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Treiberschaltung hohen Wirkungsgrades
für ein
magnetisches Lagersystem Die Erfindung betrifft ein magnetisches
Lagersystem, in welchem zur Lagerung einer Welle mindestens eine
magnetische Lageranordnung vorgesehen ist, welche Paare von einander
bezüglich
der Welle diametral gegenüberliegenden
Elektromagneten umfaßt,
wobei die Paare von Elektromagneten in Umfangsrichtung winkelmäßig gegeneinander
versetzt sind, mit einem Wellenpositionssensor 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 Gleichspannungsquelle mit einem positiven
und einem negativen Anschluß.
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Speziell befaßt sich die Erfindung mit einer einen
hohen Wirkungsgrad aufweisenden Treiberschaltung für ein System
mit aktiven magnetischen Lagern.
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Magnetische Lager werden zur Abstützung bzw.
Lagerung von Wellen in verschiedenen Maschinen und Instrumenten
benutzt. Passive magnetische Lager umfassen dabei lediglich Permanentmagnete und
besitzen keine elektronische Steuerung. Aktive magnetische Lager
arbeiten mit Elektromagneten und besitzen zugeordnete elektronische
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 Regeleinrichtungen
vorgesehen sind. Aktive magnetische Lagersysteme ermöglichen
die zuverlässigste
und vollständigste
Form der Regelung und stellen somit den bevorzugten Typ magnetischer Lager
für die
vorliegende Erfindung dar.
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Magnetische Lager können Radial-
oder Axiallager sein. Bei aktiven magnetischen Radiallagern sind
mehrere Elektromagnete winkelmäßig versetzt rund
um die Welle angeordnet und erzeugen bei Erregung entgegengesetzte
magnetische Kräfte,
die zur Folge haben, daß die
Welle in dem freien Raum schwebend gelagert wird, der durch die
Anordnung von Elektromagneten definiert wird. Wellensensoren detektieren
die Position der Welle und verändern
die Erregung der Elektromagneten in der Weise, daß die Welle
bezüglich
einer gewünschten
Lage exakt zentriert bleibt. Magnetische Axiallager arbeiten als Drucklager,
um die axiale Position der Welle aufrechtzuerhalten. Diese Lager
werden in ähnlicher Weise
wie magnetische Radiallager gesteuert, arbeiten jedoch typischerweise
in Verbindung mit einer von der Welle getragenen Scheibe, und zwar
derart, daß die
Scheibe zwischen einem Paar von einander gegenüberliegenden elektromagnetischen
Spulen in einer vorgegebenen Position gehalten wird.
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Bei einem magnetischen Lagersystem
wird die Welle vor ihrem Antrieb zu einer Drehbewegung typischerweise
in einen Schwebezustand angehoben, und die magnetischen Lager lagern
bzw. tragen die Welle ab diesem Zeitpunkt über ihren gesamten Arbeitsbereich.
Irgendwelche Belastungen, denen die Maschine unterworfen ist, wie
z.B. Vibrationsbelastungen und dergleichen, wirken somit auch an
den magnetischen Lagern. Die Regelsysteme sind dabei geeignet, die
schwankenden Lasten in der Weise zu kompensieren, daß die Welle
im Inneren der Lager im Schwebezustand in einer vorgegebenen, zentrierten
Lage gehalten wird.
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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 verbrauchten Energie nicht
von großer
Bedeutung. In diesem Fall können
lineare Verstärker
verwendet werden, welche die einander 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.
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In vielen Fällen ist jedoch der Energieverbrauch
durch die magnetischen Lager ein wichtiger Faktor. Beispielsweise
ist es häufig
erwünscht,
den Energieverbrauch bei solchen Anwendungen zu reduzieren, bei
denen nur eine begrenzte Energiemenge 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, wobei ein verbesserter Wirkungsgrad zu geringerer Wärmeerzeugung
führt.
In vielen Fällen,
wie z.B. beim Einsatz in Flugzeugen, ist außerdem die Kapazität der Energiequelle
begrenzt, 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 Energieverbrauchs
einer erhöhten
Erwärmung
ausgesetzt sind. Die vorstehenden Überlegungen machen es wünschenswert,
Elektromagnete mit einem Minimum an Energie zu betreiben und die Energie
auf Kräfte
zu konzentrieren, die tatsächlich erforderlich
sind, um die Welle schwebend zu lagern.
