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Title:
METHOD FOR MAGNETICALLY SUPPORTING A ROTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/206571
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for magnetically supporting a rotor (8) of an electrically rotating machine (2), which rotor is magnetically supported with the aid of a magnetic bearing device (14), wherein an active part (10) is provided for rotating the rotor (8) in the magnetic bearing device (14) and the position of the rotor (8) is controlled in such a way that the rotor (8) rotates about a first axis of rotation (6a). In order to determine the vibration behavior of the magnetically supported rotor during operation as simply as possible, the magnetic bearing device (14) has distance sensors (S1, S2, S3, S4), which are arranged around the rotor (8) in the circumferential direction, distances (d1, d2, d3, d4) from at least one distance sensor (S1, S2, S3, S4) to the rotor (8) being determined in dependence on the angle of rotation (α) during the rotation of the rotor (8) about the first axis of rotation (6a), the vibration behavior of the rotor (8) being determined on the basis of the distances (d1, d2, d3, d4) and the corresponding angles of rotation (α).

Inventors:
KÖHLER, Bert-Uwe (Forstweg 6, Falkensee, 14612, DE)
KÜMMLEE, Horst (Am Krähenberg 16, Berlin, 13505, DE)
Application Number:
EP2019/058159
Publication Date:
October 31, 2019
Filing Date:
April 01, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02K7/09; H02K15/16
Domestic Patent References:
WO2017041839A12017-03-16
WO2017133799A12017-08-10
WO2017041839A12017-03-16
Foreign References:
EP1621785A12006-02-01
US20040257023A12004-12-23
EP3179611A12017-06-14
EP2158411A22010-03-03
EP2435809A12012-04-04
US20140159526A12014-06-12
JP2011231760A2011-11-17
US6249067B12001-06-19
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur magnetischen Lagerung eines Rotors (8) einer elektrischen rotierenden Maschine (2) ,

welcher mit Hilfe einer Magnetlagervorrichtung (14) magne tisch gelagert ist,

wobei ein Aktivteil (10) zum Rotieren des Rotors (8) in der Magnetlagervorrichtung (14) bereitgestellt wird,

wobei eine Position des Rotors (8) derartig geregelt wird, dass der Rotor (8) um eine erste Rotationsachse (6a) rotiert, wobei die Magnetlagervorrichtung (14) AbstandsSensoren (Sl, S2,S3,S4) aufweist, welche in Umfangsrichtung um den Rotor (8) herum angeordnet sind,

wobei während der Rotation des Rotors (8) um die erste Rota tionsachse (6a) Abstände (d1, d2, d3, d4) zumindest eines Ab standssensors (Sl, S2, S3, S4) zum Rotor (8) in Abhängigkeit ei nes Drehwinkels (a) ermittelt werden,

wobei mit Hilfe der Abstände (d1, d2, d3, d4) und der korrespon dierenden Drehwinkel (a) ein Schwingungsverhalten des Rotors (8) ermittelt wird,

wobei eine Lage einer zweiten Rotationsachse (6b) für ein de finiertes Schwingungsverhalten des Rotors (8) ermittelt wird, wobei die Position des Rotors (8) derartig geregelt wird, dass der Rotor (8) um die zweite Rotationsachse (6b) rotiert, wobei die Lage der zweiten Rotationsachse (6b) so gewählt wird, dass der Rotor (8) ein minimales Schwingungsverhalten aufweist,

wobei während des Betriebes der elektrischen rotierenden Ma schine (2) die Lage der zweiten Rotationsachse (6b) ermittelt und die Position des Rotors (8) derart geregelt wird, dass der Rotor (8) um die zweite Rotationsachse (6b) rotiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

wobei die Lage der zweiten Rotationsachse (6b) für verschie dene Drehzahlen und/oder Temperaturen, insbesondere hinsicht lich eines minimalen Schwingungsverhaltens, optimiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Rundlauffehler (g) des Rotors (8) bereitgestellt wer den,

wobei mit Hilfe der Rundlauffehler (g) , der Abstände (d1 , d2 , d3,d4) und der korrespondierenden Drehwinkel (a) das Schwin gungsverhalten des Rotors (8) ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,

wobei die Rundlauffehler (g) , insbesondere bei einer Kalib rierung, mit Hilfe der AbstandsSensoren (S1, S2, S3, S4) in Ab hängigkeit des Drehwinkels (a) ermittelt werden .

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,

wobei zumindest ein erster Abstandssensor (S1) einen im We sentlichen diametral gegenüberliegenden zweiten Abstands- sensor (S2) aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,

wobei zumindest ein dritter Abstandssensor (S3) im Wesentli chen senkrecht zu einem ersten Abstandssensor (Sl) angeordnet ist .

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,

wobei zumindest einer der AbstandsSensoren (S1, S2, S3, S4) als induktiver Abstandssensor ausgeführt ist, durch welchen einer der Abstände (d1, d2, d3, d4) kontaktlos erfasst wird.

8. Steuereinheit (26) mit Mitteln zur Durchführung eines Ver fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei Ablauf in einer Steuereinheit (26) nach Anspruch 8.

10. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm nach Anspruch 9.

