DE19539976A1 - Treiberschaltung hohen Wirkungsgrades für ein magnetisches Lagersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Lagersystem, in wel­ chem zur Lagerung einer Welle mindestens eine magnetische La­ geranordnung vorgesehen ist, welche Paare von einander bezüg­ lich der Welle diametral gegenüberliegenden Elektromagneten umfaßt, wobei die Paare von Elektromagneten in Umfangsrich­ tung winkelmäßig gegeneinander versetzt sind, mit einem Wel­ lenpositionssensor zum Erfassen der Position der durch die magnetische Lageranordnung gelagerten Welle und mit einer Treiberschaltung für die Spule jedes der Elektromagneten zur Speisung dieser Spule mit einem Strom aus einer Gleichspan­ nungsquelle mit einem positiven und einem negativen Anschluß.

Speziell befaßt sich die Erfindung mit einer einen hohen Wir­ kungsgrad aufweisenden Treiberschaltung für ein System mit aktiven magnetischen Lagern.

Magnetische Lager werden zur Abstützung bzw. Lagerung von Wellen in verschiedenen Maschinen und Instrumenten benutzt. Passive magnetische Lager umfassen dabei lediglich Permanent­ magnete und besitzen keine elektronische Steuerung. Aktive magnetische Lager arbeiten mit Elektromagneten und besitzen zugeordnete elektronische Steuer- bzw. Regeleinrichtungen für den Strom durch Spulen der Elektromagneten und damit für die Positionierung der Welle. Hybridsysteme arbeiten sowohl mit Permanentmagneten als auch mit Elektromagneten, wobei für letztere zugeordnete Steuer- bzw. Regeleinrichtungen vorgese­ hen sind. Aktive magnetische Lagersysteme ermöglichen die zu­ verlässigste und vollständigste Form der Steuerung bzw. Rege­ lung und stellen somit den bevorzugten Typ magnetischer Lager für die vorliegende Erfindung dar.

Magnetische Lager können Radial- oder Axiallager sein. Bei aktiven magnetischen Radiallagern sind mehrere Elektromagnete winkelmäßig versetzt rund um die Welle angeordnet und erzeu­ gen bei Erregung entgegengesetzte magnetische Kräfte, die zur Folge haben, daß die Welle in dem freien Raum schwebend gela­ gert wird, der durch die Anordnung von Elektromagneten defi­ niert wird. Wellensensoren detektieren die Position der Welle und verändern die Erregung der Elektromagneten in der Weise, daß die Welle bezüglich einer gewünschten Lage exakt zen­ triert bleibt. Magnetische Axiallager arbeiten als Druckla­ ger, um die axiale Position der Welle aufrechtzuerhalten. Diese Lager werden in ähnlicher Weise wie magnetische Ra­ diallager gesteuert, arbeiten jedoch typischerweise in Ver­ bindung mit einer von der Welle getragenen Scheibe, und zwar derart, daß die Scheibe zwischen einem Paar von einander ge­ genüberliegenden elektromagnetischen Spulen in einer vorgege­ benen Position gehalten wird.

Bei einem magnetischen Lagersystem wird die Welle vor ihrem Antrieb zu einer Drehbewegung typischerweise in einen Schwe­ bezustand angehoben, und die magnetischen Lager lagern bzw. tragen die Welle ab diesem Zeitpunkt über ihren gesamten Ar­ beitsbereich. Irgendwelche Belastungen, denen die Maschine unterworfen ist, wie z. B. Vibrationsbelastungen und derglei­ chen, wirken somit auch an den magnetischen Lagern. Die Steu­ er- bzw. Regelsysteme sind dabei geeignet, die schwankenden Lasten in der Weise zu kompensieren, daß die Welle im Inneren der Lager im Schwebezustand in einer vorgegebenen, zentrier­ ten Lage gehalten wird.

Da die Welle kontinuierlich gelagert werden muß, müssen die Elektromagnete der Lager kontinuierlich erregt werden. Bei einigen Anwendungen ist die Menge der von den Lagern ver­ brauchten Energie nicht von großer Bedeutung. In diesem Fall können lineare Verstärker verwendet werden, welche die einan­ der gegenüberliegenden Spulen eines Paares kontinuierlich speisen, wobei die von den linearen Verstärkern gelieferten Ströme derart abgeglichen werden, daß entgegengesetzte Kräfte erzeugt werden, welche die Welle im Schwebezustand in einer zentrierten Lage zwischen den Lagern halten.

In vielen Fällen ist jedoch der Energieverbrauch durch die magnetischen Lager ein wichtiger Faktor. Beispielsweise ist es häufig erwünscht, den Energieverbrauch bei solchen Anwen­ dungen zu reduzieren, bei denen nur eine begrenzte Energie­ menge zur Verfügung steht. Weiterhin ist in den Fällen, in denen die übermäßige Verlustwärme, die durch überschüssige, von den Elektromagneten der Lager verbrauchte Energie erzeugt wird, ein wichtiger Faktor ist, ist eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Bedeutung, um eine geringere Wärmeerzeu­ gung zu erreichen. In vielen Fällen, wie z. B. beim Einsatz in Flugzeugen, ist außerdem die Kapazität der Energiequelle be­ grenzt, was einen erhöhten Wirkungsgrad wünschenswert macht. Bei diesen Anwendungen ist es erwünscht, daß die Lager über lange Betriebszeiten hinweg zuverlässig arbeiten, unter der Voraussetzung, daß sie nicht aufgrund eines übermäßigen Ener­ gieverbrauchs einer erhöhten Erwärmung ausgesetzt sind. Die vorstehenden Überlegungen machen es wünschenswert, Elektroma­ gnete mit einem Minimum von Energie zu betreiben und die Energie auf Kräfte zu konzentrieren, die tatsächlich erfor­ derlich sind, um die Welle schwebend zu lagern.

Die Tatsache, daß Elektromagneten Induktivitäten mit angemes­ sen großen Induktivitätswerten sind, führt zu einer Reihe von Komplikationen. Bei geschalteten bzw. getakteten Energiever­ sorgungen bzw. -quellen, wie z. B. Energieversorgungen mit Pulsweitenmodulation kann der den Spulen der Elektromagneten zugeführte Strom moduliert werden. Während es jedoch eine re­ lativ geradlinige Lösung darstellt, eine Induktivität schnell einzuschalten, bewirkt die charakteristische Eigenschaft ei­ ner Induktivität, nämlich deren Tendenz, einen zuvor fließen­ den Strom aufrechtzuerhalten, daß die Induktivität bei einer Schaltkreisunterbrechung als eine Quelle relativ hoher Span­ nung erscheint. In einigen Fällen sind daher typischerweise parallel zu den Spulen Freilaufdioden geschaltet, um zu ver­ hindern, daß hohe Übergangsspannungen die elektronischen Schaltkreiskomponenten zerstören, und um überschüssige Ener­ gie aus der Spule zu vernichten. Die Energie, die beim Flie­ ßen eines Stroms durch die Spule und die Freilaufdiode all­ mählich vernichtet wird, trägt jedoch letztlich zu Energie­ verlusten und einer Wärmeerzeugung bei (I²R). Somit wird nicht nur die Energie verschwendet, die sich während des Ein­ schaltintervalls in der Spule aufbaut; diese Energie wird vielmehr auf eine Weise vernichtet, welche die Probleme da­ durch verschärft, daß sie zur Entstehung von Verlustwärme beiträgt.

Bei vielen Anwendungen, wie z. B. bei gewissen Einsätzen in Flugzeugen, ist die am bequemsten verfügbare Energiequelle eine Quelle niedriger Spannung, welche nicht notwendigerweise optimal für das Erfordernis eines schnellen Ein- und Aus­ schaltens ausgelegt ist, wie es für die Elektromagneten ma­ gnetischer Lage erwünscht ist. Weiter ist es erwünscht, va­ riable und exakt kontrollierbare Kräfte zu erzeugen, die zu einem variablen Steuersignal direkt proportional sind. Die von einem magnetischen Lager erzeugte Kraft ist direkt pro­ portional zu dem Strom durch die entsprechende Spule. Die Bandbreite (Geschwindigkeit) eines magnetischen Lagers ist ferner davon abhängig, wie schnell der Strom durch die Spule geschaltet werden kann (di/dt). Diese Stromschaltgeschwindig­ keit ergibt sich aufgrund der Gleichung V=L_*di/dt, oder mit anderen Worten ist die Spannung über der Spule gleich der In­ duktivität der Spule mal der ersten zeitlichen Ableitung des Spulenstroms. Da die Spuleninduktivität eine Funktion der Geometrie der Spule und der Materialien der Magnete ist, ist sie relativ konstant (unter der Voraussetzung eines konstan­ ten magnetischen Lagerspalts und konstanter Strompegel, die deutlich unterhalb des Sättigungspegels des magnetischen Ma­ terials liegen) und relativ unabhängig vom Spulenstrom und von der Spulenspannung. Bei einer gegebenen Induktivität (L) ist also die Änderungsgeschwindigkeit (di/dt) für den Strom von der Spannung abhängig, die an die Spule angelegt wird. Mit anderen Worten gilt: di/dt = V/L. Daraus folgt, daß zur Erhöhung der Lagerbandbreite (unter der Annahme einer kon­ stanten Induktivität L) die Spulenspannung erhöht werden muß. Die konventionellen Treiberschaltungen klammern jedoch die Spulenspannung beim Abschalten an den Spannungsabfall (etwa 0,7 V) über einer einzigen Diode, und daher ist der Wert von di/dt in der Abschaltphase des Zyklus auf 0,7/L begrenzt. Ei­ ner der Vorteile des Schalterkreises gemäß vorliegender Er­ findung besteht darin, daß in der Abschaltphase des Zyklus die volle Versorgungsspannung in Form einer entgegengesetzt gepolten Vorspannung über der Spule angelegt wird. Nimmt man an, daß die Energiequelle eine Spannung von 28 V liefert, dann kann also gemäß der Erfindung für di/dt ein Wert von 28/L erreicht werden. Somit wird di/dt beim Abschalten der Spule gegenüber der konventionellen Schaltung etwa um den Faktor 40 erhöht. Betrachtet man speziell die Arbeitsweise bei relativ niedrigen Gleichspannungen, wie z. B. 28 V, dann ist zu erwarten, daß Situationen eintreten werden, in denen die Möglichkeiten für einen Kompromiß zwischen der Induktivi­ tät des Elektromagneten, den erzeugten Kräften, der magneti­ schen Schaltung und der gewünschten Bandbreite bei diesem (Spannungs-)Pegel der Energiequelle unzureichend sind, wenn man mit dem üblichen Konzept zur Erzeugung der Anstiegsge­ schwindigkeiten und der Bandbreite arbeitet.