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Die Tatsache, daß Elektromagnete Induktivitäten mit
angemessen großen
Induktivitätswerten sind,
führt zu
einer Reihe von Komplikationen. Bei geschalteten bzw. getakteten
Energieversorgungen bzw. -quellen, wie z.B. Energieversorgungen
mit Pulsweitenmodulation, kann der den Spulen der Elektromagneten
zugeführte
Strom moduliert werden. Während
es jedoch eine relativ geradlinige Lösung darstellt, eine Induktivität schnell
einzuschalten, bewirkt die charakteristische Eigenschaft einer Induktivität, nämlich deren
Tendenz, einen zuvor fließenden
Strom aufrechtzuerhalten, daß die
Induktivität
bei einer Schaltkreisunterbrechung als eine Quelle relativ hoher
Spannung erscheint. In einigen Fällen sind
daher typischerweise parallel zu den Spulen Freilaufdioden geschaltet,
um zu verhindern, daß hohe Übergangsspannungen
die elektronischen Schaltkreiskomponenten zerstören, und um die überschüssige Energie
aus der Spule zu vernichten. Die Energie, die beim Fließen eines
Stroms durch die Spule und die Freilaufdiode allmählich vernichtet wird,
trägt jedoch
letztlich zu Energieverlusten und einer Wärmeerzeugung bei (I2R). Somit wird nicht nur die Energie verschwendet,
die sich während
des Einschaltintervalls in der Spule aufbaut; diese Energie wird
vielmehr auf eine Weise vernichtet, welche die Probleme dadurch
verschärft,
daß sie
zur Entstehung von Verlustwärme
beiträgt.
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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
Ausschaltens ausgelegt ist, wie es für Elektromagneten mit magnetischer
Lagerung erwünscht
ist. Weiter ist es erwünscht,
variable und exakt kontrollierbare Kräfte zu erzeugen, die zu einem
variablen Steuersignal direkt proportional sind. Die von einem magnetischen Lager
erzeugte Kraft ist direkt proportional 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 Stromschaltgeschwindigkeit ergibt sich aufgrund der Gleichung
V = L⋅di/dt, oder
mit anderen Worten ist die Spannung über der Spule gleich der Induktivität 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 konstanten magnetischen
Lagerspalts und konstanter Strompegel, die deutlich unterhalb des Sättigungspegels
des magnetischen Materials 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 konstanten 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. Einer der Vorteile des Schalterkreises
gemäß vorliegender Erfindung
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 Möglichkeit
für einen
Kompromiss zwischen der Induktivität des Elektromagneten, den
erzeugten Kräften,
der magnetischen Schaltung und der gewünschten Bandbreite bei diesem
(Spannungs-)Pegel der Energiequelle unzureichend sind, wenn man
mit dem üblichen
Konzept zur Erzeugung der Anstiegsgeschwindigkeiten und der Bandbreite
arbeitet.
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Die
US
4 879 500 zeigt eine Regelvorrichtung für ein magnetisches Lagersystem.
Dabei wird das Signal eines Fehlersignalsensors einer Kompensationsschaltung
zugeführt.
Das Ausgangssignal der Kompensationsschaltung wird dem nichtinvertierenden
Eingang eines ersten Operationsverstärkers und dem invertierenden
Eingang eines zweiten Operationsverstärkers zugeführt.
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Ein axial und radial regelbares magnetisches Lagersystem
ist Gegenstand der
US 3 937 533 .
Der Rotor trägt
dabei Permanentmagnete. Zwei Spulen verändern den Fluß in den
beiden Luftspalten in der Weise, daß sich sowohl die Summe als
auch die Differenz der beiden Flußstärken ändert.
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Die
US
5 053 662 befaßt
sich mit einem elektromagnetischen Dämpfungssystem für eine Welle von
Gasturbinen. Dabei fühlen
Positionssensoren die Lage der Welle ab und übermitteln sie an einen Mikroprozessor,
welcher wiederum Statorwicklungen ansteuert.
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Ausgehend vom Stand der Technik und
der vorstehend aufgezeigten Problematik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Lagersystem anzugeben, bei
welchem der Treiberkreis für
ein Arbeiten mit hohem Wirkungsgrad ausgelegt ist, um dadurch die
aus der Energiequelle abgezogene Energie zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen magnetischen
Lagersystem gemäß der Erfindung
durch die Merkmale gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Genauer gesagt liegen der vorliegenden
Erfindung zwei miteinander verwandte Ziele zugrunde:
Gemäß dem ersten
Ziel wird angestrebt, eine Diodenschaltung zu schaffen, welche beim
Abschalten die Energie zu der Energiequelle zurückführt, anstatt sie in der abgeschalteten
Induktivität
zu vernichten, und welche gleichzeitig die Möglichkeit bietet, eine erhebliche
Steigerung von di/dt zu erreichen.
