Beschreibung

Regelverfahren für eine Magnetlagerung und hiermit korrespondierende Einrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelverfahren für eine Magnetlagerung, in der ein Drehelement in einem Grundkörper um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei eine Erfas ^¬ sungseinrichtung Radialauslenkungen des Drehelements relativ zur Drehachse erfasst und einer Regeleinrichtung zuführt, welche anhand der Radialauslenkungen des Drehelements Steuersignale für die Magnetlagerung ermittelt und an die Magnetla ^¬ gerung ausgibt .

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine hiermit korrespondierende Einrichtung .

Regelverfahren für Magnetlagerungen und die hiermit korrespondierenden Einrichtungen sind allgemein bekannt . Beispiel- haft sei hierzu auf die DE-A-31 50 122 verwiesen .

Insbesondere bei Einrichtungen, welche schnelldrehende Dreh ^¬ elemente aufweisen, können unterhalb der maximalen Drehzahl des Drehelements sogenannte kritische Drehzahlen auftreten . Falls das Drehelement dabei drehzahlvariabel ist, können die ^¬ se Drehzahlen auch im Drehzahlregelbereich liegen . Bei kritischen Drehzahlen ist das Drehelement sehr schwingungsfreudig und reagiert schon auf kleine und kleinste Anregungen mit starken Schwingungen . Die einschlägigen Richtlinien fordern daher einen Sicherheitsabstand zwischen dem Betriebsbereich des Drehelements und den vorab bestimmbaren kritischen Drehzahlen .

Im Stand der Technik wird durch aktive Bedämpfung des Dreh- elements bei den kritischen Drehzahlen und durch gutes Auswuchten versucht, auch bei den kritischen Drehzahlen einen möglichst ruhigen Lauf des Drehelements zu erreichen . Trotz

aller Bemühungen des Standes der Technik müssen bei den kritischen Drehzahlen jedoch oftmals höhere Schwingungen toleriert werden, als nach den Richtlinien gefordert ist . Je nach Lage des Einzelfalls werden diese höheren Schwingungen tole- riert oder aber der entsprechende Drehzahlbereich wird ge ^¬ sperrt .

Aktive Magnetlagerungen erlauben zwar die drehzahlabhängige Variation der Lagersteifigkeit und der Lagerdämpfung . Auch mit derartigen aktiven Magnetlagern lässt sich aber die Problematik der kritischen Drehzahlen im Stand der Technik nicht lösen .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Re- gelverfahren für eine Magnetlagerung der eingangs genannten Art und die hiermit korrespondierende Einrichtung zu schaf ^¬ fen, mittels derer die Problematik der kritischen Drehzahlen lösbar ist .

Die Aufgabe wird für das Regelverfahren dadurch gelöst ,

- dass die Erfas sungseinrichtung auch eine Drehfrequenz des Drehelements erfasst und der Regeleinrichtung zuführt,

- dass die Regeleinrichtung von den Radialauslenkungen des Drehelements mindestens einen Frequenzanteil abspaltet, der die Anteile der Radialauslenkungen des Drehelements um- fasst , die Frequenzen in der Nähe einer Filterfrequenz aufweisen, die in einem vorbestimmten Verhältnis zur Drehfrequenz steht,

- dass die Regeleinrichtung anhand des Frequenzanteils gemäß einem Frequenzregelschema Frequenzsteuersignale ermittelt,

- dass die Regeleinrichtung anhand der Differenz der Radialauslenkungen des Drehelements und des Frequenzanteils einen Restanteil ermittelt und anhand des Restanteils gemäß einem Restregelschema Reststeuersignale ermittelt und - dass die Regeleinrichtung die Steuersignale für die Magnet ^¬ lagerung durch Summieren der Frequenzsteuersignale und der Reststeuersignale ermittelt .

Für die Einrichtung wird die Aufgabe durch die korrespondie ^¬ renden Einrichtungsmerkmale des Anspruchs 14 gelöst .