Ausgehend von Stand der Technik und der vorstehend aufgezeig­ ten Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Lagersystem anzugeben, bei welchem der Treiberkreis für ein Arbeiten mit hohem Wirkungsgrad aus­ gelegt ist, um dadurch die aus der Energiequelle abgezogene Energie zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen magnetischen Lagersystem gemäß der Erfindung durch die Merkmale gemäß Pa­ tentanspruch 1 gelöst.

Genauer gesagt liegen der vorliegenden Erfindung zwei mitein­ ander verwandte Ziele zugrunde:
Gemäß dem ersten Ziel wird angestrebt, eine Diodenschaltung zu schaffen, welche beim Abschalten die Energie zu der Ener­ giequelle zurückführt wird, anstatt sie in der abgeschalteten Induktivität zu vernichten, und welche gleichzeitig die Mög­ lichkeit bietet, eine erhebliche Steigerung von di/dt zu er­ reichen.

Bei der Realisierung dieses Ziels wird gemäß vorliegender Er­ findung ferner angestrebt, zum Einsatz in Verbindung mit der Induktivität eines Elektromagneten in einem aktiven magneti­ schen Lagersystem einen Schalterkreis zu schaffen, der es ge­ stattet, daß die Energiequelle beim Einschalten schnell an die Spule angelegt wird, und der es ferner gestattet, die Energiequelle beim Abschalten der Spule mit umgekehrter Po­ lung schnell an diese anzulegen, damit Energie aus der Spule in die Energiequelle zurückgeliefert werden kann.

Gemäß einem zweiten Hauptziel der Erfindung soll ferner die Phase des Betriebs mehrerer Elektromagneten in einem magneti­ schen Lagersystem in einer solchen Weise gesteuert werden, daß zumindest einige der Spulen dann abgeschaltet werden, während andere Spulen entweder eingeschaltet sind oder gerade eingeschaltet werden. Auf diese Weise können die Spulen, die abgeschaltet werden und die so geschaltet sind, daß sie Ener­ gie an die Energiequelle zurückliefern können, die zurückge­ lieferte Energie direkt an die eingeschalteten Spulen abgeben und dadurch die aus der Energiequelle abgezogene Energie ver­ ringern.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Detailbeschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich werden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines magnetischen La­ gersystems mit einem Paar von Radiallagern und einem einzigen Axiallager, wobei diese Lager einer zu einer Drehbewegung antreibbaren Welle zugeordnet sind,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild zur Verdeutlichung des Zusammenwirkens der elektrischen und elektronischen Komponenten des Systems gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild mit den elektri­ schen und elektronischen Komponenten eines magneti­ schen Lagersystems gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines Schalterkreises und seiner zugeordneten elektromagnetischen Spule, wobei die Pfade für die Energieübertragung zu und von der Spule angedeutet sind;

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer pulsweitenmodu­ lierten Steuerungsschaltung zur Verwendung in Verbin­ dung mit der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild der elektronischen Ele­ mente der bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung benutzten Treiberschal­ tung; und

Fig. 7A bis 7C Diagramme gewisser in den Schaltungen ge­ mäß Fig. 5 und 6 auftretender Signalformen.

Während die Erfindung nachstehend in Verbindung mit gewissen bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden wird, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese Aus­ führungsbeispiele zu beschränken. Dem Fachmann stehen viel­ mehr, ausgehend von den Ausführungsbeispielen, zahlreiche Al­ ternativen, Modifikationen und Äquivalente zu Gebote, wie sie durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche definiert werden.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 dem generellen mechanischen Aufbau eines magnetischen Lagersystems zur Erläuterung der vorlie­ genden Erfindung. Es ist ein Paar von aktiven, magnetischen Radiallagern 21, 22 gezeigt, die im Abstand voneinander eine Welle 23 lagern. Jede Lageranordnung bzw. jedes Lager umfaßt mehrere Elektromagnete und mehrere Positionssensoren. Wie nachstehend noch detailliert beschrieben werden wird, werden die von den Positionssensoren abgeleiteten Signale an ein Steuer- bzw. -Regelsystem zurückgeführt, um den Strom in den Elektromagneten zur regeln und dadurch die Welle 23 in einer vorgegebenen Position in der Schwebe zu halten, die bezüglich des relativ zu den Lagern gebildeten Spalts im wesentlichen zentriert ist. Speziell umfaßt das magnetische Lager 21 gemäß Fig. 1 vier Spulen 30 bis 33. Während dies für die Orientie­ rung bezüglich irgend einer bestimmten Achse nicht erforder­ lich ist, ist es in dem System günstig, zwei zueinander senk­ rechte Achsen X und Y zu definieren, um die Beschreibungen der relativen Positionen der einzelnen Elemente zu erleich­ tern. In diesem Sinne werden die Spulen bzw. die damit gebil­ deten Elektromagneten 30 und 31 des magnetischen Lagers 21 als Y-Achsen-Magneten definiert und die Spulen bzw. Magneten 32, 33 als X-Achsen-Magneten. Die Welle 23 besteht aus einem elektromagnetischen Material, vorzugsweise einem laminierten Material und besitzt, wenn sie zwischen den Elektromagneten zentriert ist, einen umlaufenden Arbeitsspalt von beispiels­ weise 0,127 mm.

Wellenpositionssensoren 34, 35 sind derart montiert, daß sie die Position der Welle 23 bezüglich der Y-Achse bzw. der X- Achse erfassen bzw. messen. Während verschiedene Wellenposi­ tionssensoren verwendet werden können, werden vorzugsweise mit einer variablen Reluktanz arbeitende Sensoren verwendet, wie sie in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung "Positionssensor, insbesondere für eine rotierende Welle" der Anmelderin beschrieben sind.

Wendet man sich dem in Fig. 1 rechten magnetischen Lager 22 zu, so erkennt man, daß dieses Lager in ähnlicher Weise aus­ gebildet ist wie das linke Lager 21. Ein Paar von Y-Achsen- Spulen bzw. -Magneten 40, 41 arbeitet mit einem Paar von X- Achsen-Spulen bzw. -Magneten 42, 43 zusammen, und Sensoren 44, 45 erfassen die Position der Welle 23 bezüglich der Y- Achse bzw. der X-Achse.

Da die Welle 23 bei aktiviertem Elektromagneten frei schwe­ bend gelagert ist, sind Einrichtungen vorgesehen, um eine ge­ eignete axiale Position der Welle 23 aufrechtzuerhalten. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist zu diesem Zweck ein aktives magnetisches Axiallager 24 vorgesehen. Hinsichtlich seines körperlichen Aufbaus unterschiedet sich das Axiallager 24 etwas von den Radiallagern 21, 22, funktioniert jedoch insgesamt etwa in derselben Weise. Das Axiallager 24 umfaßt ein Paar von Elektromagneten 50, 51, die mit einem Flansch 52 zusammenwirken, der radial von der Welle 23 absteht. Der Flansch 52 besteht, wie die Welle 23, aus einem elektromagne­ tischen Material. Erregerströme, die den Elektromagneten 50, 51 zugeführt werden, halten den Flansch 52 in einer zentralen Position in dem Spalt zwischen den Elektromagneten 50, 51. Ein Positionssensor 55 liefert ein Signal, welches die Posi­ tion des Flansches 52 anzeigt, und dieses Signal wird in ei­ nem Rückkopplungskreis dafür verwendet, um für die Elektroma­ gneten 50, 51 geeignete Ströme zu erzeugen, um die Welle 23 zwischen den Magneten 50, 51 zu zentrieren und sie in ihrer zentrierten Position zu halten.

Typischerweise sind einem elektromagnetischen Lagersystem und dem zugehörigen Antriebs- und Steuermechanismus weitere me­ chanische Elemente zugeordnet. Für das Verständnis der vor­ liegenden Erfindung sind jedoch Form und Gestalt der gemäß Fig. 1 eingeführten Elemente angemessen.

Wendet man sich unter Berücksichtigung dieses Sachverhalts nunmehr Fig. 2 in der Zeichnung zu, so wird deutlich, daß dort das magnetische Lagersystem bzw. Lager 20 gemäß Fig. 1 dargestellt ist, wobei ferner schematisch die Verknüpfung des Lagers mit der Elektronik bzw. der Treiberschaltung darge­ stellt ist. Das magnetische Lager 21 ist auf der linken Seite von Fig. 2 dargestellt und umfaßt die Y-Antriebsspulen 30, 31 und die X-Antriebsspulen 32, 33 bzw. die Elektromagneten 30 bis 33. Rechts in Fig. 2 ist das magnetische Radiallager 22 gezeigt, und das Axiallager 24 ist im mittleren Teil dieser Zeichnungsfigur dargestellt.