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Bei der Realisierung dieses Ziels
wird gemäß vorliegender
Erfindung ferner angestrebt, zum Einsatz in Verbindung mit der Induktivität eines
Elektromagneten in einem aktiven magnetischen Lagersystem einen
Schalterkreis zu schaffen, der es gestattet, daß die Energiequelle beim Einschalten
schnell an die Spule angelegt wird, und der es ferner gestattet, die
Energiequelle beim Abschalten der Spule mit umgekehrter Polung schnell
an diese anzulegen, damit Energie aus der Spule in die Energiequelle
zurückgeliefert
werden kann.
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Gemäß einem zweiten Hauptziel der
Erfindung soll ferner die Phase des Betriebs mehrerer Elektromagnete
in einem magnetischen 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
Energie an die Energiequelle zurückliefern
können,
die zurückgelieferte
Energie direkt an die eingeschalteten Spulen abgeben und dadurch
die aus der Energiequelle abgezogene Energie verringern.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung werden aus der nachfolgenden Detailbeschreibung in
Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen deutlich werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines magnetischen Lagersystems mit einem
Paar von Radiallagern und einem einzigen Axiallager, wobei diese
Lager einer zu einer Drehbewegung antreibbaren Welle zugeordnet
sind,
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2 ein
schematisches Schaltbild zur Verdeutlichung des Zusammenwirkens
der elektrischen und elektronischen Komponenten des Systems gemäß 1;
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3 ein
schematisches Blockschaltbild mit den elektrischen und elektronischen
Komponenten eines magnetischen Lagersystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
schematisches Schaltbild eines Schalterkreises und seiner zugeordneten
elektromagnetischen Spule, wobei die Pfade für die Energieübertragung
zu und von der Spule angedeutet sind;
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5 ein
schematisches Schaltbild einer pulsweitenmodulierten Steuerungsschaltung
zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
schematisches Schaltbild der elektronischen Elemente der bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung benutzten Treiberschaltung; und
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7A bis 7C Diagramme gewisser in
den Schaltungen gemäß 5 und 6 auftretender Signalformen.
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Im einzelnen zeigt 1 den generellen mechanischen Aufbau
eines magnetischen Lagersystems zur Erläuterung der vorliegenden 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 zu 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 1 vier Spulen 30 bis 33.
Während
dies für
die Orientierung bezüglich
irgend einer bestimmten Achse nicht erforderlich ist, ist es in
dem System günstig,
zwei zueinander senkrechte Achsen X und Y zu definieren, um die
Beschreibungen der relativen Positionen der einzelnen Elemente zu
erleichtern. In diesem Sinne werden die Spulen bzw. die damit gebildeten
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 beispielsweise 0,127 mm.
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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.
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Wendet man sich dem in 1 rechten magnetischen Lager 22 zu,
so erkennt man, daß dieses Lager
in ähnlicher
Weise ausgebildet 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.
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Da die Welle 23 bei aktiviertem
Elektromagneten frei schwebend gelagert ist, sind Einrichtungen vorgesehen,
um eine geeignete axiale Position der Welle 23 aufrechtzuerhalten.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 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 elektromagnetischen 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 Position des Flansches 52 anzeigt,
und dieses Signal wird in einem Rückkopplungskreis dafür verwendet, um
für die
Elektromagneten 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.
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Typischerweise sind einem elektromagnetischen
Lagersystem und dem zugehörigen
Antriebs- und Steuermechanismus weitere mechanische Elemente zugeordnet.
Für das
Verständnis
der vorliegenden Erfindung sind jedoch Form und Gestalt der gemäß 1 eingeführten Elemente angemessen.
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Wendet man sich unter Berücksichtigung dieses
Sachverhalts nunmehr 2 in
der Zeichnung zu, so wird deutlich, daß dort das magnetische Lagersystem
bzw. Lager 20 gemäß 1 dargestellt ist, wobei
ferner schematisch die Verknüpfung
des Lagers mit der Elektronik bzw. der Treiberschaltung dargestellt
ist. Das magnetische Lager 21 ist auf der linken Seite
von 2 dargestellt und
umfaßt
die Y-Antriebsspulen 30, 31 und die X-Antriebsspulen 32, 33 bzw.
die Elektromagneten 30 bis 33. Rechts in 2 ist das magnetische Radiallager 22 gezeigt, und
das Axiallager 24 ist im mittleren Teil dieser Zeichnungsfigur
dargestellt.