Wenn die Erfassungseinrichtung zusammen mit der Drehfrequenz auch eine momentane Drehstellung des Drehelements erfasst und der Regeleinrichtung zuführt, arbeitet das erfindungsgemäße Regelverfahren noch besser . Wenn hierzu ein Impulsgeber der Erfassungseinrichtung bei vorbestimmten Drehstellungen des Drehelements jeweils einen Triggerimpuls erzeugt und an die Regeleinrichtung übermittelt, ist die Erfassung von Drehfre ^¬ quenz und Drehstellung besonders genau möglich . Vorzugsweise erzeugt und übermittelt der Impulsgeber dabei pro Umdrehung des Drehelements genau einen Triggerimpuls .

Wenn die Regeleinrichtung die Frequenzsteuersignale und/oder die Reststeuersignale in Abhängigkeit von der zugeführten Drehstellung des Drehelements ermittelt und an die Magnetla ^¬ gerung ausgibt, ist eine noch bessere Kompensation der Radi ^¬ alauslenkungen möglich . Denn insbesondere können in diesem Fall die Steuersignale innerhalb jeder Umdrehung des Drehele ^¬ ments in Abhängigkeit von dessen ( selbstverständlich extrapolierter) Drehstellung ausgegeben werden .

Wenn das Frequenzregelschema von der Drehfrequenz abhängig ist, arbeitet das erfindungsgemäße Regelverfahren besonders flexibel . Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Re ^¬ geleinrichtung die Frequenzsteuersignale derart ermittelt, dass die Magnetlagerung in der Nähe der Filterfrequenz eine negative dynamische Steifigkeit aufweist .

Das Restregelschema hingegen kann von der Drehfrequenz unabhängig sein . Es ist vorzugsweise derart bestimmt, dass die Regeleinrichtung die Reststeuersignale derart ermittelt, dass die Magnetlagerung den Radialauslenkungen des Drehelements entgegenwirkt , also eine positive dynamische Steifigkeit auf ^¬ weist .

Das erfindungsgemäße Regelverfahren zeigt seine Vorteile ins ^¬ besondere dann, wenn es bei einer Resonanzfrequenz ausgeführt wird, bei der das Drehelement resonant wäre, wenn die Steuer ^¬ signale von der Regeleinrichtung in ihrer Gesamtheit gemäß dem Restregelschema ermittelt würden .

In der Regel ist die Filterfrequenz ein ganzzahliges Vielfa ^¬ ches der halben Drehfrequenz . In vielen Fällen ist sie sogar ein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz . Im einfachsten Fall ist die Filterfrequenz mit der Drehfrequenz identisch .

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Regelverfahren angewen ^¬ det, wenn das Drehelement in einem Drehfrequenzbereich drehzahlregelbar ist, der die Resonanzfrequenz enthält .

Prinzipiell ist die vorliegende Erfindung bei jeder Art Ein ^¬ richtung anwendbar . Beispielsweise wird sie bei elektrischen Maschinen, Turbinen oder Kompressoren angewendet .

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen . Dabei zeigen in Prinzipdarstellung

FIG 1 eine Einrichtung mit einem Grundkörper und einem Drehelement,

FIG 2 einen Schnitt durch eine Magnetlagerung der Einrichtung von FIG 1 , FIG 3 schematisch die Ermittlung von Steuersignalen für die

Magnetlagerung von FIG 2 und FIG 4 ein Drehzahl-Steifigkeitsdiagramm ( sogenanntes KeI- lenbergerdiagramm) .

Gemäß FIG 1 weist eine Einrichtung einen Grundkörper 1 und ein Drehelement 2 auf . Das Drehelement 2 ist mittels Magnet- lagerungen 3 im Grundkörper 1 derart gelagert , das s es um ei ^¬ ne Drehachse 4 drehbar ist . Dies ist in FIG 1 durch einen Doppelpfeil 5 angedeutet . Die Drehachse 4 kann dabei prinzi-

piell eine beliebige Orientierung im Raum (horizontal, verti ^¬ kal, geneigt ) annehmen .