11. Sensorvorrichtung (18) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche zumindest vier AbstandsSensoren (Sl, S2, S3, S4) und eine Steuereinheit (26) nach Anspruch 8 aufweist.

12. Magnetlagervorrichtung (14) mit Elektromagneten (16) und mindestens einer Sensorvorrichtung (18) nach Anspruch 11.

13. Elektrische rotierende Maschine (2) mit mindestens einer Magnetlagervorrichtung (14) nach Anspruch 12.

Description:
Beschreibung

Verfahren zur magnetischen Lagerung eines Rotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur magnetischen Lage rung eines Rotors einer elektrischen rotierenden Maschine.

Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinheit mit Mitteln zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bei Ablauf in einer Steuereinheit.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogrammpro- dukt mit einem Computerprogramm.

Überdies betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, welche zumindest vier AbstandsSensoren und eine Steuereinheit aufweist.

Zudem betrifft die Erfindung eine Magnetlagervorrichtung mit Elektromagneten und mindestens einer Sensorvorrichtung.

Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische rotierende Maschine mit mindestens einer Magnetlagervorrichtung .

Ein derartiges Verfahren wird insbesondere in einem aktiven Magnetlager einer schnell drehenden elektrischen rotierenden Maschine, beispielsweise eines Motors, eines Generators, ei nes Kompressors oder einer Turbine, eingesetzt. Beispielswei se ist die schnell drehende elektrische rotierende Maschine mit einer Leistung von mindestens 1 Megawatt und einer Dreh zahl von mindestens 5000 U/min betreibbar, die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Maschinen beschränkt .

Das Wuchten des Rotors einer derartigen durch Magnetlager ge lagerten elektrischen rotierenden Maschine ist schwierig, da, sobald der Rotor in den Aktivteil, insbesondere Stator, ein gefahren ist, nicht alle Wuchtebenen zugänglich sind und des halb nicht mehr zur Verfügung stehen. Daher findet der Wucht vorgang zumindest teilweise außerhalb des Aktivteils, bei- spielsweise auf Rollenböcken, statt, wobei Wuchtgewichte mit dem Rotor verbunden werden, um ein Schwingungsverhalten des Rotors zu minimieren . Dabei wird implizit vorausgesetzt, dass die Rotationsachse des Rotors im Betrieb der während des Wuchtvorgangs entspricht. In einem schwebenden Betrieb im Magnetlager unterscheidet sich jedoch die Lage der Rotations achse von der Lage der Rotationsachse während des Wuchtvor gangs beispielsweise im Bereich von 100 mm. Durch die unter schiedlichen Rotationsachsen weist der Rotor beim Rotieren im Magnetlager demnach trotz Wuchten verstärkte Schwingungs- amplituden auf.

Ein weiterer Fall, bei dem sich die Rotationsachse bezogen auf den Rotor verschiebt, ist eine mögliche thermische Ver krümmung des Rotors bedingt durch eine ungleichmäßige Erwär mung, beispielsweise durch zumindest einen Hot Spot. Durch eine thermische Verkrümmung findet ebenfalls eine Verschie bung der Rotationsachse statt, die zu einer Unwucht führt. Es wird ein Kompromiss zwischen Wuchten im kalten und erhitzten Zustand gefunden, um eine thermische Verkrümmung auszuglei- chen.

Die Patentschrift EP 2 158 411 B1 beschreibt eine Magnetla gersteuereinrichtung sowie die Verwendung eines dreiphasigen Umrichters zur Steuerung eines Magnetlagers.

Die Offenlegungsschrift WO 2017/133799 A1 beschreibt eine Sensorvorrichtung für eine Magnetlagervorrichtung aufweisend einen Verschiebungssensor und einen Sensorring, welcher die Form eines Hohlzylinders aufweist und dafür vorgesehen ist, kraftschlüssig mit einer Welle einer elektrischen rotierenden Maschine verbunden zu werden, wobei der Verschiebungssensor vom Sensorring durch einen Luftspalt getrennt ist . Die Patentschrift EP 2 435 809 Bl beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Zustands eines Fanglagers einer Maschine, wobei vom Fanglager eine Rotorwelle der Maschine bei Ausfall eines Magnetlagers der Maschine aufgefangen wird, wobei das Fanglager einen Außenring und ein gegenüber dem Außenring ro tierbar angeordneten Innenring aufweist, wobei das Magnetla ger ausgeschaltet wird, wobei die Rotorwelle mit einem defi nierten Bewegungsablauf rotierend bewegt wird, wobei mittels eines Sensors eine physikalische Größe des Fanglagers gemes sen wird. Die physikalische Größe kann beispielsweise in Form der Temperatur des Fanglagers oder in Form einer zwischen dem Außenring des Fanglagers und dem Fanglagerträger auftretenden Kraft oder in Form von Schwingungen des Fanglagers oder in Form eines zwischen Außenring und dem Fanglagerträger auftre tenden Drucks oder in Form des Abstands zwischen Außenring und Innenring vorliegen.

