DE3523344A1 - Schnellaufender magnetisch gelagerter rotor, dessen lagerkraefte von der mit dem rotor integrierten elektrischen maschine erzeugt werden - Google Patents

Description

Technische Grenzen beim gegenwärtigen Stand der Technik

Der Einsatz magnetischer Lager hat zum Ziel, ohne Berührung des zu stützenden Rotors, d.h. möglichst reibungslos und verschleißfrei dessen Bewegung zu ermöglichen. Ohne die An­ wendung wartungsbedürftiger Maschinenelemente werden so Konstruktionen möglich, die einen größeren Spielraum für höhere Umfangsgeschwindigkeiten sowie größere Leistungsdich­ ten u.s.w. ermöglichen. Magnetische Lager lassen sich in ge­ regelter oder ungeregelter Form ausführen. Oft werden Kom­ binationen dieser beiden Lagertypen eingesetzt. Die gere­ gelten Magnetlager basieren auf der Funktion geregelter Elektromagnete. Für Querlager werden normalerweise in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen Spulen zur Er­ zeugung des magnetischen Feldes wirksam. Von einem den La­ gerspalt messenden Sensor wird nach Vergleich mit dem Soll­ wert von einem Regler ein Signal auf einen den Spulenstrom bestimmenden Verstärker (Stromsteller) gegeben. Damit kann nach einer Störung der Rotorlage eine Spaltkorrektur vor­ genommen und der Lauf des Rotors in der jeweiligen Achse stabilisiert werden. Ähnlich lassen sich auch axial wirkende Magnetlager aufbauen, so daß in der Kombination von magneti­ schen Lagern die erforderliche Kraft in den aufeinander senkrecht stehenden Hauptrichtungen (vertikal, horizontal und axial) mit Hilfe regelbarer magnetischer Felder erzeugt wer­ den kann.

Da die magnetischen Lager konventioneller Art zur Beschrän­ kung der Magnetisierungsleistung eisenbehaftete magnetische Kreise besitzen, ist die Obergrenze der Felddichten durch die Eisensättigung der Kreise bedingt.

Die erzeugbare Kraftdichte ist somit begrenzt; sie liegt im allgemeinen nicht über 20 N/cm². Dies wiederum bedingt verhältnismäßig großflächige Anordnungen für die Pole der magnetischen Lager. Rotoren mit großer Masse wie z.B. Schwung­ massenspeicher oder Rotoren von Maschinen hoher Leistungs­ dichte, auf die große externe Kräfte wirken, verlangen somit im Verhältnis zu den Abmessungen der normalen Welle ein gro­ ßes Lagervolumen. Die Lager selbst tragen ihrerseits nicht dichte, auf die große externe Kräfte wirken, verlangen somit im Verhältnis zu den Abmessungen der normalen Welle ein gro­ ßes Lagervolumen. Die Lager selbst tragen ihrerseits nicht unbeträchtlich dazu bei, den Rotorkörper zu vergrößern.

In den meisten Anwendungsfällen wird zusätzlich eine Ein- oder Auskopplung der Leistung mit Hilfe eines elektromecha­ nischen Wandlers, also einer elektrischen Maschine angestrebt. Letztere arbeitet ebenfalls berührungsfrei, läßt ein gewisses Lagerspiel zu und ermöglicht den Antrieb oder die Bremsung des Rotors ohne Zwischenschaltung von Getrieben. Elektrische Maschinen basieren ebenfalls auf der Anwendung von magneti­ schen Feldern, die in Wechselwirkung mit elektrischen Strömen stehen. Da ähnlich wie auch bei den normalen Magnetlagern Eisen zur Steigerung zur magnetischen Leitfähigkeit verwendet wird, haben die Felder die Eigenschaft, daß von ihnen Normal­ kraftdichten in gleicher Größenordnung (wie bei den Lagern) erzeugt werden. Darüber hinaus besteht die Eigenschaft, daß Auslenkungen aus der Symmetrielage Kraftwirkungen hervor­ rufen, die eine weitere Vergrößerung des Ungleichgewichts zur Folge haben. Die von einer elektrischen Maschine erzeugte Normalkraft wirkt für den Schwebezustand des Rotors destabi­ lisierend. Durch die Maschine verursachte zusätzliche Kräfte müssen ebenfalls vom Lager aufgenommen werden.

Werden Magnetlager in der Kombination mit elektrischen Ma­ schinen für den gleichen Rotor eingesetzt, kann es notwendig werden, daß die Querlager um beträchtliche Beträge überdimen­ sioniert werden müssen. Damit verbunden sind in der Regel unerwünschte Vergrößerungen der gesamten Konstruktiom.