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Bei der praktischen Realisierung
der Erfindung sind die Spulen der Elektromagnete paarweise angeordnet,
um paarweise angesteuert 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 gezogen wird, minimiert
wird. Eine erste Treiberschaltung 61 dient dazu, das der
Richtung Y zugeordnete Paar von Spulen 30, 31 des
Lagers 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
Treiberschaltungen 63, 64 dienen der Speisung
bzw. Ansteuerung des der Richtung 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 24 zu speisen.
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Sämtliche
Treiberschaltungen werden über eine
einzige Steuer- bzw.
Regelschaltung 70, die vorzugsweise auf der Basis eines
Mikroprozessors aufgebaut ist, angesteuert.
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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
Impuls/Pausen-Verhältnis
der den Spulen zugeführten Treiberimpulse,
also das Tastverhältnis
für die
Spulen variiert. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird mit einer
Pulsweitenmodulation gearbeitet. Bei einer konventionellen Pulsweitenmodulation
besitzt die Impulsfolgefrequenz eine feste Periode, 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 Formen
einer Schaltmodulation verwendet werden können, wie zum Beispiel eine
Frequenzmodulation, eine Impulspositionsmodulation und dergl. Wie
aus der nachfolgenden Beschreibung noch deutlich werden wird, ist
es unabhängig
von der Art der tatsächlich
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 Zusammenhang, daß die
typische Betriebsfrequenz der hier einzusetzenden 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 steady state Zustands, so daß man, solange die Steuerschalter
für eine
bestimmte Spule eingeschaltet sind, erwarten kann, daß sich der
Strom durch die zugeordneten Spule während der Dauer des Einschaltintervalls
aufbaut.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit
Pulsweitenmodulation wird die Impulsbreite im Ruhezustand auf ein
Niveau unmittelbar oberhalb von 50 % eingestellt, so daß den Elektromagneten eine
definierte Energiemenge zugeführt
wird, wobei diese Energiemenge allerdings relativ klein ist. Wenn das
Impuls/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 zurück,
sondern steigt während
jedes Zyklus an bis ein einem steady state Zustand entsprechender
Wert erreicht ist. Die Stromänderung
für eine
vorgegebene prozentuale Änderung
des Impuls/Pausen-Verhältnisses
ist dabei bei einem Impuls/Pausen-Verhältnis
von über
50 % wesentlich größer als
für Impuls/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.
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Man sieht, daß außer den Schaltkreisverbindungen
zwischen der Steuerung 70 und jeder der Treiberschaltungen 61 bis 65 sämtliche
Positionssensoren 34, 35, 44, 45 und 55 ebenfalls
mit der Regelung bzw. Steuerung verbunden sind. Die Steuerung wertet
die von den Wellensensoren gelieferte Positionsinformation in der
Weise aus, daß Bedarfssignale
für die
Pulsweitenmodulation 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 verwendet. Beispielsweise
werden die Sensoren 34, 35 nur verwendet, um die
Treiberimpulse für
die Elektromagneten 30 bis 33 zu regeln bzw. zu
steuern.
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Bei einer speziellen Ausgestaltung
kann es möglich
sein, nur den Y-Achsen-Sensor 34 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 eine angemessene Rechenleistung,
um durch Kombinieren der Positionssignale von den Sensoren 34, 35 eine
vektorielle Information zu berechnen und entsprechende, kombinierte
Steuersignale für
die der X-Achse und der Y-Achse oder den Achsen irgend eines anderen
Koordinatensystems zugeordneten Elektromagnete zu liefern.
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3 zeigt
eine weitere Darstellung der Steuer- bzw. Regelschaltung, die auf
einer etwas anderen Perspektive basiert als diejenige gemäß 2, und zwar unter dem Aspekt
der Ausgestaltung der Elektronik, ohne daß der räumliche Zusammenhang der Komponenten
des magnetischen Lagersystems dargestellt würde. Im einzelnen zeigt 3 mehrere Leistungsschaltkreise 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 Elektromagnetspulen 101 Energie
zuführen
zu können.