Gemäß FIG 1 ist im Grundkörper 1 ein Stator 6 angeordnet . Hiermit korrespondierend ist auf dem Drehelement 2 ein Rotor 7 angeordnet . Die Einrichtung der FIG 1 ist daher als elekt ^¬ rische Maschine ausgebildet . Diese Ausgestaltung ist aber rein beispielhaft . Prinzipiell ist die vorliegende Erfindung bei jeder Art Einrichtung, z . B . Turbinen oder Kompressoren anwendbar .

Gemäß den FIG 1 und 2 weist die Einrichtung pro Magnetlage ^¬ rung 3 eine Erfassungseinrichtung 8 auf . Mittels der Erfassungseinrichtungen 8 sind unter anderem Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 relativ zur Drehachse 4 im Bereich der Magnetlagerungen 3 erfassbar . Tangential bezüglich der Drehachse 4 bilden die Erfassungseinrichtungen 8 dabei in der Regel einen Winkel von ca . 90 ° . Dies ist aber nicht zwingend erforderlich .

Die Erfas sungseinrichtungen 8 sind mit Regeleinrichtungen 9 datentechnisch verbunden . Die Erfas sungseinrichtungen 8 sind somit in der Lage, die von ihnen erfassten Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 ihren korrespondierenden Regelein- richtungen 9 zuzuführen .

Die Regeleinrichtungen 9 ermitteln anhand der Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 entsprechende Steuersignale Sx, Sy . Sie sind mit ihren Magnetlagerungen 3 steuerungstech- nisch verbunden . Sie sind daher in der Lage, die von ihnen ermittelten Steuersignale Sx, Sy an die Magnetlagerungen 3 auszugeben . Dabei werden die Steuersignale Sx für die Reakti ^¬ on auf die Radialauslenkungen x gemäß FIG 3 unabhängig von den Radialauslenkungen y ermittelt . Analoges gilt für die Steuersignale Sy . Es könnte aber auch eine gegenseitige Wech ^¬ selwirkung der Radialauslenkungen x, y einer einzelnen Magnetlagerung 3 und/oder der Radialauslenkungen x, y mehrerer

Magnetlagerungen 3 untereinander berücksichtigt werden . Dies ist Fachleuten allgemein bekannt .

Gemäß FIG 1 weisen die Erfassungseinrichtungen 8 auch einen Impulsgeber 10 auf . Der Impulsgeber 10 kann dabei den Erfassungseinrichtungen 8 gemeinsam sein . Der Impulsgeber 10 erzeugt bei vorbestimmten Drehstellungen des Drehelements 2 jeweils einen Triggerimpuls P und übermittelt ihn an die Re ^¬ geleinrichtungen 9. Gemäß Ausführungsbeispiel erzeugt und übermittelt der Impulsgeber 10 dabei pro Umdrehung des Drehelements 2 genau einen Triggerimpuls P . Prinzipiell könnte er aber auch pro Umdrehung des Drehelements 2 mehrere Triggerimpulse P erzeugen .

Aus dem zeitlichen Abstand T der vom Impulsgeber 10 abgegebenen Triggerimpulse P ergibt sich direkt und unmittelbar eine Drehfrequenz f des Drehelements 2. Auf Grund der Abgabe der Triggerimpulse P durch den Impulsgeber 10 erfassen die Erfassungseinrichtungen 8 somit auch die Drehfrequenz f des Dreh- elements 2 und führen diese Drehfrequenz f ihren Regeleinrichtungen 9 zu . Da ferner die Triggerimpulse P vom Impulsge ^¬ ber 10 bei vorbestimmten Drehstellungen abgegeben werden, erfassen die Erfassungseinrichtungen 8 zusammen mit der Drehfrequenz f auch die jeweilige momentane Drehstellung des Drehelements 2 und führen diese ihrer jeweiligen Regeleinrichtung 9 zu . Somit sind die Regeleinrichtungen 9 in der Lage, die Frequenz-, Rest- und Steuersignale Fx, Fy, Rx, Ry, Sx, Sy phasenrichtig zu ermitteln und sie auch phasenrichtig (also in Abhängigkeit von der zugeführten Drehstellung und der Phasenlage) an die Magnetlagerungen 3 aus zugeben .

