DE2353342A1

DE2353342A1 - Elektromagnetischer antrieb fuer schnellaufende drehkoerper

Info

Publication number: DE2353342A1
Application number: DE19732353342
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr I Flachenecker; Peter Dr Ing Meinke
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1973-10-24
Filing date: 1973-10-24
Publication date: 1978-05-24
Also published as: DE2353342C2

Description

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG ^ 2353342

Aktiengesellschaft

München, den 24. Oktober 1975

Elektromagnetischer Antrieb für schnellaufende

Drehkörper

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Antrieb für Schnellaufende Drehkörper bestehend aus einem ruhenden Teil, der Magnetspulen aufweist, und aus einem umlaufenden Teil aus magnetisierbarem Material, wobei zusätzlich zur für den Antrieb des umlaufenden Teils dienenden Ansteuerung der Magnetspulen diese oder Teile derselben auch von einer Regelungseinrichtung angesteuert werden können, die mit einem Meßsystem verknüpft ist, das die radiale Lage der Schleudertrommel erfaßt, mit dem Ziel, den Drehkörper aktiv magnetisch radial zu lagern.

Bei hochtourig umlaufenden Rotationskörpern ist es bekannt, zu deren Lagerung Elektromagneten vorzusehen, die über eine Regeleinrichtung mit einem Meßsystem verknüpft sind, das die radiale Lage der Schleudertrommel erfaßt. Durch Ansteuern dieser Elektromagneten mit Stellströmen v/erden der Rotationskörper mittels magnetischer Kraftwirkung bei einer Mittenabweichung in die zentrische Lage zurückgeführt und seine dynamischen Eigenwerte gedämpft.

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An allen Stellen, an denen wegen zu hoher Reibungsverluste, zu aggressiver Umgebung, zu starker Lärm- und Vibrationsbelasfcung oder ähnlichen Schwierigkeiten, herkömmliche Lager versagen, kann eine geregelte Magnetlagerung der eingangs genannten Art vorteilhaft sein. Wenn zum Antrieb eines derartigen Rotationskörpers Spulensätze dienen, in denen von einem zwei- oder mehrphasigen Drehstrom ein Drehfeld erregt wird, das seinerseits den Rotationskörper mitnimmt, so ist es vorteilhaft, die zum Antrieb des Rotationskörpers ohnehin notwendigen Spulensätze oder Teile derselben gleichzeitig auch zum Aussteuern der Lage des Rotationskörpers zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, Schaltanordnungen zu finden die ein möglichst wirtschaftliches Ansteuern dieser genannten Spulensätze mit Antriebs- und Steuerstrom zugleich ohne schädliche Wechselwirkung ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung dadurch gelöst, daß zumindest zwei der Magnetspulen mit ungefähr sinusförmiger Windungsverteilung versehen und etwa in der Mitte aufgetrennt sind, daß ein Stellstrom beide Spulenhälften in gegenläufiger Richtung durchfließt und daß jede Spule an das speisende Antriebsdrehs tromsy st em angeschlossen ist." Hierbei durchlaufen die Drehströme in bekannter Weise die Gesamtspulen, die an der Stelle der Auftrennung hierzu einen überbrückenden Strompfad besitzen. Ein Stellstrom durchfließt gleichzeitig zwischen der Stelle der Auftrennung und den Spulenenden die beiden Spulenhälften in jeweils entgegengesetzter Richtung, wobei die angegebenen Strom-

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richtungen für gleichen Wicklungssinn der Spulenhälften gelten; hierdurch entsteht ein resultierender Kraftvektor, der von der Achse des Rotationskörpers etwa zur Stelle der Auftrennung hin gerichtet ist. Dieser Kraftvektor resultiert aus kontinuierlich verteilten Kraftkomponenten, wie sie dem Induktionsverlauf des Magnetfeldes im Luftspalt zwischen dem ruhenden und dem umlaufenden Teil entspricht. Ein Optimum der Kraftwirkung ist bei möglichst enger Machbarschaft beider Einzelspulen erreicht, wie sie gemäß der Erfindung gegeben ist., wenn beide Einzelspulen aus den aufgetrennten Hälften einer einzigen Spule gebildet werden. Hierbei ist zweckmäßigerweise von einander gegenüberliegenden Spulen jeweils die Spule aufzutrennen, an deren Auftrennung die geringere Wechselspannung gegenüber dem Bezugspotential des Drehfelds auftritt, um nachteilige Beeinflussungen und unerwünschte Randbedingungen für Stell- und Drehsystem möglichst klein zu halten. Es tritt zum Beispiel bei einer Ausführung mit dreiphasigem Drehstrom der Spannung U_A und drei sinusförmig verteilten Spulenpaaren jeweils an einer Spule eines Spulenpaars an der Mittenauftrennung eine Spannung von etwa 0,0j5 U^, an der zugehörigen gegen überliegenden Spule eine Spannung von etwa 0,666 U^ auf. Die aufgezeigte Lösung hat den Vorteil, daß, von der Auftrennung abgesehen, zur Verwirklichung der Aufgabenstellung keinerlei baulicher Sonderaufwand vonnöten ist.