Außer der beträchtlichen Massenanhäufung sind auch indirekte Folgewirkungen zu erwarten. So führt z.B. eine Verlängerung der zylindrischen Querlager bei kurzen Rotoren auch zu einer verstärkten Neigung zu Feld-Inhomogenitäten, also zu ungleich­ mäßiger Feldverteilung im Lager. Wird zur Beschränkung dieser Erscheinung das Lagerspiel vergrößert, so erhöht sich der Ma­ gnetisierungsbedarf der Lager, die erzielbare Kraft-Änderungs­ geschwindigkeit für eine bestimmte Aussteuerung des Stromes verringert sich somit. Es sind folglich größere Aufwendungen auf der Seite der Energieversorgung und -aufbereitung not­ wendig.

In der Kombination elektrische Maschine und magnetisches La­ ger treten also in der Regel störende Wechselwirkungen durch magnetische Felder auf, die Auswirkungen auf die Anwendbarkeit solcher Kombinationen haben können. Es existieren deshalb mehrere Vorschläge zur verbesserten Ausführung magnetisch ge­ lagerter Rotoren, bei denen eine Verringerung der Wechselwir­ kungen angestrebt wird. So werden z.B. doppelseitig wirkende magnetische Felder bei Axialfeldmaschinen vorgeschlagen.

Eine ideale Lösung der beschriebenen Probleme ist indes nicht bekannt. Aus diesem Grunde wurde auch versucht, durch eine bessere dynamische Stellbarkeit der magnetischen Lager eine Entschärfung der Problematik zu erreichen.

Man kann dies z.B. dadurch erzielen, daß man das magnetische Feld aus einer Kombination von Permanentmagnet und elektri­ scher Spule erzeugt. Es wird dann die stationäre Normalkraft mit Hilfe der Permanentmagnete und die dynamisch erforder­ lichen, regelbaren Feldkomponenten durch die Spulenerregung erzeugt.

Solche Lager sind dynamisch günstiger als rein elektrisch erregte Lager, da die stabilisierende Kraftkomponente mit kleinen Aussteuerungen auskommt und die Stromänderungen bei gegebener Spannung verhältnismäßig schnell sind. Allerdings erfordert das Überlagerungsprinzip des Feldes wegen der jetzt notwendigen Aussteuerung des Stromes nach beiden Richtungen einen größeren Aufwand an elektronischen Komponenten.

Die Aufgabenstellung für weitere Verbesserungen

Es wird eine Magnetlagerung für Rotoren mit elektrischer Energieein- oder -auskopplung angestrebt, bei der störende Wechselwirkungen zwischen den Hauptfunktionen, Erzeugung von Normal- und Umfangskraft vermieden werden. Die sich aus der Wechselwirkung ergebenden unerwünschten Konsequenzen entfal­ len somit. Gleichzeitig wird eine kleine Zahl von Systemkom­ ponenten mit magnetischen Feldern (Maschine und Magnetlager) verwirklicht.

Die neuen Merkmale

Als Lösungsweg für die gestellte Aufgabe bietet sich an, der elektrischen Maschine die Lagerfunktion zu übertragen. Hier­ mit entfallen die magnetischen Lager als ergänzende Komponen­ ten zur elektrischen Maschine.

Zur Erzeugung stabil wirkender, geregelter Normalkräfte muß die elektrische Maschine mit Stellorganen versehen und über Regler der Rotorlage entsprechend ausgesteuert werden. Dies bedeutet normalerweise auch eine Unterteilung der Maschine in mehrere am Umfang getrennt steuerbare Einheiten.

So kann ein Querlager durch eine Aufteilung der Maschinen­ wicklung in vier Quadranten mit getrennter Aussteuerung, je­ doch in einer konstruktiven Einheit realisiert werden.

Weiter kann erforderlich werden, daß anstelle einer Maschinen­ einheit zwei oder gegebenenfalls drei Einheiten mit unter­ schiedlich wirkenden Normalkräften eingesetzt werden. Es kann somit eine Aufteilung der Maschinenleistung auf zwei oder drei Einheiten erfolgen.

Durch die Funktionsintegration von Normalkraftregelung und Tangentialkrafterzeugung in der elektrischen Maschine ent­ steht für die Konfiguration des Rotorkörpers und seine elektro­ magnetischen Statorkomponenten eine erhebliche Vereinfachung. Gleichzeitig kann in fast allen Fällen durch den Wegfall der magnetischen Lager eine günstigere Bemessung der elek­ trischen Maschine vorgenommen werden.