Bei der praktischen Realisierung der Erfindung sind die Spu­ len der Elektromagnete paarweise angeordnet, um paarweise an­ gesteuert zu werden, und die Steuer- bzw. Treiberschaltung ist so ausgebildet, daß sie die Spulen paarweise in der Weise mit einem Erregerstrom beaufschlagt, daß die Nettoenergie, die aus einer Energiequelle 60 gezogen wird, minimiert wird. Der Einfachheit halber ist in Fig. 2 lediglich die Verbindung der Energiequelle 60 mit den entsprechenden Treiberschaltun­ gen dargestellt. Eine erste Treiberschaltung 61 dient dazu, das der Richtung Y zugeordnete Paar von Spulen 30, 31 des La­ gers 21 zu speisen. In entsprechender Weise ist ein zweiter, ähnlicher Spulentreiber 62 dafür vorgesehen, das für die Richtung X vorgesehene Paar von Spulen 32, 33 für das Lager 21 zu speisen bzw. anzusteuern. Zusätzliche Treiberschaltun­ gen 63, 64 dienen der Speisung bzw. Ansteuerung des der Rich­ tung Y zugeordneten Paares von Spulen 40, 41 bzw. des der Richtung X zugeordneten Paares von Spulen 42, 43 des Lagers 22. Schließlich ist eine Treiberschaltung 65 vorgesehen, um das Spulenpaar 50, 51 des Druck- bzw. Axiallagers zu speisen.

Sämtliche Treiberschaltungen werden über eine einzige Steuer­ bzw. Regelschaltung 70, die vorzugsweise auf der Basis eines Mikroprozessors aufgebaut ist, angesteuert.

Wie nachstehend noch näher erläutert werden wird, ist die Steuerung 70 eine auf der Basis von Schaltmodulen aufgebaute Steuerung, welche den Strom zu den einzelnen Wicklungen bzw. Elektromagneten dadurch steuert bzw. regelt, daß sie das Im­ puls/Pausen-Verhältnis der den Spulen zugeführten Treiberim­ pulse, also das Tastverhältnis für die Spulen variiert. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird mit einer Pulswei­ tenmodulation gearbeitet. Bei einer konventionellen Pulswei­ tenmodulation besitzt die Impulsfolgefrequenz eine feste Pe­ riode, während die Breite des Intervalls in dem während der fest vorgegebenen Periodendauer ein Strom fließt, eingestellt wird, um die mittlere Stromstärke an Ausgang zu modulieren. Während in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Pulsweitenmodulation beschrieben werden wird, wie sie gegenwärtig bevorzugt wird, versteht es sich, daß andere For­ men einer Schaltmodulation verwendet werden können, wie zum Beispiel eine Frequenzmodulation, eine Impulspositionsmodula­ tion und dergl. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch deutlich werden wird, ist es unabhängig von der Art der tat­ sächlich verwendeten Modulation einfach erforderlich, dafür zu sorgen, daß die Modulatoren für ein Paar phasenverschoben arbeiten und die zugeordneten Schalter eines Paares derart ansteuern, daß vor dem bzw. beim Abschalten einer der Spulen die zweite Spule des Paares eingeschaltet ist oder gerade eingeschaltet wird. Berücksichtigt man in diesem Zusammen­ hang, daß die typische Betriebsfrequenz der hier einzusetzen­ den Modulationssysteme in der Größenordnung von 40 kHz liegt, und berücksichtigt man ferner, daß die Induktivitäten relativ groß sind, ergibt sich für die Strompegel in irgend einer Spule während eines bestimmten Impulses kaum eine Chance für das Erreichen eines stetigen Zustands, so daß man, solange die Steuerschalter für eine bestimmte Spule eingeschaltet sind, erwarten kann, daß sich der Strom durch die zugeordne­ ten Spule während der Dauer des Einschaltintervalls aufbaut.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit Pulsweitenmodula­ tion wird die Impulsbreite im Ruhezustand auf ein Niveau un­ mittelbar oberhalb von 50% eingestellt, so daß den Elektro­ magneten eine definierte Energiemenge zugeführt wird, wobei diese Energiemenge allerdings relativ klein ist. Wenn das Im­ puls/Pausen-Verhältnis auf einen Wert von 50% oder darunter eingestellt würde, würde ein sehr geringer Energietransport zu den Elektromagneten erfolgen, da der Strom in diesem Fall während des Pausenintervalls stets auf Null zurückkehrt und der Mittelwert daher klein bleibt. Für eine Impulsdauer über 50% kehrt der Strom nicht während jedes Zyklus auf Null zu­ rück, sondern steigt während jedes Zyklus an bis ein einem stetigen Zustand entsprechender Wert erreicht ist. Die Stro­ mänderung für eine vorgegebene prozentuale Änderung des Im­ puls/Pausen-Verhältnisses ist dabei bei einem Impuls/Pausen- Verhältnis von über 50% wesentlich größer als für Im­ puls/Pausen-Verhältnisse unterhalb von 50%. Daher ist es bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wünschenswert, ein Ruhe- Impuls/Pausen-Verhältnis in der Nähe von 50% oder etwas dar­ über aufrechtzuerhalten, um einen schnellen Stromanstieg und einen entsprechenden Kraftanstieg für den Fall zu erreichen, daß von dem Ruhezustand zu Übergangsbedingungen bzw. -kräften übergegangen wird.

Man sieht, daß außer den Schaltkreisverbindungen zwischen der Steuerung 70 und jeder der Treiberschaltungen 61 bis 65 sämt­ liche Positionssensoren 34, 35, 44, 45 und 55 ebenfalls mit der Regelung bzw. Steuerung verbunden sind. Die Steuerung wertet die von den Wellensensoren gelieferte Positionsinfor­ mation in der Weise aus, daß Bedarfssignale für die Pulswei­ tenmodulation der Steuerungen bzw. Treiberschaltungen für die betreffenden Spulen bzw. Elektromagneten berechnet werden, um die Impulsbreite der Treiberimpulse zu steuern, die zu den Spulen übertragen werden. Vorzugsweise werden die Sensoren, die einem der magnetischen Lager zugeordnet sind, nur für die Bestimmung der Treiberimpulse für das betreffende Lager ver­ wendet. Beispielsweise werden die Sensoren 34, 35 nur verwen­ det, um die Treiberimpulse für die Elektromagneten 30 bis 33 zu regeln bzw. zu steuern.

Bei einer speziellen Ausgestaltung kann es möglich sein, nur den Y-Achsen-Sensor 31 allein zur Steuerung der Spulen 30, 31 zu verwenden und den X-Achsen-Sensor 35 zur Steuerung der X- Achsen-Spulen 32, 33. Alternativ besitzt der Prozessor 70 ei­ ne angemessene Rechenleistung, um durch Kombinieren der Posi­ tionssignale von den Sensoren 34, 35 eine vektorielle Infor­ mation zu berechnen und entsprechende, kombinierte Steuersi­ gnale für die der X-Achse und der Y-Achse oder den Achsen ir­ gend eines anderen Koordinatensystems zugeordneten Elektroma­ gnete zu liefern.

Fig. 3 zeigt eine weitere Darstellung der Steuer- bzw. Regel­ schaltung, die auf einer etwas anderen Perspektive basiert als diejenige gemäß Fig. 2, und zwar unter dem Aspekt der Ausgestaltung der Elektronik, ohne daß der räumliche Zusam­ menhang der Komponenten des magnetischen Lagersystems darge­ stellt würde. Im einzelnen zeigt Fig. 3 mehrere Leistungs­ schaltkreise 100, die entsprechende Elektromagnetspulen 101 treiben, welche die Ausgangselemente des elektromagnetischen Lagersystems darstellen. Ein digitaler Signalprozessor 102 erzeugt mehrere Schaltersteuersignale für die betreffenden Leistungsschaltkreise 100. Die Energieversorgung 60 ist mit sämtlichen Leistungsschaltkreisen verbunden, um den Elektro­ magnetspulen 101 Energie zuführen zu können. Die Positions­ sensoren sind in Fig. 3 allgemein mit dem Bezugszeichen 103 bezeichnet und über Positionssensor-Schnittstellen- Schaltungen 104 mit einem Datensammelsystem 105 verbunden. Das Datensammelsystem 105 ist seinerseits mit einem Adreßbus 106 und einem Datenbus 107 des digitalen Signalprozessors 102 verbunden. Der Prozessor 102 arbeitet somit durch Überwachen seines Adreßbusses und seines Datenbusses und erforderli­ chenfalls durch Reagieren auf Interrupt-Signale mit Hilfe des Datensammelsystems 105 in der Weise, daß die Wellenposition abgetastet und mit Hilfe des Wellenpositionssensoren 103 und der Schnittstellen 104 ausgelesen wird. Das Datensammelsystem 105 besitzt außerdem Verbindungen 110 zur Energieversorgung 60 und Verbindungen 111 zu einem Temperatursensor zum Messen der Umgebungsbedingungen. Diese Bedingungen werden über das Datensammelsystem 105 an den digitalen Signalprozessor 102 weitergegeben, der diese Information bei Prozeßalgorithmen verwenden kann, die dazu bestimmt sind, die Treiberimpulse für die Elektromagneten entsprechend einzustellen.