Die Offenlegungsschrift WO 2017/041839 A1 beschreibt ein Ver fahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor. Der Rotor wird von zwei Magnetlagern getragen, wobei jedes Magnetlager einen Satz von Wicklungen zum Bereitstellen einer Stützkraft auf einen jeweiligen Ab schnitt des Rotors und einen Satz von Positionssensoren zum Anzeigen einer Position des jeweiligen Abschnitts des Rotors in mindestens zwei Freiheitsgraden aufweist. Der Stator um fasst einen ersten Satz von Wicklungen mit einer ersten Pol paarzahl, wobei der rotierende Magnetfluss entweder den Rotor antreibt oder von ihm angetrieben wird. Der Stator umfasst ferner einen zweiten Satz von Wicklungen mit einer zweiten Polpaarzahl, wobei sich die zweite Polpaarzahl von der ersten Polpaarzahl um +1 oder -1 unterscheidet. Das Verfahren um fasst folgende Schritte: Steuern des Betriebs einer ersten variablen Energiequelle, um eine Umwandlung zwischen elektri scher Energie und rotierendem magnetischem Fluss über den ersten Satz von Wicklungen einzustellen; Aufrechterhalten ei nes Bereichs von Sollpositionen für jeden der Abschnitte des Rotors in den mindestens zwei Freiheitsgraden; Empfangen ei ner Positionsanzeige für jeden der einen oder mehreren Ab- schnitte des Rotors von den Gruppen von Positionssensoren und Überwachen einer Abweichung zwischen den Sollpositionen und den jeweiligen Positionsanzeigen und basierend auf der über wachten Abweichung Steuern des Betriebs einer zweiten variab- len Stromquelle, um dem zweiten Satz von Wicklungen einen Kompensationsstrom zuzuführen, wobei der Kompensationsstrom bewirkt, dass der zweite Satz von Wicklungen eine magnetische Schwebekraft erzeugt, die den Rotor trägt und dadurch eine Reduzierung der Abweichung zwischen den Sollpositionen und den jeweiligen Positionsanzeigen bewirkt.

Die Offenlegungsschrift US 2014/159526 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur radialen Richtungssteuerung, die auf einer Magnetlagervorrichtung angebracht ist und die in der Lage ist, Änderungen einer negativen LagerSteifigkeit entsprechend der Einbaulage zu verarbeiten. Die Vorrichtung zur radialen Richtungssteuerung, bei der es sich um eine magnetische La gervorrichtung handelt, die einen rotierenden Körper durch Elektromagnete anhebt und trägt, ist ausgestattet mit : einer radialen Steuerschaltung zum Steuern einer Verschiebung der Achse des rotierenden Körpers in radialer Richtung; eine Schaltung zur Eliminierung einer negativen Lagersteifigkeit, die parallel zur radialen SteuerSchaltung geschaltet ist und ein Signal über die negative LagerSteifigkeit ausgibt; Wand ler, die Stromwerte zum Steuern der Elektromagnete basierend auf den AusgangsSignalen dieser Schaltungen ausgeben; Filter, die eine Gleichstromkomponente aus den Stromwerten extrahie ren; Recheneinheiten, die Korrekturkoeffizienten basierend auf den extrahierten Gleichstromkomponenten und einem Vor spannungsstrom der Elektromagnete berechnen; und Multiplika tionseinheiten, die die berechneten Korrekturkoeffizienten mit einem Signalausgang der negativen Lagersteifigkeitselimi nierungsschaltung multiplizieren .

Die Offenlegungsschrift JP 2011-231760 A beschreibt eine mag netische Vakuum-Schwebepumpe, wobei ein Gas durch Drehen ei nes Rotors, der durch ein Radialmagnetlager und ein Axialmag- netlager magnetisch schwebend gelagert ist, bei hohen Dreh zahlen durch einen Motor abgegeben wird.

Die Patentschrift US 6,249,067 Bl beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung einer Radialposition eines permanentmagneti schen Rotors in einem elektromagnetischen Rotationsantrieb, der als lagerloser Motor mit einem Stator und einem magne tisch gelagerten Rotor ausgebildet ist, wobei der vom Rotor erzeugte Magnetfluss mittels Sensoren im Raum zwischen dem Rotor und dem Stator an mindestens zwei verschiedenen Mess stellen ermittelt wird. Eine radiale Position des Rotors wird mit Hilfe des an den Messstellen bestimmten Magnetflusses und mit Hilfe des Magnetflusses bestimmt, der an den Messstellen entsteht, wenn der Rotor zentriert angeordnet ist .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst einfach ein Schwingungsverhalten des magnetisch gelagerten Rotors während des Betriebes zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur magnetischen Lagerung eines Rotors einer elektrischen rotie renden Maschine, welcher mit Hilfe einer Magnetlagervorrich tung magnetisch gelagert ist, gelöst, wobei ein Aktivteil zum Rotieren des Rotors in der Magnetlagervorrichtung bereitge stellt wird, wobei eine Position des Rotors derartig geregelt wird, dass der Rotor um eine erste Rotationsachse rotiert, wobei die Magnetlagervorrichtung AbstandsSensoren aufweist, welche in Umfangsrichtung um den Rotor herum angeordnet sind, wobei während der Rotation des Rotors um die erste Rotations achse Abstände zumindest eines Abstandssensors zum Rotor in Abhängigkeit eines Drehwinkels ermittelt werden, wobei mit Hilfe der Abstände und der korrespondierenden Drehwinkel ein Schwingungsverhalten des Rotors ermittelt wird, wobei eine Lage einer zweiten Rotationsachse für ein definiertes Schwin gungsverhalten des Rotors ermittelt wird, wobei die Position des Rotors derartig geregelt wird, dass der Rotor um die zweite Rotationsachse rotiert, wobei die Lage der zweiten Ro tationsachse so gewählt wird, dass der Rotor ein minimales Schwingungsverhalten aufweist, wobei während des Betriebes der elektrischen rotierenden Maschine die Lage der zweiten Rotationsachse ermittelt und die Position des Rotors derart geregelt wird, dass der Rotor um die zweite Rotationsachse rotiert.

