DE4114566C2

DE4114566C2 - Verfahren zur Inbetriebnahme einer mit einem magnetgelagerten Rotor ausgerüsteten Maschine sowie Schaltung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE4114566C2
Application number: DE19914114566
Authority: DE
Inventors: Randolf Paul Rolff
Original assignee: ROLFF RANDOLF PAUL 50169 KERPEN DE
Current assignee: ROLFF RANDOLF PAUL 50169 KERPEN DE
Priority date: 1991-05-04
Filing date: 1991-05-04
Publication date: 1999-07-08
Anticipated expiration: 2011-05-05
Also published as: WO1992019877A1; TW287250B; DE4114566A1; CN1066493A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Inbetriebnahme einer mit einem magnetgelagerten Rotor ausgerüsteten Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine für die Durchführung dieses Inbetriebnah me-Verfahrens geeigneten Schaltung.

Die DE-PS 34 09 047 offenbart eine Magnetlagerzelle mit Perma nentmagneten, die den Rotor in radialer Richtung stabil und in axialer Richtung labil lagern. Zusätzlich sind ein Axialsensor, ein Regler und zwei Ablenkspulen vorgesehen, welche den Rotor während des Betriebs der Maschine in seiner in axialer Richtung labilen Gleichgewichtslage halten. Dazu werden die Ablenkspulen mit Strömen versorgt, deren Stärke von der Abweichung des Rotors von seiner labilen Gleichgewichtslage abhängt.

Magnetlagerungen dieser Art sind in der Praxis für die Lagerung des Rotors von Turbomolekularvakuumpumpen eingesetzt worden. Sie sind dabei zusätzlich mit einer Regeleinrichtung ausgerüstet, worden, die einen automatischen Ausgleich der in den Ablenkspulen fließenden Ströme derart bewirkt, daß der Strom in der labilen Gleichgewichtslage des Rotors den Wert null hat ("Strom-auf-Null"- Regler). Außerdem ist ein Potentiometer vorgesehen, mit dem die Soll-Lage des Rotors vorgegeben wird, um Toleranzen der Pumpe und ihres Wandlers (Steuerung, Stromversorgung usw.) innerhalb der Magnetlagerregelung ausgleich zu können.

Zu den Toleranzen der Pumpe gehören vor allem der relativ große Offsetfehler des Axialsensors sowie von der Einbaulage der Pumpe abhängige Sollagen des Rotors. Da der Bereich, den der "Strom auf-null"-Regler ausregeln kann, begrenzt ist, muß das Abgleich potentiometer nach jedem neuen Einbau des System neu eingestellt werden. Selbst nach einem Wechsel des Verbindungskabels zwischen Pumpe und Wandler muß häufig ein neuer Abgleich manuell vorge nommen werden, da der Offsetfehler des Axialsensors auch von der Länge des Anschlußkabels abhängt. Üblicherweise muß der manuelle Abgleich der Toleranzen der Pumpe zunächst im Prüffeld des Herstellers erfolgen. Nach der Installation der Pumpe beim Kunden ist bereits ein erneuter Abgleich erforderlich, dsgl. später bei Veränderungen der Installation und Unregelmäßigkeiten innerhalb der Lagerung. Da der Kunde in der Regel den manuellen Abgleich der Magnetlagerungen nicht selbst vornehmen kann, ist der mit der Installation und dem Betrieb der Pumpen verbundene Wartungsauf wand sehr hoch.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine für die Durch führung dieses Verfahrens geeignete Schaltung zu schaffen, bei denen eine von Hand erforderliche Abgleichprozedur entfallen kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Maßnahmen der Patentansprüche gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen, in besonders vorteilhafter Weise ohne manuellen Eingriff ablaufenden Abgleich wird die Tatsache, daß der ruhende Rotor an einen axialen Anschlag anliegt, als erste Information genutzt. Die Sollage des in Betrieb befindlichen Rotors - seine labile Gleichgewichtslage - liegt um etwa den halben möglichen Gesamthub des Rotors von der momentanen Rotor- Anschlagslage entfernt. Da jedoch zwei axiale Anschläge existie ren und da nicht bekannt ist, welche Anschlagslage der ruhende Rotor eingenommen hat, wird zunächst eine der beiden Rotor-An schlagslagen als gegeben angenommen. Zur Inbetriebnahme wird zunächst das mit einem Offsetfehler behaftete Signal des Axial sensors durch ein gleich großes Signal mit inverser Polarität kompensiert. Danach liefert der Spannungsgeber einen dem halben Hub entsprechenden Spannungswert mit einer bestimmten Polarität. Hat der Spannungswert die falsche Polarität, wird beispielsweise der den Ablenkspulen zugeführte Strom ansteigen, weil der Rotor seine Gleichgewichtslage nicht annehmen kann. Überschreitet dieser Strom einen maximalen Grenzwert, so wird dieser Versuch abgebrochen. Vom Spannungsgeber wird danach ein dem halben Rotorhub entsprechender Spannungswert umgekehrter Polarität geliefert. Dieser Spannungswert bewirkt ein Abheben des Rotors von seiner Anschlagslage, so daß die mit dem Rotor ausgerüstete Maschine in Betrieb gesetzt werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Fig. 1 und 2 erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild und