Die raum- und massesparende Anordnung des Gesamtsystems be­ deutet höhere Leistungsdichte, günstigere Formgebung und in der Regel besserer Wirkungsgrad für die Energieumwand­ lung. Was die geforderten Stelleingriffe zur Normalkraft­ beeinflussung anlangt, muß zunächst gesagt werden, daß sie von der Zahl der zu stabilisierenden bzw. zu regelnden Kraft­ richtungen abhängen. Die Zahl der Stelleingriffe ist gleich oder größer der Zahl der Freiheitsgrade. Bei einem elektrisch anzutreibenden Rotor ist von der Gesamtzahl 6 (drei Koordi­ natenrichtungen + drei Drehungen) ein Rotations-Freiheits­ grad durch den Antrieb belegt. Durch die Lager sind somit fünf Freiheitsgrade zu regeln. Je nach der Zahl der Lager- Motoreinheiten ist dies mit einer unterschiedlich großen Zahl von stellbaren Wicklungen bzw. Wechselrichtergruppen zu erreichen.

Die Normalausführung besteht aus zwei Querlagern und einem Axiallager, insgesamt also aus drei Motoreinheiten (siehe Bild 1, die Lager Q 1, Q 2 und A). Mit einer Unterteilung in vier Stellquadranten je Querlager sind jeweils zwei Regler je Querlager einzusetzen. Die vier Regler der beiden Querlager ermöglichen dann zwei (aufeinander senkrecht stehende) Haupt­ richtungen und zwei Drehungen, also vier Freiheitsgrade zu regeln. Das axial wirkende Lager regelt auf einen mittleren Spalt und übernimmt die Stabilisierung des fünften Freiheits­ grads. Der entsprechende Motor muß i.a. doppelseitige Kraft­ wirkungen erzeugen können. Insgesamt sind 2×4+1=9 Wechsel­ richtereinheiten vorzusehen.

Sofern man den die Axialkraft erzeugenden Motor auf ausrei­ chend großem Durchmesser anordnet, können bei Unterteilung in vier Wicklungsabschnitte mit vier Wechselrichtereinheiten sowohl ein mittlerer Spalt durch die Summe der Axialkräfte als auch zwei Drehungen durch jeweils gegensinnige Aussteuerung sich gegenüberliegender Quadranten geregelt werden. Mit dem Axiallager werden damit über vier Stelleinheiten drei Frei­ heitsgrade geregelt.

Wie Bild 2 zeigt, genügt somit ein weiteres Querlager Q, mit dessen Hilfe bei vier Stellelementen die Kräfte in zwei Hauptrichtungen geregelt werden können. Zwei Motor­ einheiten erlauben in dieser Konfiguration mit acht stell­ baren Wicklungseinheiten die Regelung von fünf Freiheits­ graden. Neben der Minimierung der Zahl der Wechselrichter­ einheiten ist die von drei auf zwei verringerte Zahl der elektrischen Maschinen ein wichtiges Merkmal für eine be­ sonders systemgerechte Konstruktion.

Eine wichtige Rolle spielt dabei die Frage des Aufbaus bzw. der Integration der elektrischen Maschine mit dem zu lagern­ den Rotor. Bei Stahlrotoren kann z.B. der magnetische Rück­ schluß vom Rotorkörper übernommen werden. Es entsteht somit eine enge Verbindung zwischen den Systemkomponenten. Der Rotorkörper übernimmt sowohl mechanische wie auch magnetische Funktionen. Dabei kann es erforderlich sein, die Formgebung des Rotors in geeigneter Weise zu modifizieren.

Die augenfällige Vereinfachung, die durch eine Mehrfreiheits­ grad-Regelung beim Axiallager erreicht werden kann, wird durch den Vergleich von Bild 2 gegenüber Bild 1 deutlich. Es wird hierbei davon Gebrauch gemacht, daß eine statische Vorbelastung durch das nach unten wirkende Rotorgewicht gegeben ist.

Für die vertikale Lagerung genügt es, in einer Richtung wir­ kende axiale Kräfte durch das Lager A (im Sinne der nach oben wirkenden Tragkraft) zu erzeugen. Nach unten wirkende Kräfte werden nicht verlangt.

Bei Strömungsmaschinen treten ebenfalls größere Axialkräfte auf, die allerdings abhängig von der Förderleistung und damit der Drehzahl sind. Sie wirken gleichfalls nur in eine Richtung. Somit erscheint es auch wieder möglich, das Axiallager, selbst bei horizontaler Welle, nur einseitig auszubilden (Bild 3).

Die für das Axiallager A und das Querlager Q gebotene Unter­ teilung in jeweils 4 Quadranten ist in Bild 4 schematisch dar­ gestellt. Es ist für den Motor A eine Axialfeldmaschine und für den Motor Q eine Radialfeldmaschine vorgesehen.

Die Erzeugung des Leerlauffeldes wird bei beiden Maschinen (Bild 3) durch die im Rotor R untergebrachten Permanentmagnete P bewirkt. Der Stahlkörper des Rotors eignet sich zur Aufnahme der durch die Fliehkräfte bewirkten Umfangsspannungen; er führt gleich­ zeitig den magnetischen Fluß. Die Statorwicklung ist in beiden Fällen in der Form einer vielphasigen Wicklung mit Ringspulen S, die das Joch J umschließen, ausgeführt. Um auch bei der Maschine Q die Einleitung der Fliehkräfte der Magnete in den Rotorkörper ohne besondere Haltevorrichtung zu ermöglichen, sind die Ma­ gnete am Innenrand des Rotorzylinders und der Stator ebenfalls innenliegend vorgesehen.