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Steuerein heit mit Mitteln zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gelöst .

Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Computerprogramm zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bei Ablauf in einer Steuereinheit gelöst.

Des Weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Com- puterprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst.

Überdies wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Sensor vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, welche zumindest vier AbstandsSensoren und eine Steuereinheit aufweist, gelöst.

Zudem wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Magnetla gervorrichtung mit Elektromagneten und mindestens einer Sen- sorvorrichtung gelöst.

Außerdem wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine elektri sche rotierende Maschine mit mindestens einer Magnetlagervor richtung gelöst.

Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Steuereinheit, das Computerprogramm, das Computerpro grammprodukt, die Sensorvorrichtung, die Magnetlagervorrich tung und die elektrische rotierende Maschine übertragen.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, ein Schwingungs verhalten eines bereits außerhalb des Aktivteils gewuchteten Rotors während einer Rotation um eine erste Rotationsachse in einem aktiven Magnetlager durch bereits vorhandene Abstands sensoren zu ermitteln, um gegebenenfalls Maßnahmen zu ergrei fen. Das aktive Magnetlager ist beispielsweise als Radialla- ger und/oder als Axiallager ausgeführt. Eine Maßnahme bei ei nem fehlerhaften Schwingungsverhalten wäre beispielsweise, den Rotor erneut zu wuchten. Die AbstandsSensoren, welche in Umfangsrichtung um den Rotor herum angeordnet sind, werden dazu verwendet, eine Position des Rotors derartig zu regeln, dass dieser im Wesentlichen in der Mitte des Magnetlagers schwebt. Um das Schwingungsverhalten zu ermitteln, werden während der Rotation des Rotors um die erste Rotationsachse Abstände zumindest eines Abstandssensors zum Rotor in Abhän gigkeit eines Drehwinkels ermittelt. Beispielsweise werden die Abstände mit einer Schrittweite des Drehwinkels von 1° erfasst. Das Schwingungsverhalten des Rotors wird beispiels weise während einer Umdrehung anhand von Änderungen der Ab stände zusammen mit dem korrespondierenden Drehwinkel ermit telt. Eine Abstandsänderung wird beispielsweise auf einen Re- ferenzwert bezogen. Die AbstandsSensoren ermöglichen eine sehr schnelle, genaue und zuverlässige Messung. Da die Ab standssensoren während des Betriebes für die Regelung verwen det werden, ist eine zusätzliche Schwingungsmessung einfach und nahezu ohne bauliche Veränderungen zu realisieren.

Ein definiertes Schwingungsverhalten ergibt sich insbesondere aus vorgegebenen Abständen in Abhängigkeit des Drehwinkels. Als Referenz wird eine Keyphasor-Nut verwendet. Beispielswei se wird gezielt eine Unwucht erzeugt, um das Verhalten eines Wuchtgewichts nachzubilden. Durch eine Verschiebung der Lage der Rotationsachse ist ein definiertes Schwingungsverhalten ohne Hinzufügen von Wuchtgewichten erreichbar. Das Schwin gungsverhalten ist somit dynamisch und während des Betriebes veränderbar .

Da die Lage der zweiten Rotationsachse so gewählt wird, dass der Rotor ein minimales Schwingungsverhalten aufweist, ist das Schwingungsverhalten somit dynamisch und während des Be triebes minimierbar.

Da während des Betriebes der elektrischen rotierenden Maschi- ne die Lage der zweiten Rotationsachse ermittelt und die Po sition des Rotors derart geregelt wird, dass der Rotor um die zweite Rotationsachse rotiert, werden durch eine derartige dynamische Regelung die Standzeiten der elektrischen rotie renden Maschine reduziert, was zu einer erheblichen Kostener- sparnis führt.

Durch eine Steuereinheit wird der Verfahrensablauf gesteuert. Die Mittel zur Durchführung eines derartigen Verfahrens um fassen ein Computerprogramm und beispielweise einen Mikrocon troller oder einen anderen programmierbaren Logikbaustein .

Die Steuereinheit ist beispielsweise in der Sensorvorrichtung angeordnet. Insbesondere bei der Verwendung vorhandener Mik rocontroller ist die Schwingungsmessung leicht und kosten günstig zu realisieren. Durch eine Integration in die Sensor vorrichtung wird eine schnelle SignalVerarbeitung ermöglicht.