Zur weiteren Entkopplung von Stell- und Drehsystem sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß der Stellstrom der Auf-

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trennungssteile über einen Tiefpaß zugeführt vtfrd, wenn etwaige Stellfrequenzen unterhalb der Frequenzen dös Drehfeldes -liegen. Da Jedoch Schnellauf:ende Drehkörper, wie z.B. Gyroskope, mit einer Drehfrequenz von einigen tausend Hertz, betrieben werden, wobei die Mindestfrequenz beim Anlauf bereits einige Hundert Hertz beträgt, und da die vom Stellsystem zu bekämpfenden Störschwingungen in der Frequenz wesentlich tiefer liegen, wird diese Ausgestaltung vielfach möglieh sein.

Die ursprüngliche, an sich neue Aufgabenstellung wird auch in einer weiteren Erfindung dadurch gelöst, daß zumindest zwei der Magnetspulen etwa in der Mitte aufgetrennt sind, daß ein Stellstrom beide Spulenhälften in gegenläufiger- ^ichtung durchfließt, daß jede Spule an das speisende Antriebsdrehstromsystem angeschlossen ist und daß die vom Stellstrom eingespeisten Magnetspulen eine derart korrigierte sinusförmige Windungsverteiiung aufweisen^ daß die Jeweils an der Auftrennung einer Spule eines Spulenpaares auftretende und',/aus der zunu Antrieb des Drehkörpers dienenden Ansteuerung resultierende Wechselspannung Vernachlässigbar gering"ist* Die Spulen, wie sie zum Antrieb derartiger Drehkörper verwendet werden, umspannen zum Beispiel Jeweils l8o°, wobei sie derart gewickelt sind,.daß ihre Windungszahl von - 9o° bis 0° in sinusförmiger Verteilung zunimmt und von dort bis + 9o° entsprechend wieder abfällt.; Ein Weglassen einiger weniger Windungen der beiden Rand wicklungen bei:'"■- 9o° und + 9o° löst z-B* bereits die erfindungsgemäße Aufgaberist ellung weitgehend,·- eine

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Feinkorrektur ist durch Hinzufügen oder Weglassen von Windungen bei den näher zu 0° gelegenen Windungsgruppen möglich. Jeder Durchschnittsfachmann kann durch Rechnen oder Ausprobieren verschiedener Windungsverteilungen und durch Messen an der Auftrennungsstelle, ohne Schwierigkeit eine vorhandene Windung bis zu einer beliebig kleinen Spannung an der Auftrennungsstelle optimieren. Diese Lösung hat die gleiche Wirkungsweise wie die vorgenannte, doch v/eist sie demgegenüber eine noch weitergehendere Entkopplung auf. In vielen Fällen kann dann auf einen Tiefpaß oder dergleichen verzichtet werden, da eine etwa das Stellsystem störende Wechselspannung bis unter die Störgrenze verringert werden kann.

Die Aufgabe, die den beiden vorstehenden Lösungen zugrundeliegt, wird in erfinderischer V/eise auch dadurch gelöst, daß zumindest zwei der Magnetspulen oder Teile derselben in der Mitte aufgetrennt sind, daß ein Stellstrom beide Spulenhälften in gegenläufiger ^Richtung durchfließt, und daß Jede der Spulenhälften an das speisende Antriebsdrehstromsystem angeschlossen ist. In gleicher Weise, wie in den vorgenannten Lösungen, ist auch hier der technische Teil der Aufgabenstellung gelöst. Soweit die Aufgabenstellung eine wirtschaftliche Lösung fordert, ist diese Lösun, der Vorstehenden überlegen: Es 'ist grundsätzlich von einer vorgegebenen Drehspannung auszugehen, sowie von einer zu übertragenden Leistung. Die Dimensionierung der Spulen, die auch zur Lagesteuerung dienen, ist somit vorgegeben. Gemäß der Erfindung liegt z.B. die volle Dreiecksspannung (bei dreiphasigem Drehstrom) nicht

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mehr an der Einzelspule, sondern an der Spulenhälfte. Es muß somit die Gesamtwindungszahl beider Spulenhälften um den Paktor γ J erhöht werden. Bei gleicher Kraftwirkung verringert sich der notwendige Stellstrom um den Faktor Wr; Somit ist eine erhebliche Verbilligung des genannten Stellsystems, speziell bezüglich der Leistungs-Endstufen, gegeben.