Die dargestellte Art der Erregung durch Permanentmagnete im Stahlrotor stellt nicht die einzige denkbare technische Va­ riante dar. Es ist z.B. auch ein passiver Rotor aus Stahl mit ausgeprägten Polen in der Form eines Reluktanzrotors in der Kombination mit einer Vielphasenwicklung ein anwendbares Konzept.

Es ist von Bedeutung, daß hierbei das magnetische Feld zur Normalkraftbeeinflussung in einfacher Weise verändert werden kann. Das Integral über das Quadrat der magnetischen Flußdich­ te bestimmt die Normalkraft, wobei beim Querlager die Krümmung des Feldraumes zu berücksichtigen ist. Für die von den Stator­ strömen ausgehende Feldbeeinflussung ist zu beachten, daß von den Strömen sowohl die Umfangskräfte (für den Antrieb) als auch die Normalkräfte abhängen. Wie noch näher beschrieben wird, ist jedoch die Stellbarkeit des Feldes nicht ausschließlich auf Reluktanzmaschinen mit Vielphasenwicklungen beschränkt; auch bei permanenterregten Maschinen kann durch die Anker­ ströme eine ausreichende Stellbarkeit der Normalkräfte erzielt werden. Es wird nun davon ausgegangen, daß die Lagerung von Rotoren durch magnetische Felder besonders für hochtourige Anwendungen von Interesse ist. Bei Maschinen mit hoher Umfangs­ geschwindigkeit ergeben sich Speisefrequenzen für die Stator­ ströme von weit mehr als 50 Hz. Es werden damit zum Betrieb von Motoren Wechselrichter benötigt, die eine Änderung der Stromrichtung (Wechselströme) in ausreichend kurzer Zeit ermöglichen. Dies erfordert, daß die Kommutierungseigenschaf­ ten der durch Schaltelemente und Wicklungsstränge gebil­ deten Kreise günstig sein müssen. Damit sind kurze Schalt­ zeiten bei den Halbleiterelementen und kleine Induktivitäten der Wicklung gefordert. Kurze Schaltzeiten beim Wechsel­ richter lassen sich durch die Anwendung abschaltbarer Halb­ leiterelemente wie Transistoren oder GTO′s erreichen. Die entsprechenden zulässigen Schaltfrequenzen liegen im kHz- Bereich. Es lassen sich damit vielpolige elektrische Maschi­ nen mit hoher Leistungsdichte betreiben. Hierdurch wird es auch möglich, die Maschinenwicklung in 4 Quadranten ein­ zuteilen, wobei jeder Quadrant mehrere Pole umschließt. Wechselrichter mit Frequenzen oberhalb von 1 kHz weisen ent­ sprechend der Leistungsfähigkeit der Halbleiterelemente Modulleistungen bis zu einigen 100 kW auf. Für Maschinen mit Nennleistungen um 1 Megawatt oder darüber ist somit bereits eine Unterteilung der Wechselrichter in mehrere für sich stellbare Einheiten kein prinzipieller Nachteil.

Im Vergleich zu Antrieben mit konventionell gelagerten Ro­ toren und einem extern gekuppelten Motor kommt zunächst hauptsächlich der Anteil der Regelung der Teilwechselrichter zur Normalkraftbeeinflussung als zusätzlicher Aufwand hinzu. Der Umfang an Leistungselektronik-Komponenten (Bauleistung der Wechselrichter) steigt durch die Funktion der magneti­ schen Lager nur unwesentlich. Hiermit im Zusammenhang steht allerdings die Frage nach der Art des für die Feldbeeinflus­ sung gewählten Stellverfahrens.

Feldbeeinflussung zur Normalkraftveränderung

Die möglichen Stellverfahren für die Normalkräfte sind ab­ hängig von der Art der elektrischen Maschine. Wie schon be­ schrieben, ist die Normalkraft in den einzelnen Maschinen­ quadranten proportional dem Integral über das Quadrat der magnetischen Flußdichte im Luftspalt. Die Krümmung des Feld­ raumes ist dabei zusätzlich zu berücksichtigen.

Für die Normalkraftbeeinflussung eignen sich folglich alle Maschinen, bei denen über die vom Wechselrichter gespeiste Statorwicklung (und deren Ströme) die Flußdichte verändert werden kann. Besonders erwünscht sind dabei solche Steuer­ verfahren, bei denen die Flußdichte gegenüber einem Normal­ wert in zwei Richtungen stellbar ist.