Die Regeleinrichtungen 9 weisen gemäß FIG 3 eingangsseitig parametrierbare Frequenzfilter 11 (Bandpassfilter 11 ) auf . Diesen Frequenzfiltern 11 werden sowohl die Radialauslenkun- gen x, y als auch die Triggerimpulse P zugeführt .

Mittels der Triggerimpulse P bzw . der korrespondierenden Drehfrequenz f werden gemäß Aus führungsbeispiel die Frequenzfilter 11 derart parametriert, dass sie von den Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 die Frequenzanteile aus fil- tern, die Frequenzen in der Nähe eines ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz f aufweisen . Nur diese Anteile werden von den Frequenzfiltern 11 durchgelassen . Die Regeleinrichtungen 9 spalten somit von den Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 einen Anteil - nachfolgend Frequenzanteil ge- nannt - ab, der die Anteile der Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 umfasst , welche Frequenzen in der Nähe dieses ganz zahligen Vielfachen der Drehfrequenz f aufweisen .

Gemäß FIG 3 entspricht eine Periode des durchgelas senen Fre- quenzanteils im Wesentlichen dem zeitlichen Abstand T der

Triggerimpulse P . Der Frequenzanteil umfasst somit die Antei ^¬ le der Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 , die Frequenzen in der Nähe der Drehfrequenz f selbst aufweisen . Prinzipiell wäre es aber auch möglich, Anteile mit Frequenzen in der Nähe eines „echten" ganz zahligen Vielfachen der Drehfrequenz f oder der halben Drehfrequenz f aus zufiltern . Auch beliebige andere Filterfrequenzen sind möglich, wenn sie nur in einem vorbestimmten Verhältnis zur Drehfrequenz stehen . Auch ist es möglich, mehrere derartiger Frequenzfilter 11 pa- rallel zu ordnen, wobei in diesem Fall jedes Frequenzfilter 11 einen anderen Frequenzanteil aus filtert, also z . B . auf ein anderes ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz f abge ^¬ stimmt ist . Dadurch ist es möglich, jeden ausgefilterten Frequenzanteil unabhängig von den anderen ausgefilterten Fre- quenzanteilen und auch unabhängig vom Restanteil ( siehe nachstehend) zu behandeln .

Der ausgefilterte Frequenzanteil und die gesamten Radialaus ^¬ lenkungen x, y werden Subtrahierern 12 zugeführt . Die Subtra- hierer 12 ermitteln anhand der gesamten Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 und des ausgefilterten Frequenzanteils

deren Differenz . Diese Differenz wird nachfolgend Restanteil genannt .

Die Regeleinrichtungen 9 weisen weiterhin Frequenz steuersig- nalermittler 13 und Reststeuersignalermittler 14 auf .

Die Frequenzanteile werden den Frequenzsteuersignalermittlern 13 zugeführt . Diese ermitteln anhand der ihnen zugeführten Frequenzanteile gemäß einem Frequenzregelschema Frequenzsteu- ersignale Fx, Fx . Die Restanteile werden den Reststeuersig ^¬ nalermittlern 14 zugeführt . Diese ermitteln gemäß einem Restregelschema Reststeuersignale Rx, Ry .

Die Frequenzsteuersignale Fx, Fy und die Reststeuersignale Rx, Ry werden Summierern 15 zugeführt . Diese ermitteln durch Summieren der Frequenz steuersignale Fx, Fy und der Reststeu ^¬ ersignale Rx, Ry die Steuersignale Sx, Sy .

Die Reststeuersignalermittler 14 ermitteln die Reststeuersig- nale Rx, Ry in aller Regel unabhängig von der Drehfrequenz f . Das Restregelschema ist somit in der Regel von der Drehfre ^¬ quenz f unabhängig bzw . wird unabhängig von der Drehfrequenz f beibehalten . Es ist daher - siehe FIG 3 - nicht erforderlich, ihnen die Triggerimpulse P bzw . die Drehfrequenz f zu- zuführen .

