbildung meist so gut, dass auf eine Linearisierungskennlinie verzichtet werden kann.

Die Kompensationsschaltung Gcl für einseitige Magnetlager (Fig.

5A) besteht aus einem nicht-linearisierten Positionssignal xn (Eingang 9), welcher in Abhängigkeit des Stromes durch den Elek- tromagneten linearisiert wird, und am Ausgang 10 als lineari- siertes Positionssignal x erscheint.

Die Kompensationsschaltung Gc2 für zweiseitige Magnetlager (Fig.

5B) besteht ebenfalls aus einem nicht-linearisierten Positions- signal xn (Eingang 18), welcher aber in Abhängigkeit der Ströme durch die beiden gegenüberliegenden Elektromagnete (Eingänge 17 und 19) linearisiert wird, und am Ausgang 20 als linearisiertes Positionssignal x erscheint.

Fig. 7A bis 7E verdeutlichen, dass die in Fig. 6B dargestellte Modulationsanordnung lediglich eine von vielen Möglichkeiten ist. Die Fig. 7A bis 7E sind im Vergleich zu Fig. 6B soweit weiter vereinfacht, dass auf eine Darstellung der Strommessung mit dem Strommesswiderstand 66 und der Kapazität 67 für die Potentialtrennung verzichtet wurde. Dafür wurde zur eindeutigen Definition des Messsignals 5 sowohl der Messabgriff als auch das Bezugspotential eingezeichnet. Der Anschluss 3 des Elektomagne- ten ist mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers verbunden.

Fig. 7A beschreibt eine Modulationsanordnung, bei welcher der Mittelabgriff, gebildet aus dem Elektromagneten 50 und der Mes- sinduktivität 51, als Messabgriff 5 und als Einspeisestelle des Modulationssignals 60' der Modulationsquelle 60 über die Ein- kopplungsimpedanz 63 dient. Der Vorzug dieser Anordnung besteht darin, dass keine zusätzlichen Anschlüsse beansprucht werden ausser denjenigen, die für den Kraftstellerbetrieb ohnehin vor- handen wären. Entsprechend eignet sich diese Anordnung für An- wendungen, wo eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit gefordert wird. Beispielsweise wäre ein in einer Gasturbine eingesetztes Magnetlager hohen Temperaturen und Vibrationen ausgesetzt, wes- halb man bemüht wäre, auf möglichst viele Magnetlagerelemente in der direkten Umgebung der Gasturbine zu verzichten. Für solche Einsatzgebiete eignet sich das sensorlose Magnetlager mit der Modulationsanordnung gemäss Fig. 7A sehr gut, da die Anzahl elektrischer Zuleitungen zum Elektromagneten minimal ist, und da keine externe Positionssensorik benötigt wird. Die Nachteile dieser Anordnung sind offensichtlich: Die Messinduktivität be- sitzt dieselbe Baugrösse wie der Elektromagnet und bedingt da- durch eine Überdimensionierung des Leistungsverstärkers. Sie ist somit ein Kostenfaktor.

Fig. 7B zeigt eine weitere und aus ökonomischer Sicht besonders vorteilhafte Anordnung. Die Modulationsquelle 60, das Modula- tionssignal 60' und die Einkopplungsimpedanz 63 entsprechen Fig.

7A. Die Nutzung zweier magnetischer Kreise ermöglicht einen Mittelabgriff innerhalb des Elektromagneten 54, wodurch eine zu- sätzliche Messinduktivität nicht mehr benötigt wird. Dadurch entstehen, abgesehen vom zusätzlichen Anschluss am Elektromagne- ten, keine weiteren Kosten, und der Verstärker braucht nicht überdimensioniert zu werden. Externe Messinduktivitäten reduzie- ren die Weg-Sensitivität um mindestens einen Faktor 2 im Ver- gleich zur Weg-Sensitivität der vorliegenden Anordnung, welche somit ein Positionssignal mit dem besten Störabstand erzeugt.

Fig. 7C zeigt eine zu Fig. 7A vergleichbare Anordnung darge- stellt, wobei aber hier die Messinduktivität durch einen Über- trager 55 ersetzt wird. Die niederohmige Wicklung 59 des Über- tragers ist mit der Wicklung 53 des Elektromagneten 50 verbun- den, und hat dieselben Funktionen wie die Messinduktivität zu erfüllen. Entsprechend erhält der Übertrager die gleiche Bau- grösse wie die Messinduktivität. An der hochohmigen Wicklung 59' des Übertragers wird das Messsignal 5 abgegriffen. Das Modula- tionssignal 60' der Modulationsquelle 60 wird am Mittelabgriff, gebildet aus der Wicklung des Elektromagneten und der nieder- ohmigen Wicklung des Übertragers, über die Einkopplungsimpedanz 63 eingespeist. Der Übertrager ermöglicht eine Impedanzwandlung und eine Potentialtrennung des Messabgriffs. Beide Eigenschaften bieten aber keine nennenswerten Vorzüge.

Fig. 7D zeigt eine zu Fig. 7A vergleichbare Anordnung darge- stellt, wobei auch hier die Messinduktivität durch einen Über- trager 55 ersetzt wird. Die niederohmige Wicklung 59 des Über- tragers ist mit der Wicklung 53 des Elektromagneten 50 verbunden und bildet den Abgriff für das Messsignal 5. Das Modulations- signal 60' der Modulationsquelle 60 wird über die Einkopplungs- impedanz 63 an der hochohmigen Wicklung 59'' des Übertragers eingespeist. Der Übertrager bewirkt in Abhängigkeit des Wick- lungsverhältnisses von der niederohmigen zur hochohmigen Wick- lung eine Impedanzwandlung. So kann bei konstant gehaltener Spannung der Modulationssignalquelle die Signalleistung gestei- gert werden, um eine erhöhte Weg-Sensitivität zu erzeugen.