Fig. 2 ein Blockschaltbild mit einem Schaltbeispiel für die Regeleinrichtung.

Bei dem in der Figur dargestellten Blockschaltbild für eine Schaltung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, ist der Axialsensor mit 1 bezeichnet. Seine Signale werden über einen Verstärker 2 einer Regeleinrichtung zugeführt, die allgemein mit 3 bezeichnet ist. Die Ausgangs-Strom-Signale der Regeleinrichtung 3 werden verstärkt (Verstärker 4) und der Ablenkspule 5 zugeführt. Nur eine Ablenkspule 5 ist dargestellt. In der Praxis sind meist zwei oder mehrere Ablenkspulen vorhan den.

In dieser an sich bekannten Axial-Aktivregelstrecke erfolgt die Regelung in der Weise, daß der Axialsensor 1 Signale erzeugt, deren Größe der Abweichung des Rotors von seiner Sollage ent spricht. Die vom Verstärker 4 in die Ablenkspule 5 fließenden Ströme bewirken, daß der Rotor in seine Sollage zurückkehrt. Wie weiter unten noch erläutert wird, soll dann, wenn der Rotor seine labile Gleichgewichtslage eingenommen hat, der durch die Ablenk spule 5 fließende Strom gleich null sein. Dazu ist ein "Strom- auf-Null"-Regler vorhanden, der Bestandteil der Regeleinrichtung 3 ist. Außerdem ist die Regeleinrichtung 3 so ausgebildet, daß die erfindungsgemäßen Schritte ausgeführt werden.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild mit einem Beispiel für die Ausbil dung der Regeleinrichtung 3. Bei dieser Schaltung wird das vom Verstärker 2 abgegebene Signal außerdem noch einem sogenannten Sample & Hold-Glied (strichpunktierter Block 6, Eingang 21) zugeführt, das von den Widerständen 7, 8, dem Kondensator 9, dem Operationsverstärker 10 und dem Feldeffekt-Transistor 11 gebildet wird. Ein Sample & Hold-Glied hat die Eigenschaft, daß sein Ausgang den Spannungswert eines Eingangssignales, hier mit inverser Polarität, annimmt und hält. Der Ausgang 12 des Sample & Hold-Gliedes 6 ist mit einer Addierstufe 13 verbunden. Außerdem steht die Addierstufe 13 mit dem Verstärker 2 und einem Span nungsgeber 14 in Verbindung. Das Summensignal wird einem Regler 15 zugeführt.

Zur Steuerung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Inbetriebnahme- Verfahrens ist außerdem noch eine Logik 16 vorgesehen. Über die Leitung 17 werden der Logik 16 Signale zugeführt, die den vom Verstärker 4 zur Ablenkspule 5 fließenden Strömen entsprechen. Die Logik 16 steht außerdem über die Steuerleitungen 18, 19 und 20 mit dem Feldeffekt-Transistor 11, dem Spannungsgeber 14 und dem Verstärker 4 in Verbindung, so daß eine automatisch ablau fende Steuerung dieser Bauteile möglich ist. Schließlich ist noch die Leitung 22 mit dem Widerstand 23 vorgesehen, welche die Leitung 17 mit dem Eingang des Operationsverstärkers 10 verbin det.