Die Positionssensoren sind in 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 erforderlichenfalls
durch Reagieren auf Interrupt-Signale mit Hilfe des Datensammelsystems 105 in
der Weise, daß die
Wellenposition abgetastet und mit Hilfe der 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.
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Viele Steuer- bzw. Regelsysteme für magnetische
Lager werten die aktuelle Drehzahl der Welle 23 aus. Beispielsweise
gestattet die Kenntnis der Drehzahl der Welle dem Steuersystem eine
Unterscheidung zwischen systematischen Vibrationen, die eine Funktion
der Drehung der Welle oder einer damit verbundenen Last sind, und
nicht-systematischen Störungen,
die von außen
eingeleitet werden. Folglich ist eine Drehzahlschnittstelle in Form
eines Drehzahlschnittstellenaufnehmers 114 vorgesehen,
der die Welle überwacht,
um deren Drehzahl zu bestimmen. Eine weitere Schnittstelle 116 liefert
ein digitales Eingangssignal, welches der Wellendrehzahl entspricht,
an einen digitalen Eingang des digitalen Signalprozessors 102.
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Wendet man. sich erneut den Elektromagneten
so verknüpfen
die gestrichelten Linien, die die Elektromagneten paarweise umgeben,
die Darstellung gemäß 3 mit derjenigen gemäß 2. Beispielsweise wird das
obere Spulenpaar als Treiber 61 bezeichnet, das zweite
Spulenpaar als Treiber 62 usw. Die gestrichelten Rechtecke,
welche die Leistungsschalterkreise (Treberschaltungen 100) paarweise
umgeben, sind nach links offen und deuten in dem unten noch zu beschreibenden
Ausmaß diejenigen
Elemente des digitalen Signalprozessors 102 an, welche
die pulsweitenmodulierten Ausgangssignale für die Paare von Elementen der
Treiberschaltungen erzeugen.
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In 4 ist
der Aufbau einer der gemäß der Erfindung
aufgebauten Treiberschaltungen 100 dargestellt. Bei einer
großen Zahl von Anwendungen für magnetische Lager ist der
Wirkungsgrad von Bedeutung. Während
in der Vergangenheit lineare Verstärker zum Treiben der Elektromagnete
verwendet wurden, da bei diesen die Ausgangsströme bequem kontynuierlichen
regelbar sind, wird dieser Verstärkertyp wegen
seines geringen Wirkungsgrades 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.
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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,
jedoch 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 detaillierter
beschrieben werden wird, derart, daß die zurückgewonnene Energie für andere
Elektromagnete des Systems zur Verfügung 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
Lagersystem gemäß der Erfindung
mit einer Energiequelle zu betreiben, die mit 80, 100 oder 150 V
arbeitet, wie dies bei den vorbekannten Systemen der Fall war; das
erfindungsgemäße magnetische
Lagersystem bietet jedoch auch die Möglichkeit, mit Energieversorgungen,
die mit einer Spannung von deutlich weniger als 50 V arbeiten, wirksam und
mit einer guten Systemcharakteristik zu arbeiten. Beispielsweise
besteht bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
die Möglichkeit
für den
Einsatz einer Energieversorgung mit einer Gleichspannung 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 Bereich von etwa unter 50 V arbeiten.
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4 zeigt
einen der Leistungsschaltkreise (Treiberscaltung 100) des
Systems gemäß 3. Das wirksame elektromagnetische
Element, die der Abstützung
(der Welle) dienende Spule, ist mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet.
Die Gleichstrom-Energieversorgung 60, welche die magnetischen
Spulen versorgt, ist auf der linken Seite der Zeichnung angedeutet.
Die Gleichstrom-Energieversorgung (Energiequelle 60)
besitzt einen positiven Anschluß 120 und
einen negativen bzw. geerdeten zweiten Anschluß 121. Zwischen die
beiden Anschlüsse 120 und 121 ist
ein großer
Speicherkondensator 122 geschaltet. Die Spule 101 ist
mit der Energieversorgung 60 nur über Schalter 130, 131 verbunden,
welche steuerbar sind und die Verbindung der Energieversorgung (Energiequelle 60)
mit der Spule 101 sowie die Stromrichtung von und zu der
Energieversorgung zeitabhängig
steuern. Im einzelnen ist der eine Schalter 130 der beiden
genannten Schalter zwischen den positiven Anschluß 120 der
Energieversorgung und einen positiven Anschluß 132 der Spule 101 geschaltet.
Der zweite Schalter 131 ist zwischen den negativen Anschluß bzw. den
geerdeten Anschluß 122 der
Energieversorgung und den negativen Anschluß 133 der Spule 101 geschaltet.