Die elektrische rotierende Maschine ist beispielsweise ein Motor, ein Generator, ein Kompressor oder eine Turbine. Ins besondere ist die elektrische rotierende Maschine mit einer Leistung von mindestens 1 Megawatt und einer Drehzahl von mindestens 5000 U/min betreibbar. Da die AbstandsSensoren mit einer hohen Taktfrequenz im kHz-Bereich betreibbar sind, sind Schwingungen des Rotors mit einer hohen Auflösung bei gerin gem Aufwand erfassbar.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die La ge der zweiten Rotationsachse für verschiedene Drehzahlen und/oder Temperaturen, insbesondere hinsichtlich eines mini malen Schwingungsverhaltens, optimiert . Ein temperaturabhän giges Schwingungsverhalten tritt beispielsweise bei einer thermischen Verkrümmung des Rotors auf, wobei eine thermische Verkrümmung durch lokale Erwärmung aufgrund von Wirbelströmen im Rotor entsteht. Das Schwingungsverhalten des Rotors ist daher für verschiedene Zeitpunkte und Betriebsmodi optimier bar .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Rund lauffehler des Rotors bereitgestellt, wobei mit Hilfe der Rundlauffehler, der Abstände und der korrespondierenden Dreh winkel das Schwingungsverhalten des Rotors ermittelt wird. Derartige Rundlauffehler ergeben sich aus mechanischen Un ebenheiten und elektrischen Inhomogenitäten. Die Rundlauffeh ler werden beispielsweise tabellarisch zusammen mit dem zuge hörigen Drehwinkel in einem Speicher abgelegt. Durch die Rundlauffehler wird eine höhere Genauigkeit der Schwingungs erfassung und der Regelung erreicht. Besonders vorteilhaft werden die Rundlauffehler, insbesondere bei einer Kalibrierung, mit Hilfe der AbstandsSensoren in Ab hängigkeit des Drehwinkels ermittelt. Eine Ermittlung der Rundlauffehler mit Hilfe der AbstandsSensoren erfordert keine zusätzlichen Komponenten, was zu einer Reduzierung der Kosten und des Platzbedarfs führt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist zumin dest ein erster Abstandssensor einen im Wesentlichen diamet ral gegenüberliegenden zweiten Abstandssensor auf. Durch eine derartige Anordnung der Sensoren wird eine Auswertung er leichtert .

Besonders vorteilhaft ist zumindest ein dritter Abstands sensor im Wesentlichen senkrecht zu einem ersten Abstands sensor angeordnet. Durch eine derartige Anordnung der Senso ren wird eine Auswertung erleichtert.

Besonders vorteilhaft sind die Sensoren als induktive Ver schiebungssensoren ausgeführt, durch welche die Abstände kon taktlos erfasst werden . Ein induktiver Verschiebungssensor wird auch Wirbelstromsensor genannt. Derartige Sensoren sind sehr genau, kostengünstig und zuverlässig . Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert .

Es zeigen:

FIG 1 einen Längsschnitt einer elektrischen rotierenden Ma schine,

FIG 2 einen Querschnitt einer elektrischen rotierenden Ma schine im Bereich einer Magnetlagervorrichtung, FIG 3 einen vergrößerten Querschnitt einer elektrischen ro tierenden Maschine im Bereich einer Magnetlagervor richtung und

FIG 4 eine schematische Darstellung eines typischen Verlaufs einer Sensor-Runout-Kurve .

FIG 1 zeigt eine elektrische rotierende Maschine 2, welche auf einem Fundament 4 steht. Die elektrische rotierende Ma schine 2 ist als Motor oder als Generator ausgeführt und weist einen um eine Rotationsachse 6 rotierbaren Rotor 8 und einen Aktivteil 10 auf, wobei der Aktivteil als ein den Rotor 8 umgebender Stator ausgeführt ist . Der Rotor 8 weist eine Welle 12 auf und ist an beiden axialen Enden der Welle 12 durch jeweils eine aktive Magnetlagervorrichtung 14 berüh rungslos gelagert. Alternativ ist die elektrische rotierende Maschine 2 als Kompressor oder Turbine mit einem Rotor 8 aus geführt, welcher durch eine aktive Magnetlagervorrichtung 14 berührungslos gelagert ist .

Die aktive Magnetlagervorrichtung 14 umfasst Elektromagnete 16, welche um den Umfang der Welle 12 des Rotors 8 herum an geordnet sind. Über die Elektromagnete 16 wird ein Magnetfeld angeregt, welches auf den Rotor 8 eine Magnetkraft ausübt, sodass der Rotor 8 bei entsprechender Regelung berührungslos gelagert wird. Die Elektromagnete 16 werden so angesteuert, dass zumindest ein Teil des von ihnen erzeugten Magnetfeldes im Wesentlichen mit der gleichen Drehzahl in Umfangsrichtung rotiert wie der vom Aktivteil 10 angetriebene Rotor 8. Über eine Sensorvorrichtung 18 wird eine Lage des Rotors 8 in der Magnetlagervorrichtung 14 zur Regelung der Rotorposition ermittelt. Die Sensorvorrichtung 18 umfasst um den Umfang der Welle 12 herum angeordnete AbstandsSensoren Sl, S2, welche als induktive Verschiebungssensoren ausgestaltet und dafür geeignet sind, Abstände, insbesondere Abstandsänderungen, des Rotors 8 zu den jeweiligen AbstandsSensoren Sl, S2 in Abhän gigkeit eines Drehwinkels a kontaktlos zu erfassen. Als Refe renz dient beispielsweise eine Keyphasor-Nut . Beispielsweise werden die AbstandsÄnderungen mit einer Schrittweite des Drehwinkels a von 1° erfasst. Die induktiven Verschiebungs sensoren werden beispielsweise dazu herangezogen, über einen Luftspalt 20 eine Impedanz und bevorzugt eine Änderung der Impedanz zu messen.