Damit kann z.B. beim Querlager im Quadrant Q 1 eine Vergrö­ ßerung der Normalkraft und im Quadrant Q 3 eine Verkleinerung stattfinden. Die Flußdichteänderung soll außerdem sehr schnell erfolgen, so daß nur eine kurze Verzugszeit zur Wiederher­ stellung der Gleichgewichtslage (und eine kleine Anregelzeit) entsteht, (Bild 4).

Eine schnelle Lagekorrektur bedeutet auch, daß nur kleine Abweichungen von der Sollage entstehen. Dies wiederum ermög­ licht die Einhaltung eines kleinen Lagerspalt-Nennwertes. Letzteres ist deshalb sehr erwünscht, weil die Materialaus­ nützung bei magnetischen Lagern und elektrischen Maschinen mit abnehmendem Nennspalt steigt. Hohe Lagersteifigkeit kann bei kleinen Nennspalten leichter erreicht werden, als bei großen. Eine ausreichend hohe Lagersteifigkeit durch eine dynamisch sehr wirksame Regelung ist im Zusammenhang mit schnell rotierenden Körpern ein wichtiges Entwicklungsziel.

Die Beeinflussung der magnetischen Felddichte kann bei Reluk­ tanzmaschinen zweckmäßig entsprechend P 34 01 163.3 so er­ folgen, daß die der Pollücke zugeordneten Spulenströme über den Spaltregelkreis vergrößert oder verkleinert werden. Hier­ durch tritt im Bereich des kleinen Spaltes (Polbereich) eine annähernd dem Strom proportionale Feldänderung auf, die Ur­ sache für die Normalkraftbeeinflussung ist. Die Veränderung der Ströme in ihrem Amplitudenwert setzt für den Wechselrich­ ter und den Gleichstromzwischenkreis eine Spannungsreserve (Spannungshub) von entsprechender Größe voraus. Bei Anwen­ dung von Vielphasenwicklungen ist es möglich, in entsprechen­ den Wicklungsbereichen einer Reluktanzmaschine eine unter­ schiedliche Normalkraftbeeinflussung zu erreichen. Reluktanz­ maschinen stellen jedoch nicht für alle Anwendungen die gün­ stigsten Lösungen für das Antriebsproblem dar.

Sollen z.B. permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt werden, so ist eine Feldbeeinflussung mit Hilfe der Anker­ ströme zunächst als weniger naheliegend anzusehen. Die Per­ manentmagnete erzeugen ein von außen her nicht beeinflußbares magnetisches Feld, das als Leerlauffeld anzusehen ist. Mecha­ nische Veränderungen des magnetischen Kreises zur Beeinflus­ sung dieses Leerlauffeldes sollen hier nicht in Betracht ge­ zogen werden. Hier soll davon ausgegangen werden, daß es mög­ lich ist, eine Verstärkung oder eine Schwächung des Feldes dadurch zu erzielen, daß die von den Ankerströmen erzeugten Feldanteile gegenüber dem Leerlauffeld (also gegenüber den Polen der P-Magnete) in Umfangsrichtung verschoben werden. Letzteres soll bedeuten, daß bei gleicher Größe der Anker­ ströme nur deren relative Lage zum Rotor verändert wird. Für die Beeinflußbarkeit des Feldes erweist sich dabei ein im Vergleich zum Feld der Permanentmagnete nicht zu kleines Anker­ feld als günstig. Die notwendige Größe des Ankerfeldes bezogen auf die Dichte des Leerlauffeldes bestimmt die Größe des Nor­ malkrafthubes. Eine Begrenzung des Ankerfeldes ist jedoch aus mehreren Gründen erwünscht. Ein zu großer Anteil verrin­ gert bekanntlich die erzielbare Kraftdichte in Umfangsrichtung, reduziert also die Leistungsdichte und erfordert eine ver­ stärkte Auslegung des Wechselrichters.

Bild 5a stellt mit B _o den rechteckförmig gezeichneten Ver­ lauf des von den Permanentmagneten erzeugten (Leerlauf-) Feldes dar. Das Ankerfeld, gekennzeichnet durch B _a erreicht in seinem Maximalwert weniger als die Hälfte des Leerlauf­ feldes. B _a wird nun verschieblich angenommen. Die Kurve a zeigt jene Stellung, bei der die zugehörigen Ankerströme die größte Umfangskraft erzeugen. In Bild 5b ist die sich durch Überlagerung beider Feldanteile ergebende Summe B _o +B _a aufgetragen. Verschiebt man B _a gegenüber dem Leerlauffeld, so treten Änderungen in Größe und Verteilung der resultie­ renden Felddichte auf.