Die Schalter 130, 131 öffnen und schließen jeweils
gemeinsam. Beim Schließen
der Schalter 130, 131 wird die Energieversorgung
(Energiequelle 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 proportional
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 Steuermodul (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 Energieversorgung den Elektromagneten bzw. die Spule 101 gelieferte
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 zurückgeleitet,
und bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 speziell in den Speicherkondensator 122 als
Bestandteil der Energieversorgung 60. Es ist wichtig, die
Unterschiede des Leistungsschaltkreises gemäß 4 gegenüber einem konventionellen Schaltkreis
zu beachten, bei dem einfach eine Freilaufdiode parallel zu der
Spule 101 geschaltet ist. Eine typische Freilaufdiode würde, ähnlich wie
die Diode 135, leitend 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 Frequenz von etwa 40 kHz getaktet werden, dann erkennt
man, daß sich
erhebliche Energieverluste aufsummieren und zu einer beträchtlichen
Verlustwärme
führen.
Wenn der Leistungsschaltkreis jedoch gemäß 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
anderen eingeschalteten Spule verwendet werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
werden die einzelnen Treiberschaltkreise 100 (3) durch den digitalen Signalprozessor 102 derart
gesteuert, daß die
Zeitpunkte ihrer Betätigung
dazu führen,
daß einige
Spulen abgeschaltet werden, während
andere Spule 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.
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Bei der Realisierung der Erfindung
unter Anwendung des Prinzips der Pulsweitenmodulation wird der Strom
in den Spulen der Elektromagnete für die magnetischen Lager durch
die Steuer- bzw. Regelschaltung moduliert und diese führt diese
Modulation vorzugsweise in der Weise aus, daß sie das Impuls/Pausen-Verhältnis der
den einzelnen Spulen zugeführten
Spannungsimpulse regelt. Somit werden die Spulen alle mit derselben,
im wesentlichen feststehenden Rate geschaltet, wobei 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
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2 gezeigten
Paaren, und durch Einstellen des Impuls/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 Leistungstreiberschaltungen in der Weise, daß ein Satz
von komplementären
Leistungstreiberschaltungen eingeschaltet wird, wird der resultierende
Nettoenergieverbrauch aus der Energiequelle minimiert. 5 zeigt ein schematisches
Blockdiagramm mit Schaltungen, mit denen die vorstehend angedeutete
Arbeitsweise realisiert werden kann.
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Beim Erzeugen entsprechender Zeitbasissignale
für die
Pulsweitenmodulatoren des komplementären Paares von Leistungstreiberkreisen
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 werden die beiden pulsweitenmodulierten Signalformen
in dem Ausmaß,
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 wird bevorzugt ein Sägezahnsignal
zu erzeugen, 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 Erzielung des gewünschten Ausgangssignals zu kombinieren.
Das Ausgangssignals des Rampensignalgenerators 200 wird
einem Paar von einzelnen Rampensignalgeneratoren zugeführt., die
geeignet sind, komplementäre
Rampensignale, zu erzeugen, die gegeneinander versetzt sind und
die dann als Zeitbasissignale für
das Impuls/Pausen-Verhältnis der
betreffenden Leistungstreiberschaltungen 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 204 ein
Ausgangssignal erzeugt, welches als Rampensignal A identifiziert
ist, und welches einen Pegel besitzt, der durch ein Vorspannungsnetzwerk 203 bestimmt
wird. Ein ähnlicher
Generator 205 empfängt über den
Bus 201 eingangsseitig dasselbe Rampensignal, besitzt jedoch
ein anders eingestelltes Vorspannungsnetzwerk 206, so daß er auf
einer Ausgangsleitung 207 ein Rampensignal erzeugt, welches
als Rampensignal B identifiziert ist. Wie weiter unten noch näher erläutert werden
wird, stellt ein variabler Widerstand in dem Vorspannungsnetzwerk 203 das
40 kHz-Sägezahnsignal
derart ein, daß der Sägezahn gegenüber dem
Ruhepegel von 6 V auf dem eingangsseitigen Bus 201 um etwa
+0,5 bis etwa –0,5
V verschoben wird. Wenn also bei dem Rampensignal 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 Vorspannungsnetzwerk 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 mittlere Spannungspegel beim gezeigten Ausführungsbeispiel auf den Leitungen 204 und 207 um
etwa 0,5 V unterscheidet. In 7A sind
die Sägezahnausgangssignale
an den Anschlüssen
bzw. auf den Leitungen 204 und 207 im oberen Teil
der Zeichnungsfigur dargestellt. Man erkennt, daß die beiden Signale einander symmetrisch
folgen, mit der Ausnahme, daß sie
um etwa 0,5 V gegeneinander versetzt sind. Von diesem Versatz wird
in den übrigen
Schaltungen vorteilhafterweise Gebrauch gemacht, um sicherzustellen, daß eine Leistungstreiberschaltung
entweder eingeschaltet ist oder gerade eingeschaltet wird, ehe die andere
Leistungstreiberschaltung eines komplementären Paares von Leistungstreiberschaltungen
abgeschaltet werden darf.