Viele Steuer- bzw. Regelsysteme für magnetische Lager werten die aktuelle Drehzahl der Welle 23 aus. Beispielsweise ge­ stattet die Kenntnis der Drehzahl der Welle dem Steuersystem eine Unterscheidung zwischen systematischen Vibrationen, die eine Funktion der Drehung der Welle oder einer damit verbun­ denen Last sind, und nicht-systematischen Störungen, die von außen eingeleitet werden. Folglich ist eine Drehzahlschnitt­ stelle in Form eines Drehzahlschnittstellenaufnehmers 114 vorgesehen, der die Welle überwacht, um deren Drehzahl zu be­ stimmen. Eine weitere Schnittstelle 116 liefert ein digitales Eingangssignal, welches der Wellendrehzahl entspricht, an ei­ nen digitalen Eingang des digitalen Signalprozessors 102.

Wendet man sich erneut den Elektromagneten 100 zu, so ver­ knüpfen die gestrichelten Linien, die die Elektromagneten 100 paarweise umgeben, die Darstellung gemäß Fig. 3 mit derjeni­ gen gemäß Fig. 2. Beispielsweise wird das obere Spulenpaar als Treiber 61 bezeichnet, das zweite Spulenpaar als Treiber 62 usw. Die gestrichelten Rechtecke, welche die Leistungs­ schalterkreise 100 paarweise umgeben, sind nach links offen und deuten in dem unten noch zu beschreibenden Ausmaß dieje­ nigen Elemente des digitalen Signalprozessors 102 an, welche die pulsweitenmodulierten Ausgangssignale für die Paare von Elementen der Treiberschaltungen erzeugen.

In Fig. 4 ist der Aufbau einer der gemäß der Erfindung aufge­ bauten Treiberschaltungen 100 dargestellt. Bei einer großen Zahl von Anwendungen für magnetische Lager ist der Wirkungs­ grad von Bedeutung. Während in der Vergangenheit lineare Ver­ stärker zum Treiben der Elektromagnete verwendet wurden, da bei diesen die Ausgangsströme bequem kontinuierlich regelbar sind, wird dieser Verstärkertyp wegen seines geringen Wir­ kungsgrades gemäß der Erfindung nicht bevorzugt. Lineare Ver­ stärker müssen in einem linearen Bereich arbeiten und liefern kontinuierlich Energie. Aus diesen Gründen besitzen solche Verstärker einen geringen Wirkungsgrad, verschwenden Energie und können sich als Wärmegeneratoren erweisen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Schalteinrichtungen bzw. Leistungsschaltkreise vorgesehen, die außerordentlich wirksam sind, da sie an die Elektromagneten des magnetischen Lagersystems eine erhebliche Energie übertragen können, je­ doch andererseits mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, da mit ihrer Hilfe Energie, die von den Elektromagneten nicht verbraucht wird, zurückgewonnen wird. Die Zurückgewinnung der Energie erfolgt auf eine Weise, die weiter unten noch detail­ lierter beschrieben werden wird, derart, daß die zurückgewon­ nene Energie für andere Elektromagnete des Systems zur Verfü­ gung steht. Weiterhin ist das System so ausgebildet, daß das magnetische Lagersystem in der Lage ist, erhebliche Lasten in einer ziemlich feindlichen Umgebung zu lagern (Wellenbelastungen, die über einen weiten Bereich variieren können), während es dennoch mit einer Energiequelle betrieben werden kann, die nur einen relativ niedrigen Spannungspegel besitzt. Es ist natürlich möglich, das magnetische Lagersy­ stem gemäß der Erfindung mit einer Energiequelle zu betrei­ ben, die mit 80, 100 oder 150 V arbeitet, wie dies bei den vorbekannten Systemen der Fall war; das erfindungsgemäße ma­ gnetische Lagersystem bietet jedoch auch die Möglichkeit, mit Energieversorgungen, die mit einer Spannung von deutlich we­ niger als 50 V arbeiten, wirksam und mit einer guten System­ charakteristik zu arbeiten. Beispielsweise besteht bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Möglichkeit für den Einsatz einer Energieversorgung mit einer Gleichspan­ nung von nur 28 V. Wenn in der vorliegenden Anmeldung von Energieversorgungen bzw. -quellen gesprochen wird, die mit einer mäßigen Betriebsspannung arbeiten, dann sind damit Energieversorgungen gemeint, die mit Gleichspannungen im Be­ reich von etwa unter 50 V arbeiten.

Fig. 4 zeigt einen der Leistungsschaltkreise 100 des Systems gemäß Fig. 3. Das wirksame elektromagnetische Element, die der Abstützung (der Welle) dienende Spule, ist mit dem Be­ zugszeichen 101 bezeichnet. Die Gleichstrom-Energieversorgung 60, welche die magnetischen Spulen versorgt, ist auf der lin­ ken Seite der Zeichnung angedeutet. Die Gleichstrom- Energieversorgung 60 besitzt einen positiven Anschluß 120 und einen negativen bzw. geerdeten zweiten Anschluß 121. Zwischen die beiden Anschlüsse 120 und 121 ist ein großer Speicherkon­ densator 122 geschaltet. Die Spule 101 ist mit der Energie­ versorgung 60 nur über Schalter 130, 131 verbunden, welche steuerbar sind und die Verbindung der Energieversorgung 60 mit der Spule 101 sowie die Stromrichtung von und zu der Energieversorgung 60 zeitabhängig steuern. Im einzelnen ist der eine Schalter 130 der beiden genannten Schalter zwischen den positiven Anschluß 120 der Energieversorgung 60 und einen positiven Anschluß 132 der Spule 101 geschaltet. Der zweite Schalter 131 ist zwischen den negativen Anschluß bzw. den ge­ erdeten Anschluß 122 der Energieversorgung 60 und den negati­ ven Anschluß 133 der Spule 101 geschaltet. Die Schalter 130, 131 öffnen und schließen jeweils gemeinsam. Beim Schließen der Schalter 130, 131 wird die Energieversorgung 60 an die Spule 101 angeschlossen und bewirkt einen Stromfluß von deren Anschluß 132 zu deren Anschluß 133. Infolgedessen erzeugt der Elektromagnet eine magnetische Kraft, deren Größe proportio­ nal zum Stromfluß durch die Spule ist und die als Stützkraft für die Welle 23 wirksam wird, welche durch die magnetischen Lager schwebend gelagert werden soll. Wenn der digitale Steu­ ermodul (Fig. 3) bestimmt, daß die Schalter 130, 131 geöffnet werden sollen, öffnen diese gleichzeitig. Der untere Anschluß 133 der Spule 101 beginnt aufgrund der Induktivität der Spule eine positive Spannung anzunehmen. Der Stromfluß durch die Spule 101 setzt sich jedoch fort, da Umleitdioden 134, 135 derart geschaltet sind, daß sie für die von der Energiever­ sorgung 60 an den Elektromagneten bzw. die Spule 101 gelie­ ferte Spannung in Sperrichtung gepolt sind. Im einzelnen liegt die Diode 134 zwischen dem positiven Anschluß 120 der Energieversorgung 60 und dem negativen Anschluß 133 der Spule 101. In entsprechender Weise liegt die Diode 135 zwischen dem negativen bzw. geerdeten Anschluß 121 der Energieversorgung 60 und dem positiven Anschluß 132 der Spule 101. Wenn also der Spulenanschluß 133 positiv wird, kann nunmehr weiterhin ein Strom fließen, und zwar durch die Diode 134, über den Kondensator 122 und über die Diode 135 zum Spulenanschluß 132. Infolgedessen wird die in der Spule 101 gespeicherte Energie, die dazu geführt hat, daß sich am Anschluß 133 ein positives Potential ergibt, zu der Energieversorgung 60 zu­ rückgeleitet, und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 speziell in den Speicherkondensator 122 als Bestandteil der Energieversorgung 60. Es ist wichtig, die Unterschiede des Leistungsschaltkreises gemäß Fig. 4 gegenüber einem konven­ tionellen Schaltkreis zu beachten, bei dem einfach eine Frei­ laufdiode parallel zu der Spule 101 geschaltet ist. Eine ty­ pische Freilaufdiode würde, ähnlich wie die Diode 135, lei­ tend gesteuert, wäre jedoch zwischen die Spulenanschlüsse 132 und 133 geschaltet. Somit würde die Induktionsspannung der Spule 101 beim Öffnen des Schalters 130 einfach zu einem Strom in dem geschlossenen Kreis aus Diode 135 und Spule 101 führen und letztlich in diesen Elementen aufgezehrt werden. Die beim Abschalten in der Spule noch vorhandene Energie wird also bisher nicht nur verzehrt, sondern erzeugt zusätzlich unerwünschte Wärme. Bedenkt man, daß in dem System etwa zehn Spulen 101 vorhanden sind und daß diese mit der hohen Fre­ quenz von etwa 40 kHz getaktet werden, dann erkennt man, daß sich erhebliche Energieverluste aufsummieren und zu einer be­ trächtlichen Verlustwärme führen. Wenn der Leistungsschalt­ kreis jedoch gemäß Fig. 4 der Zeichnung ausgebildet ist, dann wird die in der Spule 101 beim Abschalten verfügbare Energie zu der Energieversorgung 60 zurückgeleitet und kann in dem Speicherkondensator 122 gespeichert oder gleich in einer an­ deren eingeschalteten Spule verwendet werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die einzelnen Trei­ berschaltkreise 100 (Fig. 3) durch den digitalen Signalpro­ zessor 102 derart gesteuert, daß die Zeitpunkte ihrer Betäti­ gung dazu führen, daß einige Spulen abgeschaltet werden, wäh­ rend andere Spulen leitend sind oder gerade in den leitenden Zustand geschaltet werden. Infolgedessen wird die Energie, die in den gerade abgeschalteten Spulen verfügbar ist, statt vollständig zu der Energieversorgung zurückgeführt zu werden, denjenigen Spulen zugeführt, die entweder eingeschaltet sind oder gerade eingeschaltet werden.