Fig. 7E zeigt eine weitere Übertrageranordnung, welche jene der Fig. 7C und 7D vereint, indem der Übertrager 56 mit zwei hoch- ohmigen Wicklungen 59' und 59'', sowie einer niederohmigen Wick- lung 59 ausgestattet wird, welche mit dem Elektromagneten 50 verbunden ist. An der einen hochomigen Wicklung 59' wird das Messsignal 5 abgegriffen, und an der anderen 59'' wird das Modu- lationssignal 60' der Modulationsquelle 60 über die Einkopp- lungsimpedanz 63 eingespeist.

Die Eignung des vorliegenden Modulationsverfahrens wurde mittels Impedanzmessungen verschiedenster Elektromagnettypen und mittels eines Ausführungsbeispiels geprüft. Das Ziel der Impedanzmessun- gen bestand darin, den Störabstand zu quantifizieren, und die optimale Modulationsfrequenz zu ermitteln. Der Störabstand eines geblechten Magnet lagers in einseitiger Anordnung beträgt etwa 10-20. Bei einseitigen Axiallagern beträgt der Störabstand bei gleichbleibender Modulationsfrequenz wegen der grösseren Wirbel- ströme in den ungeblechten Kernteilen etwa 1-2. Bei Magnetlagern in zweiseitiger Anordnung (z.B. Radiallager) entfällt durch die Gleichtaktunterdrückung ein grosser Teil der Stör-Sensitivität, weshalb sich der Störabstand um einen Faktor von etwa 5-10 ver- bessert. Dies führt letztlich zu einem Störabstand für Radial- lager von 50-200 und für Axiallager von 5-20. Die obengenannten Werte der Störabstände beziehen sich auf eine Modulationsfre- quenz von 100 kHz. Bei Axiallagern kann der Störabstand auf etwa 15-60 angehoben werden, wenn die Modulationsfrequenz auf 10 kHz reduziert wird. Ein Störabstand von 5-10 ist für die Realisie- rung von sensorlosen Magnetlagern mit Modulationsverfahren genü- gend. Ausser den einseitigen Axiallagern sind somit alle Magnet- lagertypen für das Modulationsverfahren bis hin zu 100 kHz ge- eignet.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel mit einem Freiheits- grad beschrieben. Der Versuchsaufbau enthält ein Magnetlager in zweiseitiger Anordnung, bestehend aus zwei Elektromagneten mit E-Form (vgl. Fig. 2) und einer weitgehend an Fig. 5B angelehnten Auswerteschaltung. Nachfolgend sind die wichtigsten Kenndaten der Auswerteschaltung aufgeführt: Modulationssignal: 100 kHz, 20 Vpp Einkopplungsimpedanz: 5 kQ Leistungsverstärker: +/- 50 V, 2 A Phasenlage des Demodulators: 90 grad Bandbreite des Positionssignals: 1 kHz Gb: Bandpass 1. Ordnung mit Eckfrequenzen v. 30 kHz und 300 kHz Gt3: Tiefpass 2. Ordnung mit Eckfrequenz von 2 kHz Gt2: Tiefpass 3. Ordnung mit Eckfrequenz von 2 kHz Fig. 8A zeigt den am Ausführungsbeispiel gemessene Linearitäts- verlauf des Positionssignals x. Die Abweichung von x zu einer Geraden ist so gering, dass auf die Verwendung einer Linearisie- rungskennlinie Gc2 verzichtet wurde. Die Messung erfolgte bis hin zum mechanischen Anschlag des Magnetlagers, welcher sich in der Hälfte des Luftspalts befindet. Als Referenz xref der Mes- sung diente ein kalibrierter induktiver Positionssensor.

Fig. 8B zeigt die Differenz x-xref vom Positionssignal zum Sig- nal des Referenzsensors. Der RMS-Fehler (Root Mean Square), normiert auf den maximal möglichen Bewegungsbereich des Rotors, beträgt 0.13% und entspricht einem absoluten Fehler von lgm. Es lässt sich erkennen, dass x-xref je nach Bewegungsrichtung des Rotors auf unterschiedlichen Bahnen läuft. Dies ist eine Folge der störenden Beeinflussung durch die Hysterese der Magnetisie- rungskennlinie.

Die Inbetriebnahme des Modulationsverfahrens ist einfach. Abge- sehen vom Abgleich des Nulloffsets 40 bzw. 41 und der Steigung 42 des Positionssignals (Fig. 6C und 6D) sind keine weiteren Abgleiche notwendig. Da das Sensorsignal unabhängig vom Kraft- stellerbetrieb getestet werden kann, entstehen bei genügender spektraler Trennung zwischen Regelung und Sensorik keine Schwie- rigkeiten bei der Inbetriebnahme der Regelung.

Aus den Messergebnissen des Ausführungsbeispiels wird ersicht- lich, dass sich mit der vorliegenden Modulationsmethode ein robustes sensorloses Magnetlagersystem realisieren lässt. Der Aufbau des Modulationsverfahrens ist leicht aufwendiger als der des sensorlosen Magnetlagers mit linearem Regler. Dieser Mehr- aufwand wird aber mit einer wesentlich besseren Systemrobustheit kompensiert.