Die Inbetriebnahme einer mit dieser Schaltung ausgerüsteten magnetgelagerten Maschine läuft folgendermaßen ab: Nach dem Einschalten ist der Transistor 11 zunächst leitend. Der Transi stor 11 bildet dann zusammen mit dem Verstärker 10, den Wider ständen 7, 8 und dem Kondensator 9 das Sample & Hold-Glied 6. Da der Eingang 21 dieses Gliedes 6 mit dem Ausgang des Verstärkers 2 verbunden ist, liefert sein Ausgang 12 einen Spannungswert gleicher Größe mit inverser Polarität. Das mit einem mehr oder weniger großen Fehler behaftete, im Verstärker 2 verstärkte Signal des Sensors 1 wird also zunächst durch das der Addierstufe 3 zugeführte Sample & Hold-Glied-Signal aufgehoben.

Anschließend wird der Transistor 11 gesperrt, so daß Änderungen des im Verstärker 2 verstärkten Signals des Sensors 1 nicht mehr aufgehoben werden, und gleichzeitig der Verstärker 4 über die Leitung 20 freigegeben sowie der Addierstufe 13 (und damit dem Regler 15) vom Spannungsgeber 14 ein Spannungswert mit einer bestimmten Polarität zugeführt, der einem halben Hub des Rotors entspricht. Da nicht bekannt ist, an welchem seiner beiden axialen Anschläge der ruhende Rotor anliegt, kann dieser Span nungswert richtig oder falsch sein. Die Überprüfung dieser Frage erfolgt anhand von Spannungs- oder Stromänderungen im Bereich der Axial-Aktivregelstrecke.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Logik 16 mit dem Ausgang des Verstärkers 4 über die Leitung 17 verbunden. Nach der Zuführung des einem halben Hub des Rotors entsprechenden Span nungswertes zum Regler 15 wird sich der Rotor entweder in Rich tung seiner Soll-Lage bewegen können oder nicht. Kann er die gewünschte Soll-Lage nicht annehmen, wird nach der Freigabe des Verstärkers 4 durch die Logik 16 aufgrund der Axial-Aktivregelung der zur Ablenkspule 5 fließende Strom zunehmen, ohne daß sich der Rotor bewegt. Registriert die Logik 16 über die Leitung 17 das Überschreiten eines eingestellten Grenzwertes, wird der Versuch abgebrochen, da jetzt eindeutig ist, daß die vom Spannungsgeber 14 gelieferte Spannung die falsche Polarität hatte. Die Logik 16 wird danach den Spannungsgeber 14 derart umsteuern, daß dieser seinen Ausgang invertiert. Aufgrund dieser nun richtigen Spannung wird sich der Rotor bei einer erneuten Freigabe des Verstärkers 4 fangen und etwa seine gewünschte Soll-Lage einnehmen. Da gleich zeitig mit der Freigabe des Verstärkers 4 der Transistor 11 gesperrt wird, übernimmt der Verstärker 10 zusammen mit dem Kondensator 9 und dem Widerstand 23 die Funktion eines Inte grierers, d. h., die Funktion einer "Strom-auf-Null"-Regelung. Der zur Ablenkspule 5 fließende Strom wird deshalb längerfristig auf Null geregelt. Diese Regelung ist in der Lage, eventuell noch vorhandene Abweichungen des Rotors von seiner Sollage, die beispielsweise bei nicht horizontaler Rotorwelle nicht genau dem halben Hub entspricht, auszugleichen.

Bei dem dargestellen und beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Richtigkeit des vom Spannungsgeber 14 gelieferten Spannungs wertes anhand des Stromes erkannt, der vom Verstärker 4 zur Ablenkspule 5 fließt. Eine andere Möglichkeit besteht beispiels weise darin, das vom Axial-Sensor - vor oder nach Verstärkung - gelieferte Signal zu beobachten. Eine den Ausgang des Sensors 1 mit der Logik 16 verbindende Leitung 24 ist gestrichelt darge stellt. Ist der vom Spannungsgeber gelieferte Spannungswert falsch, wird sich, da sich der Rotor nicht bewegen kann, das Sensorsignal nicht bedeutend verändern. Ist der vom Spannungsge ber gelieferte Spannungswert richtig, wird sich der Rotor fangen. Damit wird sich auch das Signal des Axialsensors ändern, so daß auch an dieser Änderung die Richtigkeit der vom Spannungsgeber gelieferten Spannung erkennbar ist.

Die gesamte Regeleinrichtung 3, inclusive des automatischen Offsetabgleichs, läßt sich auch mit einer digitalen Regel- und Steuereinheit realisieren. Die Steuerung der Einfangversuche wird dann i. a. mit Hilfe eines Programms realisiert.