Bei der Realisierung der Erfindung unter Anwendung des Prin­ zips der Pulsweitenmodulation wird der Strom in den Spulen der Elektromagnete für die magnetischen Lager durch die Steu­ er- bzw. Regelschaltung moduliert und diese führt diese Modu­ lation vorzugsweise in der Weise aus, daß sie das Im­ puls/Pausen-Verhältnis der den einzelnen Spulen zugeführten Spannungsimpulse regelt. Somit werden die Spulen alle mit derselben, im wesentlichen feststehenden Rate geschaltet, wo­ bei die Länge des Zeitintervalls, in dem eine Spule während jeder Periode der Impulsfolgefrequenz eingeschaltet ist, den mittleren Strom durch die Spule bestimmt. Durch Ausbildung der Spulen in Form von komplementären Paaren, wie z. B. den in Fig. 2 gezeigten Paaren, und durch Einstellen des Im­ puls/Pausen-Verhältnisses für die Spulen jedes Paares in der Weise, daß sie einander folgen, sowie durch Regelung bzw. Steuerung der Impuls/Pausen-Verhältnisse und der Lei­ stungstreiberschaltungen in der Weise, daß ein Satz von kom­ plementären Leistungstreiberschaltungen eingeschaltet wird, wird der resultierende Nettoenergieverbrauch aus der Energie­ quelle minimiert. Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockdia­ gramm mit Schaltungen, mit denen die vorstehend angedeutete Arbeitsweise realisiert werden kann.

Beim Erzeugen entsprechender Zeitbasissignale für die Puls­ weitenmodulatoren des komplementären Paares von Lei­ stungstreiberkreisen wird es bevorzugt, eine feste Zeitbasis zu verwenden und ausgehend von dieser Zeitbasis ein Paar von Zeitsignalen zu erzeugen, die in geeigneter Weise miteinander verknüpft sind. Durch Verwendung einer festen Zeitbasis wer­ den die beiden pulsweitenmodulierten Signal formen in dem Aus­ maß, in dem die Zeitbasis variiert, entsprechend in derselben Weise beeinflußt. Zu diesem Zweck ist ein Rampengenerator 200 vorgesehen, der ein Sägezahnsignal mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt. Es wir bevorzugt ein Sägezahnsignal zu er­ zeugen, welches sich bei einer Frequenz von 40 kHz zwischen 3 und 9 V ändert. Der Rampengenerator ist lediglich als Block gezeigt, da der Fachmann in der Lage ist, die entsprechenden Operationsverstärker und Vorspannungsschaltungen zur Erzie­ lung des gewünschten Ausgangssignals zu kombinieren. Das Aus­ gangssignals des Rampensignalgenerators 200 wird einem Paar von einzelnen Rampensignalgeneratoren zugeführt, die geeignet sind, komplementäre Rampensignale zu erzeugen, die gegenein­ ander versetzt sind und die dann als Zeitbasissignale für das Impuls/Pausen-Verhältnis der betreffenden Leistungstreiber­ schaltungen in einem komplementären Paar dienen. Somit wird das Ausgangssignal von dem Rampensignalgenerator 200, welches an einen Bus 201 angelegt wird, einem ersten Generator 202 zugeführt, der auf einer Leitung 200 ein Ausgangssignal er­ zeugt, welches als Rampensignal A identifiziert ist, und wel­ ches einen Pegel besitzt, der durch ein Vorspannungsnetzwerk 203 bestimmt wird. Ein ähnlicher Generator 205 empfängt über den Bus 201 eingangsseitig dasselbe Rampensignal, besitzt je­ doch ein anders eingestelltes Vorspannungsnetzwerk 206, so daß er auf einer Ausgangsleitung 207 ein Rampensignal er­ zeugt, welches als Rampensignal B identifiziert ist. Wie wei­ ter unten noch näher erläutert werden wird, stellt ein varia­ bler Widerstand in dem Vorspannungsnetzwerk 203 das 40 kHz- Sägezahnsignal derart ein, daß der Sägezahn gegenüber dem Ru­ hepegel von 6 V auf dem eingangsseitigen Bus 201 um etwa +0,5 bis etwa -0,5 V verschoben wird. Wenn also bei dem Rampensi­ gnal A mit einem Vorspannungspegel von etwa 5,5 V gearbeitet wird, variiert der Sägezahn von einer Größe von etwa 2,5 bis etwa 8,5 V. Ein variabler Widerstand in dem Vorspannungsnetz­ werk 206 stellt das Ausgangssignal auf der Leitung 207 derart ein, daß am Ausgang derselbe 40 kHz-Sägezahn erscheint, der jedoch bezüglich eines Wertes von etwa 6,5 V zentriert ist, um zwischen etwa 3,5 und 9,5 V zu schwanken. Somit werden die Vorspannungsnetzwerke derart eingestellt, daß sich der mitt­ lere Spannungspegel beim gezeigten Ausführungsbeispiel auf den Leitungen 204 und 207 um etwa 0,5 V unterscheidet. In Fig. 7A sind die Sägezahnausgangssignale an den Anschlüssen bzw. auf den Leitungen 204 und 207 im oberen Teil der Zeich­ nungsfigur dargestellt. Man erkennt, daß die beiden Signale einander symmetrisch folgen, mit der Ausnahme, daß sie um et­ wa 0,5 V gegeneinander versetzt sind. Von diesem Versatz wird in den übrigen Schaltungen vorteilhafterweise Gebrauch ge­ macht, um sicherzustellen, daß eine Leistungstreiberschaltung entweder eingeschaltet ist oder gerade eingeschaltet wird, ehe die andere Leistungstreiberschaltung eines komplementären Paares von Leistungstreiberschaltungen abgeschaltet werden darf.

Wie aus Fig. 5 deutlich wird, werden die komplementären Ram­ pensignale einem Paar von Komparatoren 210 und 211 zugeführt. Das Ausgangssignal des Komparators 210 dient als Ausgangs­ signal für die Leistungstreiberschaltung A (eine der Treiber­ schaltungen eines komplementären Paares), während der Kompa­ rator 211 ein Ausgangssignal für die Leistungstreiberschal­ tung B liefert (die andere Schaltung des komplementären Paa­ res). Beispielsweise können die Leistungstreiberschaltungen A und B dem Paar von Y-Magneten eines der magnetischen Lager gemäß Fig. 1 zugeordnet sein.

Es ist wichtig, daß das Rampen- bzw. Sägezahnsignal A auf der Leitung 204 dem invertierenden Anschluß des Komparators 210 zugeführt wird, während das Rampen- bzw. Sägezahnsignal B am Anschluß 207 dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 211 zugeführt wird. Der Effekt dieser Maßnahme besteht darin, daß eines der Sägezahnsignale bezüglich des anderen inver­ tiert wird, bzw. darin, daß in der Tat das Arbeiten der Kom­ paratoren bezüglich der Sägezahnsignale invertiert wird. Am jeweils anderen Eingang jedes der Komparatoren 20, 211, liegt ein Fehlersignal, welches den Komparatoren über eine Leitung 215 zugeführt wird. Man sieht, daß das Fehlersignal dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 210 und dem invertie­ renden Eingang des Komparators 211 zugeführt wird. Das Feh­ lersignal wird von einer Komparatorschaltung 220 erzeugt, welches die tatsächlichen Ströme in den fraglichen Spulen mit den Sollwerten für dieses Paar von Spulen vergleicht. Man er­ kennt, daß die Komparatorschaltung 220 einen ersten Verstär­ ker 221 umfaßt, dem Eingangssignale zugeführt werden, welche Rückkopplungssignale darstellen, welche jeweils den Strom in der betreffenden Spule anzeigen. Weiter unten wird ausgeführt werden, daß die Treiberschaltung einen kleinen Strommeßwider­ stand in Form eines Shunts umfaßt, über dem ein Rückkopp­ lungssignal erzeugt wird, welches mit dem tatsächlichen Strom durch die Treiberschaltung verknüpft ist. Das Stromrückkopp­ lungssignal für die Treiberschaltung B wird dem invertieren­ den Eingang zugeführt und das Stromrückkopplungssignal von der Treiberschaltung A wird dem nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 221 zugeführt, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 221 mit der geeigneten Phasen/Frequenz-Charakteristik ist ein Maß für den Gesamtstrom in dem Paar von Spulen. Dieses Signal wird als Eingangssignal einem weiteren Komparator 222 zugeführt, dem ein Befehlssignal über eine Leitung 223 zuführbar ist. Das Befehlssignal wird von dem digitalen Signalprozessor 102 (Fig. 3) intern in Abhängigkeit von Signalen erzeugt, die von den Wellenpositionssensoren geliefert werden. In bekannter Weise bestimmt der digitale Signalprozessor anhand der Aus­ gangssignale der Positionssensoren die Ströme, die an sämtli­ che Spulen des magnetischen Lagersystems angelegt werden sollten, um die Welle in ihrer vorgegebenen Position zu hal­ ten. Der Prozessor liefert ein Bedarfs- bzw. Anforderungs­ signal, welches proportional zu dem Strompegel ist, welcher für jede der Spulen erwünscht ist, wobei dieses Ausgangs­ signal einer Leitung, wie z. B. der Leitung 223, zugeführt wird. Speziell für das fragliche Spulenpaar wird dieses Si­ gnal durch den Komparator 222 mit dem Augenblickswert des in den Spulen gemessenen Stroms verglichen, welcher mit Hilfe des Verstärkers 221 bestimmt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers bzw. des Komparators wird mit der geeigneten cha­ rakteristischen Verzögerung, die der Fachmann für das fragli­ che System bestimmt, auf der Leitung 215 ausgegeben und den Komparatoren 210, 211 als Fehlersignal zugeführt. Man er­ kennt, daß das Impuls/Pausen-Verhältnis der Treiberschaltung A bei Zunahme des Pegels des Fehlersignals zunimmt, während das Impuls/Pausen-Verhältnis des Treibers B abnimmt. Wie nachstehend noch näher beschrieben werden wird, werden die Treiber, die mit den Ausgangsleitungen 225, 226 der Pulswei­ tenmodulatorsteuerung verbunden sind, immer dann eingeschal­ tet, wenn die zugeordneten Leitungen auf dem Pegel "hoch" sind. Wenn also das Fehlersignal auf der Leitung 215 zunimmt, bewirkt folglich der zunehmende Signalpegel, der an dem in­ vertierenden Eingang des Verstärkers 210 anliegt, daß das Ausgangssignal auf der Leitung 225 für einen längeren Teil der gesamten Impulsperiode der Impuls/Pausen-Zyklussteuerung "hoch" ist. Da dasselbe Eingangssignal auf der Leitung 215 dem invertierenden Eingang des Verstärkers 211 zugeführt wird, bewirkt eine Zunahme des Pegels dieses Signals, daß das Ausgangssignal des Verstärkers auf der Leitung 226 für einen kürzeren Teil jeder Impulsfrequenzperiode "hoch" ist. Infol­ gedessen nimmt das Impuls/Pausen-Verhältnis für den Treiber A zu, während dasjenige für den Treiber B abnimmt, und die bei­ den Treiber werden einander im wesentlichen folgen.