Eine relative Verschiebung von B _a nach links um x ₁=1/5 τ (Kurve b) bringt eine Erhöhung der örtlichen Flußdichte unter dem Pol. Umgekehrt bringt eine Verschiebung nach rechts um den gleichen Betrag (Kurve c) eine Verringerung der Fluß­ dichte. Da die Normalkraftdichte dem Quadrat der resultierenden B-Werte proportional ist, entstehen für die mittlere Kraft­ dichte deutliche Unterschiede.

In Bild 6a ist die über die Polteilung gemittelte Kraftdich­ te in Abhängigkeit von der Größe der Verschiebung aufge­ tragen. Zunehmende Verschiebung nach links gegenüber der Ausgangslage a führt bei -2,5 x₁ zu einem Kraftmaximum, während bei Verschiebung nach rechts bei +2,5 x₁ ein Kraftminimum auf­ tritt. Wie das Bild 6b darstellt, geht die von den Ankerströ­ men erzeugte Kraft in Umfangsrichtung von der Optimalstellung a aus zurück und erreicht bei ±2,5 x₁ den Wert null.

Die Differenz der Normalkräfte bei gegensinniger Aussteuerung zeigt Bild 6c. Daß eine verhältnismäßig kleine Stromerhöhung (von I ₁ auf 1,25 I₁) starke Krafterhöhungen bewirkt, zeigen die beiden Kurven von Bild 6c.

Die für Bild 5a angenommene Verteilung von B _a in Abhängigkeit von x z.B. nach Kurve a stellt sich mit der in Bild 5c ge­ zeichneten Stromverteilung mit 5 Nuten (Phasen) je Pol und einer Magnetanordnung mit einer Polbreite von 4/5 τ ein.

Eine Linksverschiebung um eine Nutteilung (Fall b) bedeutet, daß nun die kommutierende Spule mit dem Strom null aus der Pol­ lücke heraus unter den Nachbarpol wandert. Hierdurch ändern sich auch die elektrischen Verhältnisse für die Kommutierung.

Die induzierte Spannung unterstützt nun die Stromänderung verstärkt. Die Annahme gleichgroßer Ströme in den jeweils unter den Polen befindlichen Nuten setzt eine Stromregelung für die einzelnen Phasen voraus. Wird auf eine Einflußnahme auf die Stromgröße durch Zwischentakten des Wechselrichters verzichtet, so stellt sich der Spulenstrom entsprechend den wirksamen Spannungen frei ein. Dieser Betrieb ist im oberen Teil des Drehzahlbereiches, also bei hohen Frequenzen, sinn­ voll. Geht man davon aus, daß der Strom bei der höchsten Flußdichte dabei den erwünschten Wert annimmt, so zeigt sich, daß die bei kleiner Flußdichte sich einstellenden Ströme größer sind. Dies führt dazu, daß der Feldanstieg von B _a in Abhängigkeit von x größer und zugleich nicht linear ist. Es tritt im Vergleich zu Bild 5a, 5b eine Ankerfeldverformung auf und der Einfluß der Feldänderung auf die Normalkraft wird verstärkt. Für die Umfangskräfte ergibt sich ein gegenläu­ figer Einfluß. Die Wirksamkeit der Aussteuerung zur Stabili­ sierung der Schwebefunktion wird in begrenztem Umfange durch die Betriebsweise des Wechselrichters beeinflußt.

Die Verwendung von Permanentmagneten zur Erzeugung des Leer­ lauffeldes weist bekanntlich den Nachteil auf, daß nur ein Teil des Gesamtfeldes durch den Strom beeinflußbar ist. Vor­ teilhaft wirkt sich allerdings aus, daß bei Spaltänderungen auch nur ein verminderter Einfluß auf die Normalkraft und damit eine Reduktion der destabilisierenden Wirkung gegeben ist. Dies hängt mit dem Anteil der durch Spalt und Permanentmagnet für das Feld des Ankers dargestellten magnetischen Wider­ stände zusammen. Der Luftspalt bedingt nur einen kleinen An­ teil des gesamten Widerstandes. So kann man davon ausgehen, daß bei einer Permanentmagnethöhe, die etwa das Fünffache des Luftspaltes beträgt, eine Spaltänderung von 10 % des Nenn­ spaltes nur eine Feldänderung von weniger als 2 % und eine Normalkraftänderung von weniger als 4 % hervorruft. Die im Beispiel beschriebenen Kraftaussteuerungen, die bei nicht geändertem Spalt auftreten würden, lassen sich offenbar im Prinzip auf alle die Anwendungen übertragen, bei denen verhält­ nismäßig kleine Änderungen des Spaltes auftreten. Allerdings sollte die Magnethöhe deutlich größer als der Spalt sein.

Gleichzeitig sind Maßnahmen zu treffen, meßtechnisch genau bereits sehr kleine Spaltänderungen verzögerungsfrei zu er­ fassen.