Claims

1. Verfahren zur Inbetriebnahme einer mit einem magnetgela gerten Rotor ausgerüsteten Maschine, deren Magnetlagerung folgende Merkmale aufweist:

1. Permanentmagneten, die eine in radialer Richtung stabile und in axialer Richtung labile Lagerung des Rotors bewirken;
2. einen Axialsensor (1), einen Regler (3, 15) und mindestens eine Ablenkspule (5), welche den Rotor während des Betriebs der Maschine etwa in seiner in axialer Richtung labilen Gleichgewichtslage halten, indem die Ablenkspule (5) durch den Regler (3, 15) mit Strömen versorgt wird, die von der Abweichung des Rotors von seiner labilen Gleichgewichtslage abhängen;
3. eine Regeleinrichtung (9, 10, 11), die einen automatischen Ausgleich der in der Ablenkspule (5) fließenden Ströme in Form einer "Strom-auf-Null"-Regelung bewirkt, indem der Strom in der labilen Gleichgewichtslage des Rotors den Wert Null hat,
4. Mittel (6, 14, 16) zu einem für die Inbetriebnahme der Maschine notwendigen Abgleich von Offsetfehlern des Magnetlagersystems

dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleich von Offsetfehlern automatisiert ist, indem mittels einer Steuerung (16) die folgenden Maßnahmen veranlaßt werden:

1. dem Regler (15) werden über einen Addierer (13) bei ruhendem, an einem seiner beiden möglichen axialen Anschläge anliegenden Rotor das mit Offsetfehlern behaftete Signal des Axialsensors (1) und ein gleich großes, dazu inverses Signal (12) zugeführt, das das Signal des Axialsensors (1) durch den Addierer (13) kompensiert;
- 1. danach wird dem Regler (15) über den Addierer (13) ein Signal von einem Spannungsgeber (14) zugeführt, dessen Größe und Richtung unter der Annahme, daß der Rotor an einem bestimmten (ersten) Anschlag anliegt, derart gewählt ist, daß der Rotor um etwa die halbe Strecke des Abstandes zwischen seinen Anschlägen vom ersten Anschlag entfernt wird,
2. anhand eines Spannungs- oder Stromverlaufs an einem Bauteil der Axial-Aktivregelstrecke wird geprüft, ob die angenommene Rotor-Anschlagslage richtig oder falsch war,
3. bei falsch angenommener Anschlagslage wird dem Regler (15) vom Spannungsgeber (14) über den Addierer (13) das gleiche Signal mit invertiertem Vorzeichen zugeführt und danach die "Strom-auf-Null-"Regelung gestartet,
4. bei richtig angenommener Anschlagslage wird der Rotor seine ungefähre Soll-Lage annehmen und die "Strom-auf-Null"- Regelung (9, 10, 11) gestartet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung der Richtigkeit des vom Spannungsgeber (14) abgege benen Signalwertes der in die Ablenkspule (5) fließende Strom registriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung der Richtigkeit des vom Spannungsgeber (14) abgege benen Signalwertes das vom Axialwegsensor (1) abgegebene Signal verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß für den automatischen Abgleich von Offsetfehlern eine digitale Regel- und Steuereinheit verwendet wird.

5. Schaltung zur Inbetriebnahme einer mit einem Rotor ausgerüsteten Maschine, der in radialer Richtung stabil und in axialer Richtung labil magnetisch gelagert ist mit:

a) einem Axialsensor (1), einem Regler (3, 15) und mindestens einer dem Regler (3, 15) nachgeschalteten Ablenkspule (5), die den Rotor während des Betriebs etwa in seiner in axialer Richtung labilen Gleichgewichtslage halten,
b) ein Schaltkreis (6), von dem Teile Bestandteil einer "Strom-auf-Null"-Regelung sind und der bei Inbetriebnahme der Maschine ein zum Signal des Axialsensors invertiertes Signal erzeugt,
c) einem Spannungsgeber (14) und
d) einem Summierer (13), an dessen Eingängen das mit einem Offsetfehler behaftete Signal des Axialsensors, das Ausgangssignal des Schaltkreises (6) und das Signal des Spannungsgebers (14) anliegt und dessen Ausgang mit dem Eingang des Reglers (15) elektrisch verbunden ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (6) ein Sample & Hold-Glied ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (10) des Sample & Hold-Gliedes (6) nach dem Sperren eines Transistors (11) Bestandteil eines Integrators der "Strom-auf-Null"-Regelung ist.