Die Magnetlagervorrichtung 14 ist exemplarisch als Radialla ger ausgeführt. Eine Verwendung der Sensorvorrichtung 18 für ein Axiallager ist ebenfalls Gegenstand der Patentanmeldung, wobei im Falle eines Axiallagers die Sensorvorrichtung 18 da für vorgesehen ist, die Position des Rotors 8 in axialer Richtung zu ermitteln.

FIG 2 zeigt einen Querschnitt einer elektrischen rotierenden Maschine 2 im Bereich einer Magnetlagervorrichtung 14, mit der der Rotor 8 berührungslos gelagert ist . Die Magnetlager vorrichtung 14 umfasst eine Sensorvorrichtung 18, welche zwei Paar der diametral gegenüberliegenden Abstandssensoren Sl,

S2, S3, S4 aufweist, wobei die Abstandssensoren Sl, S2, S3, S4, wie in FIG 1, als induktive Verschiebungssensoren ausge staltet sind. Die diametral gegenüberliegenden Sensorpaare Sl, S2, S3, S4, bilden jeweils eine Achse al, a2, wobei die zweite Achse a2 des zweiten Paares S3, S4 um im Wesentlichen 90° zur ersten Achse al des ersten Paares Sl, S2 gedreht an geordnet ist .

Die Abstandssensoren Sl, S2, S3, S4 sind mit einer Zentral einheit 22 verbunden, welche eine Auswerteeinheit 24, eine Steuereinheit 26 und einen Speicher 28 umfasst. Eine Übertra- gung der gemessenen Sensordaten an die Zentraleinheit 22 er folgt beispielsweise elektrisch, insbesondere kabelgebunden, oder optisch über Lichtleiter . Die AbstandsSensoren S1, S2, S3, S4 sind als induktive Verschiebungssensoren ausgeführt, durch welche jeweils die Abstände d1, d2 , d3, d4 des jeweili gen Abstandssensors S1, S2, S3, S4 zum Rotor 8 kontaktlos er fasst werden . Die ermittelten Daten werden digitalisiert und zumindest teilweise an eine IT-Infrastruktur 30 gesendet. Ei ne IT-Infrastruktur 30 ist beispielsweise mindestens ein lo kales ComputerSystem und/oder eine Cloud. Die IT-Infrastruk tur 30 stellt Speicherplatz, Rechenleistung und/oder Anwen dungssoftware bereit. In der Cloud werden Speicherplatz, Re chenleistung und/oder Anwendungssoftware als Dienstleistung über das Internet zur Verfügung gestellt. Die digitale Daten übertragung an die IT-Infrastruktur 30 findet drahtlos, drahtgebunden oder optisch statt. Beispielsweise werden die Daten über Bluetooth oder WLAN übertragen.

Bevor der Rotor 8 mit den Elektromagneten 16 der Magnetlager vorrichtung 18 betrieben wird, wird dieser optional, bei spielsweise auf Rollenböcken, gewuchtet, sodass, insbesondere durch Hinzufügen von Wuchtgewichten, eine nährungsweise kraftfreie Rotation ermöglicht wird. Beim Wuchten auf Rollen böcken dreht sich der Rotor um eine zweite Rotationsachse 6b, welche außerhalb der geometrischen Mitte des Rotors 8 ange ordnet ist . Ein Schwingungsverhalten des Rotors 8 wird mit Hilfe der AbstandsSensoren S1, S2, S3, S4 optimiert, wobei Schwingungen des Rotors 8 durch Erfassung von AbstandsÄnde rungen des Rotors 8 vom jeweiligen Abstandssensor Sl, S2, S3, S4 während jeweils einer Umdrehung erfasst werden . Schwingun gen während der Drehung des Rotors 8 werden beispielsweise durch Platzierung von Wuchtgewichten auf dem Rotor 8, insbe sondere iterativ, minimiert .

Darüber hinaus werden optional außerhalb der Magnetlagervor richtung bei der Rotation des Rotors 8 um die zweite Rotati onsachse 6b Rundlauffehler g des Rotors 8 ermittelt. Derarti ge Rundlauffehler ergeben sich aus mechanischen Unebenheiten und elektrischen Inhomogenitäten . Die Rundlauffehler g werden nach Betrag und Phase, das heißt nach der Position auf dem Rotor 8 in Abhängigkeit des Drehwinkels a, beispielsweise ta bellarisch in einer Sensor-Runout-Tabelle, im Speicher 28 der Magnetlagervorrichtung 18 abgelegt. Eine Schrittweite des Drehwinkels a in der Sensor-Runout-Tabelle beträgt beispiels weise 1°. Zusätzlich oder alternativ werden die Daten in ei nem Speicher in der IT-Infrastruktur 30 abgelegt.