Eine Ausgestaltung der vorstehenden Erfindung besteht darin, daß beide Spulenhälften für den Stellstrom in Serie geschaltet sind. Hierdurch verringert sich der Gesamtstrom für eine Stelleinheit auf die Hälfte des in den vorgenannten Lösungen notwendige Stellstroms. Durch Tiefpässe wird verhindert, daß bei gemeinsamer Stromversorgung mehrerer Stellglieder jene untereinander unerwünschten Wechselwirkungen unterworfen sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Einspeisung der Stellströme über die Sekundärwicklung eines Drehstromtransformators oder über die Ausgarigswicklung eines Umrichters vorgenommen wird. Es entfällt somit die Notwendigkeit, über Tiefpässe die einzelnen Stellsysteme zu separieren.

Natürlich können auch Einzelheiten der vorstehenden Erfindungen miteinander kombiniert werden, soweit sie nicht ge&gensätzlicher Natur sind, so z.B. eine Wicklungskorrektur gemäß Anspruch > mit einer Anordnung gemäß Anspruch 4.

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In den in der Zeichnung dargestellten Schaltskizzen und Vektordiagrammen sind die 'erfindungsgemäßen Merkmale in Form von Beispielen näher erläutert. Alle nachfolgenden Beispiele beziehen sich auf dreiphasigen Drehstrom.

Fig. 1 stellt in sinnbildlicher Darstellung den Drehkörper 4 dar, der von dem Spulenpaaren 1, 2 und J> umgeben ist. Jedes dieser Spulenpaare umspannt zusammen 36o°, wobei die Windungszahl in sinusförmiger Verteilung angeordnet ist. Jeweils in der Mitte einer Einzelspule ist die höchste Windungsdichte anzutreffer Jede Spule ist zwischen zwei Phasen eines Drehstroms geschaltet, der die Phasen r, s und t aufweist. Soweit entspricht die Spulenanordnung dem Stand der Technik. Gemäß der Erfindung ist jede Spule an der Mitte an den Stellen m,, rru, m-,, m,^f und m^,' aufgetrennt. An m-, ' und an m, ist gegen Masse die Spannung U m.^! und U Xn₁ abgegriffen. Die in den einzelnen Spulenhälften fließenden Ströme sind jeweils durch Pfeil und Bezifferung gekennzeichnet.

Fig. 2 stellt das Spannungsdiagramm eines dreiphasigen Drehstroms dar, wie er die Anordnung gemäß Fig. 1 speist.

Fig. 3 stellt die Spannungsverhältnisse im Vektordiagramm dar, die itn Spulenpaar 1 vorliegen. Hierbei sind die Spannungen U m, ' und U JTi₁ direkt ablesbar; es handelt sich hierbei um die Spannung zwischen der Mittenauftrennung und dem Sternpunkt. Bei einer Spannung rs = jQo V ergibt sich z. B. U m,' Tc 9 V; Um, <t. 2^o V.

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Zweckrnäßigerweise VJird in,'■ als Einspeisungsstelle für die Stellspannung gewählt. ^ ■"':■"■-

Fig. 4 stellt die Schaltung eines erfindungsgemäßen Antriebs dar; ah den Stellen m,', mo' und m ' werden die Stellströme I _T, I „

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und I_fi, eingespeist, die von den hier nicht dargestellten Stellgliedern kommen. Eine Transformator 6 transformiert die Netzphasen

Fig.; 5'zeigt zwei zusammengehörige Spulenpaare, wie sie zusammen mit durch einen Ring verbundenen Polschuhen angeordnet sind. Die Verteilung der Windungen folgt hierbei einerSinusfunktion. An der einen der Spulen erfolgt die Einspeisung durch den:Steuerstrom I_gl über einen Tiefpaß. Bei dieser Anordnung ist es möglich, durch Weglassen von den Kontakten r, s benachbarten Windungen die Spannung bei m,' erheblich: zu verringern. Den weggelassenen Windungen entsprechen im Vektorendiagramm Spannungsvektoren^ deren Resultierende an Betrag der Restspannung U ^ nahekommt,

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aber entgegengeriöhtet 1st (siehe Fig. 3: Es verschiebt sich gewissermaßen das gesamte Spannungsdiagrämm mit seinem linken Eck in den Sternpunkt). ; ·

Fig. 6 stellt die erfindungsgemäße Änordniang mit separat eingespeisten; Spulenhälften dar. Einspeisespännungen r¹, s¹, t' entsprechen den vorherigen. Dreiecksspannungen, sind aber demgegenüber

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um J)O phasenverschoben. Es ergibt sich somit eine neue Windungszahl W* = W -2 -cos J)O° = yd; mit W =. ursprüngliche Windungszahl. Während für die resultierende Stellkraft P früher der Strom I

nötig war, ist nunmehr für die gleiche Stellkraft nur noch der Strom I ' = — r? Ί nötig. Die Phasenzuleitungen sind vom Stellsystem durch Tiefpässe getrennnt. Der Antriebsstrom, der das Umlauffeld erzeugt, ist hinsichtlich der Lösung gemäß Pig. I gleichgeblieben.