Nebenbei sollte darauf hingewiesen werden, daß mit den Aus­ gangsleitungen 225 und 226 ein Paar von Transistoren 227, 228 verbunden ist. Die Funktion der Transistoren 227, 228 (welche durch Sperrsignale gesteuert werden, die an anderer Stelle der Schaltung erzeugt werden), besteht einfach darin, zu ge­ währleisten, daß die Treibersignale auf den Pegel "niedrig" gehen (d. h. daß der Treiber ausgeschaltet wird), und zwar für ein gewisses vorgegebenes Minimum jeder Periode des Arbeits­ zyklus, wie z. B. 2%. Der Zeitgabeschaltkreis wählt eine Pe­ riode von etwa 2% am Ende jedes Rampensignals und schaltet die Transistoren 227 oder 228 zu einem geeigneten Zeitpunkt für ein sehr kurzes Intervall leitend, um zu gewährleisten, daß der zugeordnete Treiber für 2% oder 3% der gesamten Pe­ riodendauer der Impulsfolge auf den Pegel "niedrig" gebracht wird. Falls die Impuls/Pausen-Steuerung versuchen sollte, die Treiber kontinuierlich im eingeschalteten Zustand zu lassen, gewährleistet dieses Sicherheitsmerkmal im Endeffekt, daß das Zeitintervall, in dem der leitende Zustand herrscht, einen Wert von etwa 98% der Periodendauer nicht überschreitet, wo­ durch gewährleistet ist, daß der Treiber 234 auf der "hohen" Seite definitiv eingeschaltet ist, wenn dies erwünscht ist.

Wie oben allgemein ausgeführt, wird es bevorzugt, die Steue­ rung für das Impuls/Pausen-Verhältnis so zu betreiben, daß im Ruhezustand bei leichter Last das Impuls/Pausen-Verhältnis der Treiber eines komplementären Paars gerade über 50% liegt, wie z. B. bei 51 oder 52%. Unter Berücksichtigung der Betriebsfrequenz von 40 kHz für die Steuerung des Im­ puls/Pausen-Verhältnisses ergibt sich daraus eine Impulswie­ derholungsrate von etwa 25 µs oder eine Impulsdauer (d. h. ei­ ne Gesamtperiode, für die ein Impuls auftreten kann) von 25 µm. Somit ergibt sich für ein Impuls/Pausen-Verhältnis von 50 % bei der genannten Frequenz eine Impulslänge von knapp über 12,5 µs bei einer Periodendauer von 25 µs der Impulsfolge.

Wenn das Impuls/Pausen-Verhältnis bei einer Impulsfolgefre­ quenz von 40 kHz exakt auf 50% eingestellt würde, dann würde in Anbetracht der Induktivitäten der Spule in der Praxis nur eine sehr geringe resultierende Energie in die Spule übertra­ gen. Wenn der Treiber einschaltet, überträgt er eine vorgege­ bene Energiemenge in die Spule, und während der Abschaltzeit von etwa 12,5 µs, in der die Umleitdioden leitend sind, würde im wesentlichen der gesamte Betrag dieser Energie zu der Energiequelle zurückgeleitet. Es käme folglich nur zur Aus­ bildung eines schwachen Stroms in der Induktivität und im we­ sentlichen zu keiner Energieübertragung aus der Energiequelle in die Induktivität.

Bei einer Arbeitsfrequenz von 40 kHz und einem Impuls/Pausen- Verhältnis von etwa 51% oder 52% würde nicht die gesamte während der Einschaltzeit von 51% der Periodendauer in die Spule übertragene Energie während der Abschaltzeit von 49% der Periodendauer zu der Energieversorgung zurückübertragen, und in der Spule würde sich ein Strom aufbauen. Dies bedeutet eine Nettoenergieübertragung von der Energieversorgung in das System und stellt die bevorzugte Betriebsart im Ruhezustand dar.

Wenn das Lager stärker belastet wird, wie z. B. in Perioden mit hoher Vibration, dann werden die Wellensensoren die Bewe­ gung der Welle erfassen, und die Steuermodule werden fest­ stellen, daß die Treiber, d. h. die Leistungstreiberschaltung gen zusätzliche Energie benötigen, um die Welle in die ge­ wünschte Position zurückzuführen. Die Befehlssignale (223 in Fig. 5) werden folglich erhöht werden (oder in Abhängigkeit von der Richtung der Wellenbewegung verringert), und fordern höhere Ströme für eine der beiden Spulen des Paares von kom­ plementären Spulen, wobei das Impuls/Pausen-Verhältnis ent­ sprechend eingestellt wird. Es soll angenommen werden, daß eine solche Bewegung vorliegt, daß der Spule A eine höhere Energie zugeführt werden muß. Wenn das Impuls/Pausen- Verhältnis für diese Spule von 51% über 70% bis 80% oder 90% erhöht wird, wird das Impuls/Pausen-Verhältnis des Trei­ bers für die Phase B dieser Änderung folgend entsprechend ab­ nehmen. Das heißt, wenn das Impuls/Pausen-Verhältnis für den Treiber A etwa 60% beträgt, dann beträgt das Impuls/Pausen- Verhältnis für den Treiber B etwa 40%. Wenn das eine Ver­ hältnis etwa 70% beträgt, dann beträgt das andere etwa 30% usw. Dies wird durch die Verwendung der identischen, aber ge­ geneinander versetzten Sägezahnsteuersignale für die Impuls­ breite an den betreffenden Komparatoren erreicht sowie durch die Verwendung desselben Fehlersignals für beide Komparatoren und durch den inversen Betrieb des einen Komparators bezüg­ lich des anderen.

Die Art und Weise, in der diese Vorgänge ablaufen, wird unter Bezugnahme auf Fig. 7A bis 7G noch näher erläutert werden. Diese Figuren zeigen, wie die Sägezahnmodulatorsignale 204, 207 einander folgen, und zeigen außerdem drei verschiedene Fehlersignale bzw. -spannungen, die drei verschiedene Fälle für eine Korrektur darstellen, sowie die resultierenden Trei­ bersignale für die Leistungstreiberkreise A und B eines kom­ plementären Paares. Zum Zwecke der Orientierung wird angenom­ men, daß die Phase A der unteren Spule eines Spulenpaares für die Achse Y zugeordnet ist und die Phase B der oberen Spule, derart, daß eine Zunahme der Ansteuerung in der Phase A und eine Abnahme der Ansteuerung in der Phase B zu einer Abwärts­ bewegung der Welle führt. Diese Korrektur ist natürlich auf die Wellenpositionssensoren zurückzuführen, die erfassen, daß die Position der Welle oberhalb der angestrebten Position liegt.

Die Treibersignale, die in Fig. 7A bis 7G gezeigt sind, sind die Basis-Treibersignale für die Treibertransistoren und ent­ sprechen nicht exakt der Form der Stromimpulse durch die In­ duktivitäten selbst. Berücksichtigt man, daß bei dem bevor­ zugt Ausführungsbeispiel der Modulator mit einer Frequenz in der Größenordnung von 40 kHz arbeitet, und berücksichtigt man ferner, das die Induktivität der Elektromagneten in der Grö­ ßenordnung von 1 bis 2 mH liegen kann, dann wird deutlich, daß die Anstiegs- und Abfallzeiten für den Strom sowie die Signalform für die Spannung wesentlich träger bzw. weniger steil sein werden als bei den relativ rechteckigen Signalen, die als Treiberimpulse vorliegen. Die Treiberimpulse sind je­ doch als Impulse dargestellt, die eine deutliche Anstiegszeit und Abfallzeit haben, und zwar als Hinweis auf die interes­ sierenden, tatsächlichen Ströme, die in dem Leistungskreis fließen und relativ langsame Anstiegs- und Abfallzeiten ha­ ben. In dem Maße, in dem ein Intervall von einigen Mikrose­ kunden zwischen dem Einschalten des einen Treibers und dem Abschalten des anderen liegt, was die Ströme in den Treiber­ schaltungen anbelangt, ist dieses Intervall somit unbedeu­ tend, da die Zeitkonstante der Induktivität in der Größenord­ nung von mehreren hundert Mikrosekunden liegt. Selbst dann, wenn der Basistreiberimpuls für den Schalttransitor exakt zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eingeschaltet wird, wird der durch das Einschalten hervorgerufene Strom folglich allmäh­ lich ansteigen, und wenn ein weiterer Treiber innerhalb weni­ ger Mikrosekunden nach dem Einschalten abgeschaltet wird, dann ist dies, als würden die beiden Treiber gleichzeitig eingeschaltet, da der Strom, der durch die Umleitdiode wei­ terfließen wird, ohne weiteres umgelenkt wird, um den Aufbau des Stromflusses in der gerade eingeschalteten Spule zu un­ terstützen.