Der Rotor 8 wird durch die Elektromagneten 16 in der Magnet lagervorrichtung 18 schwebend gelagert, wobei der Rotor 8 durch den Aktivteil 10, welcher in FIG 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist, angetrieben wird. Dabei wird die Position des Rotors 8 derartig geregelt, dass der Rotor 8 um eine erste Rotationsachse 6a rotiert, deren Position sich von der der zweiten Rotationsachse 6b unter scheidet. Insbesondere befindet sich die erste Rotationsachse 6a zumindest näher an der geometrischen Mitte des Rotors 8 als die zweite Rotationsachse 6b.

Während der Rotation des Rotors 8 um die erste Rotationsachse 6a wird jeweils ein Abstand d1, d2 , d3, d4 des jeweiligen Ab standssensors S1, S2, S3, S4 zum Rotor 8 in Abhängigkeit ei nes Drehwinkels a des Rotor 8 ermittelt. Optional werden die ermittelten Rundlauffehler g mit den jeweiligen Abständen d1, d2, d3, d4 , beispielsweise additiv, kombiniert, wobei mit Hilfe der Rundlauffehler g, der Abstände d1, d2, d3, d4 und der korrespondierenden Drehwinkel a ein Schwingungsverhalten des Rotors 8 ermittelt wird. Das Schwingungsverhalten wird beispielsweise aus einer Änderung der Abstände d1, d2, d3, d4 über den Drehwinkel a ermittelt.

Um ein minimales Schwingungsverhalten des Rotors 8 zu erzie len, wird daraufhin die Lage einer zweiten Rotationsachse 6b ermittelt. Die Lage der zweiten Rotationsachse 6b wird anhand der Änderung der Abstände d1, d2 , d3, d4 über den Drehwinkel a bei Rotation um die erste Rotationsachse 6a ermittelt, wo bei die Lage der zweiten Rotationsachse 6b insbesondere so gewählt wird, dass die Änderung der Abstände d1, d2, d3, d4 über den Drehwinkel a bei Rotation um die zweite Rotations achse 6b minimal wird.

Alternativ wird die Lage der zweiten Rotationsachse 6b so ge wählt, dass eine gezielte Unwucht erzeugt wird. Eine derarti ge gezielte Unwucht wird beispielsweise dafür verwendet, ein Verhalten zumindest eines Wuchtgewichts nachzubilden, um eine Position für zumindest ein Wuchtgewicht zu ermitteln.

Nach der Ermittlung der Lage der zweiten Rotationsachse 6b wird die Position des Rotors 8 derartig geregelt, dass der Rotor 8 um die zweite Rotationsachse 6b rotiert. Mit Hilfe der Regelung, welche die Elektromagnete 16 ansteuert, wird der Rotor 8 um einen Achsenoffset mit einem Betrag des Ach senoffsets r0 und einer Phase a0 des Achsenoffsets von der ersten Rotationsachse 6a zur zweiten Rotationsachse 6b ver schoben .

Neben dem Wuchten ist eine Verschiebung der Rotationsachse 6a, 6b dynamisch durchführbar, um beispielsweise eine thermi sche Verkrümmung des Rotors 8, welche insbesondere durch eine wirbelstrominduzierte Erwärmung des Rotors 8 auftritt, auszu gleichen. Eine durch die thermische Verkrümmung entstandene Unwucht wird beispielsweise über Schwingungsmaxima in Bezug auf ein Keyphasor-Signal ermittelt, wodurch eine Phasenlage und Größe der Unwucht festgestellt wird. Die Sensor-Runout- Tabeile wird daraufhin, analog zum Wuchten, befüllt. Darauf hin wird die Rotationsachse 6a, 6b online, das heißt während des Betriebes der elektrischen rotierenden Maschine, durch die Regelung verschoben, sodass die durch die Verkrümmung entstandene Unwucht kompensiert wird. Die weitere Ausführung der Magnetlagervorrichtung 14 in FIG 2 entspricht der in FIG

1.

FIG 3 zeigt einen Querschnitt einer elektrischen rotierenden Maschine 2 im Bereich einer Magnetlagervorrichtung 14. Aus Gründen einer besseren Verständlichkeit ist, verglichen mit FIG 2, nur ein Paar der diametral gegenüberliegenden Ab- StandsSensoren Sl, S2 dargestellt. Der Rotor 8 ist um einen Achsenoffset mit einem Betrag des Achsenoffsets rO und einer Phase a0 des Achsenoffsets von der ersten Rotationsachse 6a zur zweiten Rotationsachse 6b verschoben und ist um die zwei te Rotationsachse 6b rotierbar. Dem ersten Abstandssensor Sl ist ein erster Messpunkt ml und dem zweiten Abstandssensor S2 ist ein zweiter Messpunkt m2 zugeordnet. Beide Messpunkte ml, m2 bezeichnen jeweils einen Schnittpunkt einer Rotoroberflä che 8a mit der ersten Achse al, die in FIG 3 um den Betrag | ry | über der zweiten Rotationsachse 6b angeordnet ist, wobei die zweite Rotationsachse 6b außerhalb der geometrischen Mit te des Rotors 8 angeordnet ist . Wird der Rotor 8 um die zwei te Rotationsachse 6b gedreht, werden von den Abstandssensoren Sl, S2 unterschiedliche Abstände d1, d2 gemessen, welche je weils in Abhängigkeit vom Drehwinkel a des Rotors 8 variie ren. Die Abstandswerte d1, d2 der Abstandssensoren Sl, S2 werden auf eine kalibrierte Referenzposition normiert. Im Folgenden werden die Positionen der Messpunkte ml, m2 in Ab hängigkeit des aktuellen Drehwinkels a des Rotors 8 berech net, wobei aus den Positionen der Messpunkte ml, m2 die Vari ation der Abstände d1, d2 in Abhängigkeit des Drehwinkels a und damit das Schwingungsverhalten des Rotors 8 ermittelbar sind.