Es werden hierfür Spaltsensoren angewendet, die in der Lage sind, Spaltabweichungen von etwa 1 % des Nennwertes durch ein elektrisches Signal abzubilden. Die oben angenommene gegensinnige Aussteuerung von zwei sich gegenüberliegenden Wicklungsquadranten ist sinnvoll, weil dadurch annähernd eine Verdopplung der Kraftwirkung entsteht. Es erscheint indes nicht unbedingt notwendig, daß zur Stabilisierung des Schwebevorganges diese Voraussetzung erfüllt sein muß. Sofern der Lauf eines Rotors sich ohne äußere Störungen vollzieht, genügen bei verzögerungsarmer Reaktion verhältnismäßig kleine Aussteuerungen zur Stabilisierung. Es erscheint dann aus­ reichend, z.B. nur die im oberen Bereich eines Querlagers erzeugte Tragkraft zur dynamischen Stabilisierung heranzu­ ziehen, während die Wicklung des unteren Quadranten nur sta­ tionär ausgesteuert bleibt.

Zweckmäßig ist es, das Axiallager so auszulegen, daß unter den zeitlich vorherrschenden Bedingungen (Normalbetrieb) die Axialkraft in der Feldposition a, d.h. ohne eine Schwächung der Umfangskraft erzeugt wird. In diesem Betriebszustand erbringt die elektrische Maschine ihre Leistung mit den klein­ sten Verlusten. Die notwendigen Aussteuerungen zur dynamischen Stabilisierung treten dann mit nur kleiner Amplitude und sehr kurzzeitig auf. Sie lassen sich durch geringfügige Winkelver­ schiebungen der Stromverteilung ausgleichen. Der hierdurch bedingte Leistungsabfall führt nur zu einer sehr geringfügigen Stromerhöhung für die Erzeugung der mittleren Umfangskraft.

Beim Querlager ist zur Erregung der das Rotorgewicht kompen­ sierenden Magnetkraft hingegen eine ständige Aussteuerung der Quadranten Q 1 und Q 3 erforderlich. Für die Auslegung der elektrischen Maschine ist zu berücksichtigen, daß zur Aus­ regelung von dynamischen Effekten noch eine angemessene Ver­ größerung dieser Kraft notwendig ist.

Die beschriebene Maschinenart der permanenterregten Syn­ chronmaschine mit Ankerstromverschiebung eignet sich deshalb sehr gut zur Normalkraftbeeinflussung, weil der Vorgang der Stromverschiebung ohne nennenswerte Zeitverzögerung durchführ­ bar ist. Besonders günstig sind die Schalteigenschaften einer in Vielphasenart ausgelegten Ankerwicklung bei dieser Maschine. Die Ankerinduktivität ist durch die Anordnung der Permanent­ magnete am Luftspalt sehr gering. Eine hohe Kommutierungsge­ schwindigkeit ist bei gegebener Spannungsaufschaltung im Ver­ gleich zu anderen Maschinen gesichert. In dieser Bauform lassen sich elektrische Maschinen mit besonders hohen Fre­ quenzen betreiben.

Für die Regelung der Antriebskraft, die die Drehung des Rotors bewirkt, wird die Größe des Stromes (Stromamplitude) heran­ gezogen.

In den Fällen, wo das Querlager durch die stationäre Aus­ steuerung zur Tragkrafterzeugung stark belastet ist, kann sich empfehlen, die beiden Quadranten Q 1 und Q 3 von der Rege­ lung der Antriebskraft auszunehmen.

Bei Anwendungen, die eine drehzahlabhängige Axialkraft und gleichzeitig drehzahlabhängige Aussteuerungen der Stromamplitude für die Regelung der Umfangskraft erfordern, ist die zusätzliche Anwendung eines magnetischen Hilfslagers zur vorübergehenden Erzeugung einer Axialkraft sinnvoll. Das Hilfslager wird dann in die Regelung des Freiheitsgrades "axiale Verschiebung" (Hauptrichtung a, a′) einbezogen. Im Be­ reich der Nennlast werden die Lagerkräfte zum weitaus größten Teil bzw. vollständig durch die beiden elektrischen Maschinen A und Q erzeugt; das Hilfslager kann dann abgeschaltet oder mit nur sehr geringer Kraft betrieben werden.

Bild 7 zeigt das Regelschema des Axiallagers A zur Regelung der 3 Freiheitsgrade aa′, β, γ. Die Ist-Werte der Lage werden durch die Sensoren S 1-S 4 gemessen und im Verknüpfungs­ rechner in die Koordinaten der Freiheitsgrade Abstand, Neigung und Drehung umgeformt.

Nach dem Sollwertvergleich entsteht in den zugehörigen PJD-Reglern ein Reglersignal für die Lagekorrektur. Dieses wird im Stellgrößenrechner umgeformt, so, daß es durch die 4 Stell­ glieder WR 1-WR 4 zur Phasenverschiebung der Stromverteilung in den 4 Wicklungsquadranten A 1-A 4 verwendet werden kann.