Im einzelnen ist in Fig. 7A der Zustand gezeigt, in dem ein Paar von magnetischen Spulen in einem Satz von komplementären Spulen sich im Ruhezustand befindet, und in dem eine Fehler­ spannung bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel etwa auf ihrem Mittelwert liegt, d. h. bei 6 V. Man sieht, daß die Re­ ferenzrampenspannung 204 für den Treiber A eine solche Vor­ spannung aufweist, daß ihr Mittelwert etwa 0,25 V niedriger ist als die sägezahnförmige Rampenspannung 207 für den Trei­ ber B.

Man erkennt, daß bei der angenommenen Fehlerspannung von 6 V die Bezugsrampenspannung 204 für den Treiber A im Laufe der Zeit zuerst die Fehlersignallinie kreuzt und bewirkt, daß der Ausgang 225 etwa am Kreuzungspunkt eingeschaltet wird. Ein oder mehrere Mikrosekunden später kreuzt die Referenzrampen­ spannung 207 für den Treiber B den Fehlerpegel; in diesem Fall ist jedoch die Arbeitsweise des Komparators umgekehrt und der Treiber B wird an diesem Punkt abgeschaltet. Die Energie aus der Spule, die gerade abgeschaltet wird, steht zur Verfügung, um Strom an den Treiber A bzw. die zugeordnete Spule zu liefern, die gerade eingeschaltet wurde (vergl. die Signale 225 und 226). Später im Zyklus ist die nächste Be­ zugsrampenspannung, die Fehlerspannung kreuzt, im Hinblick auf die Art des Versatzes die Bezugsrampenspannung 207 für den Treiber B und diese wird die Bezugsspannung in positiver Richtung kreuzen, was im Hinblick auf die Art und Weise, in der der invertierende und der nicht invertierende Eingang des Komparators 211 beschaltet sind, zur Folge hat, daß der Trei­ ber B eingeschaltet wird. Dies ist in Fig. 7A für das Signal 226 gezeigt. Innerhalb von ein oder zwei Mikrosekunden wird auch die Bezugsrampenspannung 204 den Pegel der Fehlerspan­ nung kreuzen, und zwar in positiver Richtung, was jedoch we­ gen des entgegengesetzt beschalteten Komparators dazu führt, daß der Treiber A abgeschaltet wird. Somit steht die Energie der Induktivität des gerade abgeschalteten Treibers bzw. An­ triebs A zur Speisung der Spule B zur Verfügung, die nur Mi­ krosekunden früher mit dem Einschalten begonnen hatte. Die Schaltung fährt in der Weise fort zu arbeiten, daß stets si­ chergestellt ist, daß eine Spule entweder gerade eingeschal­ tet wurde oder eingeschaltet ist, ehe eine nachfolgende Spule des komplementären Spulenpaares abgeschaltet wird, so daß stets eine sich aufladende Induktivität zur Verfügung steht, um Energie aufzunehmen, die von einer Induktivität zurückge­ liefert wird, deren Steuerschalter abgeschaltet wurde. Fig. 7A zeigt die Situation, in der das Impuls/Pausen-Verhältnis für die Antriebe A und B etwa angeglichen ist und bei gerade oberhalb 50% liegt. Dies entspricht, wie oben erwähnt, dem Ruhezustand.

Betrachtet man nunmehr Fig. 7B, so erkennt man, daß die Feh­ lerspannung auf einem höheren Niveau, wie z. B. 7 V liegt, was für das vertikale komplementäre Spulenpaar diejenige Situati­ on darstellt, in der sich die Welle oberhalb ihrer angestreb­ ten Position befindet. Somit ist es in dieser Situation er­ wünscht, die untere Spule (die Spule A) stärker anzutreiben als die Spule B, und man sieht, daß die Bezugsspannung, die an dieses Paar von Bezugsrampenspannungen angepaßt ist, die­ ses Ergebnis erreicht. Wie in dem vorherigen Ausführungsbei­ spiel kreuzt zuerst die Bezugsrampenspannung 204 die Fehler­ signallinie, was bewirkt, daß gemäß dem Signal 225 der Trei­ ber A eingeschaltet wird. Dies geschieht jedoch zu einem frü­ heren Zeitpunkt in dem Zyklus als unter den Bedingungen gemäß Fig. 7A. Wie in dem vorangehenden Beispiel kreuzt dann auch die Bezugsrampenspannung 207 innerhalb von Mikrosekunden den Fehlersignalpegel, was zur Folge hat, daß der Antrieb B abge­ schaltet wird. Die Energie aus der Spule des Antriebs B wird dadurch zu der in der Einschaltphase befindlichen Spule A übertragen. Wesentlich später in dem Zyklus kreuzt die Be­ zugsrampenspannung 207 erneut des Fehlersignalpegel, und zwar dieses Mal in positiver Richtung, was bewirkt, daß der An­ trieb B gemäß dem Signal 226 eingeschaltet wird, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist. Innerhalb von Mikrosekunden kreuzt dann die Rampenspannung 204 für den Antrieb A den 7 V- Fehlersignalpegel, was zur Folge hat, daß gemäß dem Signal 225 der Antrieb A abgeschaltet wird. Aus einem Vergleich der Signalverläufe 225 und 226 erkennt man, daß das Im­ puls/Pausen-Verhältnis für die Spule A erheblich zugenommen hat, während das Impuls/Pausen-Verhältnis für die Spule B er­ heblich abgenommen hat, wobei die Summe der Impuls/Pausen- Verhältnisse etwa 100% beträgt und wobei die beschriebene Folge gewährleistet, daß jeweils eine Spule eingeschaltet wird, ehe das Abschalten der anderen begonnen hat.

Betrachtet man nunmehr kurz Fig. 7C, so wird deutlich, daß dort die entgegengesetzte Bedingung erläutert ist, in der die Wellenpositionssensoren ein Fehlersignal diktieren, welches unter dem Ruhepegel liegt, und zwar beim Beispiel bei etwa 5 V. Eine Analyse der Überkreuzungen der Bezugsrampenspannun­ gen 204 und 207 mit dem Pegel des 5 V-Fehlersignals in der­ selben Weise wie bei den vorangehenden Beispielen führt zu dem Ergebnis, daß sich die in Fig. 7C gezeigten Treiber- bzw. Antriebssignale 225 und 226 ergeben. Man sieht, daß das Trei­ bersignal für die obere Spule (Spule B) wesentlich länger dauert als das Treibersignal für die untere Spule (Spule A), wobei die Summe der Impulszeiten insgesamt wieder etwa 100% der Zyklusdauer beträgt.

Fig. 6 zeigt in vollständigerer Form als Fig. 4 einen Trei­ ber- bzw. Antriebskreis, der bei der praktischen Realisierung der vorliegenden Erfindung brauchbar ist. Der Treiberkreis spricht auf die Signale 225, 226 für den Antrieb A oder den Antrieb B an, die am Ausgang der Fig. 5 erzeugt werden und in Fig. 5 erzeugt werden und in Fig. 7A und bis 7C gezeigt sind.

Im einzelnen erkennt man bei der Betrachtung der Fig. 6 zu­ nächst, daß zwei der in dieser Figur gezeigten Kreise erfor­ derlich sind, um ein einziges komplementäres Paar von puls­ weitenmodulierten Signalen zu bedienen. Man sieht, daß ein Eingangsanschluß 230 vorgesehen ist. Bei einer ersten Trei­ berschaltung ist der Anschluß 230 mit dem Treibersignal A von der Ausgangsleitung 225 verbunden. Bei der anderen, identi­ schen Treiberschaltung ist der Anschluß 230 mit dem Treiber­ signal B auf der Ausgangsleitung 226 verbunden. Betrachtet man die Schaltkreiselemente im einzelnen, so erkennt man zu­ nächst, daß für den Einschaltzustand ein Ladekreis 231 vorge­ sehen ist, um sicherzustellen, daß für den Treiber 235 auf der einen "hohen" Pegel aufweisenden Seite ein brauchbares Gate-Signal von etwa 12 V vorhanden ist. Das Signal (A oder B) vom Eingangsanschluß 230 wird über einen Inverter 232 an das Gatter eines MOS FETs 233 angelegt wird. Wenn das Signal von dem Pulsweitenmodulator-Treiber am Anschluß 225 "hoch" ist, erzeugt der Inverter 232 am Gatter des MOS FETs 233 ein Signal mit dem Pegel "niedrig", wodurch verhindert wird, daß der MOS FET leitet. Infolgedessen wird der bipolare Transi­ stor 234 eingeschaltet, was dazu führt, das der Ausgangs-MOS FET 235 eingeschaltet wird. Der MOS FET 235 verbindet den po­ sitiven Anschluß 120 der Energieversorgung 60 über den MOS FET 235 mit dem positiven Anschluß 132 der elektromagneti­ schen Spule 101.