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Wie aus 5 deutlich wird, werden die komplementären Rampensignale
einem Paar von Komparatoren 210 und 211 zugeführt. Das
Ausgangssignal des Komparators 210 dient als Ausgangssignal
für die
Leistungstreiberschaltung A (eine der Treiberschaltungen eines komplementären Paares),
während
der Komparator 211 ein Ausgangssignal für die Leistungstreiberschaltung
B liefert (die andere Schaltung des komplementären Paares). Beispielsweise
können
die Leistungstreiberschaltungen A und B dem Paar von Y-Magneten
eines der magnetischen Lager gemäß 1 zugeordnet sein.
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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 invertiert wird, bzw. darin, daß in der Tat das Arbeiten der
Komparatoren 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 invertierenden Eingang des Komparators 211 zugeführt wird.
Das Fehlersignal wird von einer Komparatorschaltung 220 erzeugt,
welches die tatsächlichen
Ströme
in den fraglichen Spulen mit den Sollwerten für dieses Paar von Spulen vergleicht.
Man erkennt, daß die
Komparatorschaltung 220 einen ersten Verstärker 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 Strommeßwiderstand in Form eines Shunts
umfaßt, über dem
ein Rückkopplungssignal erzeugt
wird, welches mit dem tatsächlichen
Strom durch die Treiberschaltung verknüpft ist. Das Stromrückkopplungssignal
für die
Treiberschaltung B wird dem invertierenden 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 (3) intern in Abhängigkeit
von Signalen erzeugt, die von den Wellenpositionssensoren geliefert
werden. In bekannter Weise bestimmt der digitale Signalprozessor
anhand der Ausgangssignale der Positionssensoren die Ströme, die
an sämtliche
Spulen des magnetischen Lagersystems angelegt werden sollten, um
die Welle in ihrer vorgegebenen Position zu halten. Der Prozessor
liefert ein Bedarfs- bzw. Anforderungssignal, welches proportional
zu dem Strompegel ist, welcher für
jede der Spulen erwünscht
ist, wobei dieses Ausgangssignal einer Leitung, wie z.B. der Leitung 223,
zugeführt
wird. Speziell für
das fragliche Spulenpaar wird dieses Signal 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 charakteristischen Verzögerung, die der Fachmann für das fragliche System
bestimmt, auf der Leitung 215 ausgegeben und den Komparatoren 210, 211 als
Fehlersignal zugeführt.
Man erkennt, 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
Pulsweitenmodulatorsteuerung verbunden sind, immer dann eingeschaltet,
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 invertierenden 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. Infolgedessen nimmt das
Impuls/Pausen-Verhältnis
für den
Treiber A zu, während
dasjenige für
den Treiber B abnimmt, und die beiden Treiber werden einander im
wesentlichen folgen.
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Nebenbei sollte darauf hingewiesen
werden, daß mit
den Ausgangsleitungen 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 gewährleisten,
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 Arbeitszyklus,
wie z.B. 2 %. Der Zeitgabeschaltkreis wählt eine Periode 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 Periodendauer 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,
wodurch gewährleistet
ist, daß der
Treiber 234 auf der "hohen" Seite definitiv eingeschaltet
ist, wenn dies erwünscht ist.
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Wie oben allgemein ausgeführt, wird
es bevorzugt, die Steuerung 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 Impuls/Pausen-Verhältnisses ergibt sich daraus
eine Impulswiederholungsrate von etwa 25 μs oder eine Impulsdauer (d.h.
eine 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.
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Wenn das Impuls/Pausen-Verhältnis bei
einer Impulsfolgefrequenz 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 übertragen. Wenn
der Treiber einschaltet, überträgt er eine
vorgegebene 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 wesentlichen
zu keiner Energieübertragung
aus der Energiequelle in die Induktivität.