Ein analoger Funktionsablauf für die Regelung des Querlagers zeigt Bild 8. Es werden die beiden Freiheitsgrade vv′ und hh′ geregelt.

Zwei Sensorsignale S _S und S _H ermitteln die Lage-Ist-Werte. Die beiden Regler ermitteln nach Vergleich mit den Sollwerten die Korrekturbefehle. Letztere werden im Stellgrößenrechner zur Verarbeitung in den 4 WR-Einheiten WR 1-WR 4 des Querlagers umgesetzt.

Es sei betont, daß die beschriebene Regelung mit Hilfe der Phasenverschiebung der Ankerstromverteilung zwar auf relativ kleine Spaltbewegungen beschränkt ist, aber dennoch Absetz- und Anhebevorgänge des Rotors im Schwebezustand ermöglicht.

Diese Vorgänge werden durch Sollwertveränderungen nach einem vorgegebenen Verlauf von der Regelung, und damit schwebend, durchgeführt. Die Tragkraft muß bei der größten Auslenkung vom Nennspalt noch dem Rotorgewicht entsprechen.

Der Absenkvorgang steht in engem Zusammenhang zur Frage nach einem Notlager und zu dessen Spiel. Im allgemeinen kann davon ausgegangen werden, daß mechanische Notlager mit einem Spiel von rund 1 mm zur Anwendung kommen, so daß sich Lagerspalte in A und Q, die geringfügig größer sind, anbieten.

In Bild 9 ist als Beispiel die Lagerkonstruktion eines schnellaufenden Rotors R mit den Hauptlagern A und Q (die elektrische Maschinen sind) vervollständigt durch ein Hilfs-Axiallager H, das kurzzeitig (beim Anlauf) erregt wird und die Notlager N 1 und N 2. Die Welle W ist mit dem fest­ stehenden Teil G verbunden (und ebenfalls feststehend). Sie ist mit einer Bohrung B ausgeführt, in der die Zuleitungen zum Stator Q und der Spule von H geführt werden.

Claims (13)

1. Schnellaufender Rotor von Arbeitsmaschinen, Schwungmassen­ speichern oder anderen Maschinen mit axialer und radialer Magnetlagerung und direktem elektromotorischem Antrieb mit einem am Rotor angeordneten Läufer einer elektrischen Axialfeldmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialfeldmaschine zur Aufnahme der auf den Rotor wirkenden Axiallagerkräfte ausgebildet ist, und daß zu­ sätzlich wenigstens eine Radialfeldmaschine vorgesehen ist, deren Läufer mit dem Rotor integriert und zur Aufnahme der radialen Lagerkräfte ausgebildet ist, und daß die zur Normal­ kraftregelung notwendige Feldstellung mit Hilfe der Strom­ beeinflussung in den Statoren der elektrischen Maschinen erfolgt.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkraft von einer Axialfeld-, die Radialkraft von einer Radialfeldmaschine erzeugt wird.

3. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoren der elektrischen Maschine, die als Axial­ lager und Radiallager dienen, in je 4 Quadranten mit eigenen Stellorganen unterteilt sind.

4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Feld der Axialfeldmaschine auf größerem Durchmesser wirksam ist als das Feld der Radialfeldmaschine.

5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialfeldmaschine mit 3 Reglern 3 Freiheitsgrade und die Radialfeldmaschine mit 2 Reglern 2 Freiheitsgrade stabilisiert.

6. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätz­ lich ein magnetisch wirkendes, Axialkräfte erzeugendes Hilfslager verwendet wird.

7. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Maschinen vielpolig ausgeführt sind, wobei je Wicklungsquadrant mindestens 2 Pole vorhanden sind.

8. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leerlauferregung Permanentmagnete auf dem rotie­ renden Teil vorgesehen sind.

9. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung mit einer Phasenzahl größer 3 aus­ geführt und durch Wechselrichter gespeist wird, die eine separate Strombeeinflussung der einzelnen Stränge ermög­ lichen.

10. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalkraftbeeinflussung durch Phasenänderung (Verschiebung) der Ankerstromverteilung gegenüber den Permanentmagneten erfolgt.

11. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen der Ankerwicklung als Ringspulen das Joch umschließen.

12. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Antriebskraft durch die Größe des Stromes erfolgt.

13. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Axialfeldmaschine die Meßwerte von 4 Spalt­ sensoren zur Ermittlung von 3 Regelbefehlen (mit Hilfe eines Verknüpfungsrechners) für mittleren Spalt und zwei Drehungen dienen und diese (mit Hilfe eines wei­ teren Rechners) in Stellbefehle für 4 Teil-Wechselrich­ ter zur Phasenstellung umgesetzt werden.