Das einen niedrigen Pegel annehmende Signal am Ausgang des Inverters 232 wird ebenfalls von einem Inverter 236 inver­ tiert, um am Gate des MOS FET 237 ein Signal mit hohem Pegel zu erzeugen, um diesen MOS FET 237 einzuschalten. Die MOS FETs 235 und 237 werden also gleichzeitig leitend geschaltet. Durch das Einschalten des MOS FETs 237 wird der Pfad für den Stromfluß vom negativen Anschluß 133 der Spule 101 zum nega­ tiven Anschluß 121 der Energieversorgung 60 geschlossen. Die­ ser Stromfluß fließt über einen Shunt-Widerstand 240, der als Stromsensor dienen solle. Über diesen Stromabtastwiderstand 240 ist ein in geeigneter Weise vorgespannter Verstärker 241 angeschlossen, um an seinem Ausgang 242 ein Signal zu lie­ fern, welches ein Maß für den Stromfluß in der Spule 101 ist. Mit den Verstärkern, die typischerweise zur Erzeugung eines solchen Ausgangssignals verwendet werden, sind geeignete Fil­ ter- und Phaseneinstellschaltungen verbunden; die Details dieser Schaltungen müssen jedoch hier nicht näher beschrieben werden, da diese Schaltungen vom Fachmann aufgrund seines Fachwissens geschaffen und entsprechend den jeweiligen Erfor­ dernissen eingestellt werden können. Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel hat das Signal am Ausgang 242 einen Pe­ gel, der auf etwa 250 mV pro 1 A des Stroms durch die Spule 101 eingestellt ist. Der Ausgang 242 ist mit dem Eingang FBI_B des Verstärkers 221 (Fig. 5) verbunden, welcher, wie erinner­ lich, als ein Komparator arbeitet, der den Gesamtstrom in den Spulen eines komplementären Spulenpaares mißt.

Obwohl dies nicht im Detail beschrieben wurde, erkennt man, daß den Transistoren 235 und 237 Umleitdioden 134, 135 zuge­ ordnet sind, die so gepolt sind, wie dies in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben wurde. Somit schalten die MOS FETs 235 und 237 immer dann ab, wenn das Signal auf der Eingangsleitung 230 "niedrig" wird. Der beim Abschalten der durch die Spule und die Dioden 134, 135 fließende Strom führt dazu, daß die Energiequelle 60 bezüglich der Spule 101 "umgekehrt" ange­ schlossen ist, so daß der Strom aus der Spule in die Energie­ versorgung zurückfließen kann. Wegen der zusätzlichen Trei­ berschaltung (identisch mit derjenigen gemäß Fig. 6), welche über den Ausgang 226 in Fig. 5 betätigt wird und ihre zuge­ ordnete Spule vor dem Abschalten der Transistoren 235 und 237 eingeschaltet hat, wird der über die Dioden 134, 135 fließen­ de Strom dann zu der betreffenden Spule 101 geleitet, die durch die MOS FETs 235, 237 der zugeordneten Treiberschaltung mit Strom versorgt wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß gemäß der Erfindung für ein magnetisches Lagersystem eine Treiber­ schaltung mit hohem Wirkungsgrad geschaffen wurde, mit der die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird. Wei­ terhin wird deutliche daß jeder Spule des magnetischen Sy­ stems ein Schalterkreis zugeordnet ist, der für ein schnelles Ein- und Abschalten geeignet ist und der während der Ab­ schaltphase aufgrund des Vorhandenseins der Umleitdioden in der Lage ist, Energie an die Energieversorgung zurückzulie­ fern. Die Spulen des magnetischen Lagersystems sind paarweise angeordnet, und die Modulation des Speisestroms für die Spu­ lenpaare erfolgt in der Weise, daß immer dann, wenn die Schaltung gerade dabei ist, eine Spule abzuschalten, eine zu­ geordnete Spule eingeschaltet ist oder gerade eingeschaltet wird, so daß der über die Umleitdioden zurückgeführte Strom aus der gerade abgeschalteten Spule zur Speisung der gerade einschaltenden Spule zur Verfügung steht und dadurch die re­ sultierende Energieentnahme aus der Energiequelle reduziert. Außerdem verstärkt die Tatsache, daß die Energieversorgung an die gerade abgeschaltete Spule mit umgekehrter Polung an die­ se angeschlossen ist, die Geschwindigkeit der Stromänderung di/dt des an die Spule angelegten Stroms, wodurch eine größe­ re Bandbreite erreicht wird, als sie üblicherweise erreichbar ist.

Claims (10)

1. Magnetisches-Lagersystem, in welchem zur Lagerung einer Welle mindestens eine magnetische Lageranordnung vorge­ sehen ist, welche, Paare von einander bezüglich der Welle diametral gegenüberliegenden Elektromagneten umfaßt, wo­ bei die Paare von Elektromagneten in Umfangsrichtung winkelmäßig gegeneinander versetzt sind, mit einem Wel­ lenpositionssensor zum Erfassen der Position der durch die magnetische Lageranordnung gelagerten Welle und mit einer Treiberschaltung für die Spule jedes der Elektro­ magneten zur Speisung dieser Spule mit einem Strom aus einer Gleichspannungsquelle mit einem positiven und ei­ nem negativen Anschluß, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Jede Treiberschaltung (100) umfaßt einen ersten Schalter (130), der zwischen den positiven Anschluß (120) der Energieversorgung (60) und einen positiven Anschluß der Spule (101) geschaltet ist, sowie einen zweiten Schalter (131), der zwischen den negativen Anschluß (121) der Energiequelle (60) und eine nega­ tive Seite (133) der Spule (101) geschaltet ist, so­ wie Umleitdioden (134, 135), von denen die eine (134) zwischen der negativen Seite (133) der Spule (101) und dem positiven Anschluß (120) der Energie­ versorgung (60) liegt und von denen die andere (135) zwischen der positiven Seite (132) der Spule (101) und dem negativen Anschluß (121) der Energieversor­ gung (60) liegt; und
• - es ist eine Steuer- bzw. Regelschaltung (102) vorge­ sehen, mit deren Hilfe die Treiberschaltungen (100) zyklisch aktivierbar sind, und welche geschaltete Modulationseinrichtungen umfaßt, um den Stromfluß zu den Spulen (101) jedes Paares von Elektromagneten (30, 31; 32, 33) in Abhängigkeit von Ausgangssigna­ len der Wellenpositionssensoren (34, 35) zu modulie­ ren, wobei die Steuer- bzw. Regelschaltung die Ein/Aus-Intervalle für die Spulen (101) der Paare von Elektromagneten (30, 31; 32, 33) derart ver­ schachtelt, daß jeweils eine der Spulen (101) des Paares etwa zum selben Zeitpunkt abgeschaltet wird, wie die andere Spule dieses Paares eingeschaltet wird, wobei die Umleitdioden (134, 135) derart ge­ polt sind, daß die beim Abschaltvorgang für die eine Spule (101) freiwerdende Energie für die gerade ein­ geschaltete Spule (101) verfügbar ist, um auf diese Weise den resultierenden Stromabfluß aus der Ener­ gieversorgung (60) zu reduzieren.

2. Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umleitdioden (134, 135) derart an­ geschlossen und gepolt sind, daß durch sie die volle Spannung der Energieversorgung (60) nach Art einer ent­ gegengesetzten Vorspannung an die Spule (101) anlegbar ist, die gerade abgeschaltet wird.

3. Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Energieversorgungsquelle eine Gleichspannungsquelle (60) ist, welche eine relativ niedrige Spannung von weniger als 50 V erzeugt.

4. Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Lageranordnung (21) ein der X-Achse zugeordnetes Paar von Spulen und ein der Y-Achse zugeordnetes Paar von Spulen aufweist, und daß der Wellenpositionssensoren einen X-Achsensensor und ei­ nen Y-Achsensensor umfassen.

5. Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschalteten Modulationseinrich­ tungen ein Pulsweitenmodulationssystem mit fester Peri­ ode bilden, und daß das Pulsweitenmodulationssystem das Impuls/Pausen-Verhältnis für die Stromimpulse in den einzelnen Spulen (101) steuert.

6. Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Pulsweitenmodulationssystem einen Ruhepegel aufweist, bei dem das Impuls/Pausen-Verhältnis der Stromimpulse in den einzelnen Spulen jedes Elektro­ magneten denselben, geringfügig oberhalb von 50% lie­ genden, Wert hat.

7. Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Pulsweitenmodulationssystem den Stromfluß bei einem vom Ruhezustand abweichenden Zustand in der Weise moduliert, daß das Impuls/Pausen-Verhältnis für eine Spule (101) eines Paares von Elektromagneten erhöht und das Impuls/Pausen-Verhältnis für die andere Spule dieses Paares verringert wird.

8. Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsweitenmodulationssystem ein Paar von Komparatoren umfaßt, daß jedem der Komparatoren ein Fehlersignal zuführbar ist, und daß den Komparatoren eine erste bzw. eine zweite modulierende Signalfolge zu­ führbar ist, wobei diese modulierenden Signalfolgen sä­ gezahnförmige, gegeneinander versetzte Signale sind.

9. Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Fehlersignal und die modulierende Signalfolge den zugeordneten Komparatoren derart zuführ­ bar sind, daß die Komparatoren invers zueinander arbei­ ten.

10. Magnetisches Lagersystem nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die modulierenden Signalfolgen jeweils ein Sägezahnsignal umfassen, daß die Sägezahnsignale ge­ geneinander um eine Vorspannung versetzt sind, daß die Vorspannung derart eingestellt ist, daß eine der Säge­ zahnspannungen das Fehlersignal vor der anderen Säge­ zahnspannung erreicht, wenn sich die Sägezahnspannungen dem Pegel des Fehlersignals in positiver Richtung nä­ hern, und daß die andere Sägezahnspannung das Fehlersi­ gnal vor der ersten Sägezahnspannung erreicht, wenn sich die Sägezahnspannungen dem Fehlersignalpegel in negati­ ver Richtung nähern.