Legt man für einen bestimmten Drehwinkel a ein festes Koordi natensystem mit Ursprung in der zweiten Rotationsachse 6b fest, so sind die Messpunkte ml, m2 vektoriell definiert durch für Abstandssensor Sl und für Abstandssensor S2, wobei ml, m2, rO , rl und r2 jeweils zweidimensionale Vektoren sind. Der Vektor r0 des Achsenoffsets ist die Verbindung zwischen der zweiten Rotationsachse 6b und der ersten Rotationsachse 6a. Er ist definiert durch

wobei eine Abhängigkeit von der Phase des Achsenoffsets a0 und dem Drehwinkel a besteht.

Der Vektor rl ist der Vektor zwischen der ersten Rotations achse 6a, welche im Wesentlichen in der geometrischen Mitte des Rotors 8 liegt, und dem Messpunkt ml. Er ist definiert durch

mit | r | als Radius des Rotors 8 und dem ersten Hilfswinkel f1.

Der Vektor r2 ist der Vektor zwischen der ersten Rotations achse 6a, welche im Wesentlichen in der geometrischen Mitte des Rotors 8 liegt, und dem Messpunkt m2. Er ist definiert durch mit | r | als Radius des Rotors 8 und dem zweiten Hilfswinkel f2.

Die unbekannten Hilfswinkel f1, f2 werden in Abhängigkeit des Drehwinkels a, der Phase a0 und des Betrags | r0 | des Achsen offsets a0 sowie des Betrags des Rotorradius |r| berechnet.

Es gilt Daraus ergibt sich für die y-Komponenten der Messpunkte mly, m2y

und

Daraus ergibt sich wiederum für die Hilfswinkel f1, f2

und

Aus den berechneten Werten f1 bzw. f2 werden die x-Komponen- ten der Messpunkte mix, m2x berechnet:

Somit ergibt sich für die Messpunkte ml, m2

und

Damit sind die Positionen der Messpunkte ml, m2 in Abhängig keit des Drehwinkels a bekannt. Mit Hilfe der Messpunkte ml, m2 werden die Abstände d1, d2 der AbstandsSensoren S1, S2 in Abhängigkeit des Drehwinkels a während einer Rotorumdrehung um die zweite Rotationsachse 6b ermittelt, wobei die Abstände d1, d2 in einer Kurve darstellbar sind. Diese Kurve wird als Runout-Kurve im Speicher 28 abgelegt. Der Rotor 8 ist für diese Runout-Kurve bereits auf Rollenböcken gewuchtet worden, weswegen dafür ein optimierter Schwingungszustand vorliegt . Die weitere Ausführung der Magnetlagervorrichtung 14 in FIG 3 entspricht der in FIG 2.

FIG 4 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Verlaufs einer Sensor-Runout-Kurve 31, wobei der Rotor 8 um die zweite Rotationsachse 6b rotiert. Der Verlauf der Sensor- Runout-Kurve 31 ist auch, wie in der Beschreibung von FIG 3 gezeigt, rechnerisch ermittelbar. Exemplarisch wurden für den Rotorradius r=150mm, für den Betrag des Achsenoffsets

r0=0 , 1mm, für die Phase des Achsenoffsets a0=30 ° gewählt.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur mag netischen Lagerung eines Rotors 8 einer elektrischen rotie renden Maschine 2, welcher mit Hilfe einer Magnetlagervor- richtung 14 magnetisch gelagert ist, wobei ein Aktivteil 10 zum Rotieren des Rotors 8 in der Magnetlagervorrichtung 14 bereitgestellt wird, wobei eine Position des Rotors 8 derar tig geregelt wird, dass der Rotor 8 um eine erste Rotations achse 6a rotiert. Um möglichst einfach ein Schwingungsverhal ten des magnetisch gelagerten Rotors während des Betriebes zu ermitteln, wird vorgeschlagen, dass die Magnetlagervorrich tung 14 AbstandsSensoren S1, S2, S3, S4 aufweist, welche in Umfangsrichtung um den Rotor 8 herum angeordnet sind, wobei während der Rotation des Rotors 8 um die erste Rotationsachse 6a Abstände d1, d2, d3, d4 zumindest eines Abstandssensors S1, S2, S3, S4 zum Rotor 8 in Abhängigkeit eines Drehwinkels a ermittelt werden, wobei mit Hilfe der Abstände d1, d2, d3, d4 und der korrespondierenden Drehwinkel a ein Schwingungs verhalten des Rotors 8 ermittelt wird.