Selbst wenn aber, wie in FIG 4 gestrichelt angedeutet ist, das Restregelschema geringfügig von der Drehfrequenz f abhän ^¬ gig ist, bewirkt dies keinen wesentlichen Unterschied. Denn in beiden Fällen ermitteln die Reststeuersignalermittler 14 die Reststeuersignale Rx, Ry derart , dass die Magnetlagerun ^¬ gen 3 den Radialauslenkungen x, y des Drehelements 2 entgegenwirken . Bezüglich der Reststeuersignale Rx, Ry weisen die Magnetlagerungen 3 somit eine - in FIG 4 gestrichelt einge- zeichnete - dynamische Steifigkeit S auf, die positiv ist .

Die Frequenzsteuersignalermittler 13 hingegen ermitteln die Frequenzsteuersignale Fx, Fy in aller Regel in Abhängigkeit von der Drehfrequenz f . Das Frequenzregelschema ist somit von der Drehfrequenz f abhängig bzw . wird in Abhängigkeit von der Drehfrequenz f variiert . Dies ist deutlich aus FIG 4 ersicht ^¬ lich . Denn insbesondere ist die dynamische Steifigkeit S der Magnetlagerungen 3 bezüglich der Frequenz steuersignale Fx, Fy eine Funktion der Drehfrequenz f . Den Frequenzsteuersignalermittlern 13 werden daher gemäß FIG 3 die Triggerimpulse P bzw . die Drehfrequenz f zugeführt .

Ebenfalls in FIG 4 eingezeichnet sind Resonanzfrequenzkurven fRK, anhand derer ersichtlich ist, bei welchen Resonanzfrequenzen fR das Drehelement 2 resonant wäre, wenn die Steuer- Signale Sx, Sy in ihrer Gesamtheit gemäß dem Restregelschema ermittelt würden . Wie aus FIG 4 ersichtlich ist, ermitteln die Frequenzsteuersignalermittler 13 die Frequenzsteuersignale Fx, Fy aber stets derart, dass das Drehelement 2 auch bei den Resonanzfrequenzen fR bei der erfindungsgemäßen Art der Steuersignalermittlung nicht resonant ist . über einen Teil des möglichen Frequenzbereichs ermitteln die Frequenzsteuersignalermittler 13 die Frequenz steuersignale Fx, Fy dabei so ^¬ gar derart, dass die Magnetlagerungen 3 in der Nähe der Filterfrequenz (bzw . hier in der Nähe der Drehfrequenz f) , auf welche die Frequenzfilter 11 parametriert sind, eine - in FIG 4 strichpunktiert eingezeichnete - dynamische Steifigkeit S aufweisen, die negativ ist .

Schließlich ist aus FIG 4 noch ersichtlich, dass das Drehele- ment der vorliegenden Erfindung in einem Drehfrequenzbereich drehzahlregelbar ist, welcher mindestens eine Resonanz fre ^¬ quenz fR - im vorliegenden Fall sogar mehrere Resonanz frequenzen fR - enthält .

Durch die erfindungsgemäße regelungstechnische Trennung der statischen Tragfunktion der Magnetlagerungen 3 - Stichwort Restregelsignale Rx, Ry - von deren dynamischen Eigenschaften

- Stichwort Frequenzsteuersignale Fx, Fy - ist somit eine er ^¬ hebliche Verbesserung des Schwingungsverhaltens des Drehele ^¬ ments 2 und damit verbunden eine deutliche Erweiterung des zulässigen Drehfrequenzregelbereichs möglich . Dies kann ins ^¬ besondere deshalb erreicht werden, weil durch die erfindungs ^¬ gemäße Vorgehensweise negative dynamische Steifigkeiten S der aktiven Magnetlagerungen 3 erreicht werden können, ohne die Stabilität der Magnetlagerungen 3 zu gefährden .