Fig. 7 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung ; die volle Dreiecksspannung liegt an jeder Spulenhälfte an; der Stellstrom durchfließt die beiden Spulen jedoch in Serie. Somit ist nur noch ein Stellstrom halber Stärke an der Stellspule nötig, deren beide Hälften nach wie vor in gegenläufiger Richtung vom Stellstrom durchflossen sind. Der Stellstrom 1_Q wird durch einen Transistor analog zur Stellspannung U^ über einen Tiefpaß auf die.Wechselstromspule eingespeist. In Pig. 7 in. zwei Phasen durch Kondensatoren verhindert ist, daß über eine gemeinsame Stromversorgung 5 von einem Stellsystem Stellströme ein Nachbarsystem beeinflussen können.

In Fig. 8 ist der Einzelumrichter β einer Antriebseinheit dargestellt. Durch zyklische Vertauschung der Kondensatoren und der Ansteuerung können alle drei Spulensysteme dieser Antriebseinheit mit Stellstrom versorgt werden.

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Claims

MASCHIEfENi¹ABRIK AUGSBUEG-NÜRITBEEG

iiJJNÜ'AÖKlK AUU-tJÜU±(ii-riUJttUi5J:;K(j . 9 ο C O O

Aktiengesellschaft £00OO

■München, den 24.· Oktober 1973

Pat ent ansprüche

( 1.JElektromagnetischer Antrieb für Schnellaufende Drehkörper, bestehend aus einem ruhenden Teil, der Magnetspulen aufweist, und aus einem umlaufenden Teil aus magnetisierbarem Material, wobei zusätzlich zur für den Antrieb des umlaufenden Teils dienenden Ansteuerung der Magnetspulen diese oder Teile derselben auch von einer Regelungseinrichtung angesteuert werden, die mit einem Meßsystem verknüpft ist, das die radiale Lage der Schleudertrommel erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Magnetspulen mit ungefähr sinusförmiger Windungsverteilung versehen und etwa in der Mitte aufgetrennt sind, daß ein Stellstrom beide Spulenhälften in gegenläufiger Richtung durchließt, und daß jede Spule an das speisende Antriebsdrehstromsystem angeschlossen ist.

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2. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Stellstrom der Auftrennungssteile über einen Tiefpaß zugeführt wird.
3. Elektromagnetischer Antrieb für schnellaufende Drehkörper, bestehend aus einem ruhenden Teil, der Magnetspulen auf v/eist, und aus einem umlaufenden Teil aus magnetisierbarem Material, wobei zusätzlich zur für den Antrieb des umlaufenden Teils dienenden Ansteuerung der Magnetspulen diese oder Teile derselben auch von einer Regelungseinrichtung angesteuert werden, die mit einem Meßsystem "verknüpft ist, das die radiale Lage der Schleudertrommel erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Ilagnetspulen etwa in der Mitte aufgetrennt sind, daß ein Stellstrom beide Spulenhälften in gegenläufiger Richtiong durchfließt ^ daß jede Spule an das speisende Antriebsdr ehstromsys tem angeschlossen ist und daß die -vom Stellstrom eingespeisten Magnetspulen eine derart korrigierte sinusförmige' Windungsverteilung aufweisen, daß die jeweils an der Auftrennung einer Spule eines Spulenpaares auftretende und ans der zum Antrieb des Drehkörpers dienenden Ansteuerung resultierende Wechselspannung vernachlässigbar gering ist.
4. Elektromagnetischer Antrieb für Schnellaufende Drehkörper, bestehend aus einem ruhenden Teil, der Magnetspulen aufweist, und aus einem umlaufenden Teil aus magnetisierbarem Material

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■wobei zusätzlich zur für den;Antrieb des umlaufenden Teils ' .. dienenden Ansteuerung der Magnetspulen diese oder Teile derselben auch von einer Regelüngseinriphtung angesteuert werden, die mit einem Meßsystem verknüpft ist, das: die radiale Lage der Schleudertrommel erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß '-. zumindest zwei der Magnetspulen etwa in der Mitte aufgetrennt sind, daß ein Stells-ferom beide Spulenhälften .in gegenläufiger Richtung durchfließt, und daß jede der Spulenhälften zwischen an das speisende Antriebsdrehstromsystem angeschlossen ist.
5. ElektromagnetischBr Antrieb⁷nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Spulenhälften für den Stellstrom . in Serie geschaltet sind. ^ :_;
6. Elektromagnetischer Antrieb nach Mspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung der Stellströme über die Sekundärwicklung eines Drehstromtransformators öder über die Ausgangswicklung eines Umrichters vorgenommen wird.

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