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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.
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Wenn das Lager stärker belastet wird, wie z.B.
in Perioden mit hoher Vibration, dann werden die Wellensensoren
die Bewegung der Welle erfassen, und die Steuermodule werden feststellen,
daß die Treiber,
d.h. die Leistungstreiberschaltungen zusätzliche Energie benötigen, um
die Welle in die gewünschte
Position zurückzuführen. Die
Befehlssignale (223 in 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 komplementären Spulen, wobei das Impuls/Pausen-Verhältnis entsprechend
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 Treibers für die Phase
B dieser Änderung
folgend entsprechend abnehmen. 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 gegeneinander versetzten Sägezahnsteuersignale
für die
Impulsbreite an den betreffenden Komparatoren erreicht sowie durch
die Verwendung desselben Fehlersignals für beide Komparatoren und durch
den inversen Betrieb des einen Komparators bezüglich des anderen.
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Die Art und Weise, in der diese Vorgänge ablaufen,
wird unter Bezugnahme auf 7A bis 7C 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 Treibersignale für die Leistungstreiberkreise
A und B eines komplementären
Paares. Zum Zwecke der Orientierung wird angenommen, 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 Abwärtsbewegung
der Welle führt.
Diese Korrektur ist natürlich
auf die Wellenpositionssensoren zurückzuführen, die erfassen, daß die Position
der Welle oberhalb der angestrebten Position liegt.
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Die Treibersignale, die in 7A bis 7C gezeigt sind, sind die Basis-Treibersignale
für die
Treibertransistoren und entsprechen nicht exakt der Form der Stromimpulse
durch die Induktivitäten selbst.
Berücksichtigt
man, daß bei
dem bevorzugt Ausführungsbeispiel
der Modulator mit einer Frequenz in der Größenordnung von 40 kHz arbeitet, und
berücksichtigt
man ferner, das die Induktivität
der Elektromagneten in der Größenordnung
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
jedoch als Impulse dargestellt, die eine deutliche Anstiegszeit
und Abfallzeit haben, und zwar als Hinweis auf die interessierenden,
tatsächlichen
Ströme,
die in dem Leistungskreis fließen und
relativ langsame Anstiegs- und Abfallzeiten haben. In dem Maße, in dem
ein Intervall von einigen Mikrosekunden zwischen dem Einschalten
des einen Treibers und dem Abschalten des anderen liegt, was die
Ströme
in den Treiberschaltungen anbelangt, ist dieses Intervall somit
unbedeutend, da die Zeitkonstante der Induktivität in der Größenordnung 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 allmählich ansteigen,
und wenn ein weiterer Treiber innerhalb weniger Mikrosekunden nach
dem Einschalten abgeschaltet wird, dann ist dies, als würden die
beiden Treiber gleichzeitig eingeschaltet, da der Strom, der durch
die Umleitdiode Weiterfließen
wird, ohne weiteres umgelenkt wird, um den Aufbau des Stromflusses
in der gerade eingeschalteten Spule zu unterstützen.
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Im einzelnen ist in 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 Fehlerspannung bei
dem betrachteten Ausführungsbeispiel
etwa auf ihrem Mittelwert liegt, d.h. bei 6 V. Man sieht, daß die Referenzrampenspannung 204 für den Treiber
A eine solche Vorspannung aufweist, daß ihr Mittelwert etwa 0,25
V niedriger ist als die sägezahnförmige Rampenspannung 207 für den Treiber
B.
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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 Referenzrampenspannung 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
Bezugsrampenspannung, 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
Treiber B eingeschaltet wird. Dies ist in 7A für
das Signal 226 gezeigt. Innerhalb von ein oder zwei Mikrosekunden
wird auch die Bezugsrampenspannung 204 den Pegel der Fehlerspannung
kreuzen, und zwar in positiver Richtung, was jedoch wegen des entgegengesetzt
beschalteten Komparators dazu führt,
daß der
Treiber A abgeschaltet wird. Somit steht die Energie der Induktivität des gerade
abgeschalteten Treibers bzw. Antriebs A zur Speisung der Spule B
zur Verfügung,
die nur Mikrosekunden früher
mit dem Einschalten begonnen hatte. Die Schaltung fährt in der
Weise fort zu arbeiten, daß stets
sichergestellt ist, daß eine
Spule entweder gerade eingeschaltet 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 zurückgeliefert
wird, deren Steuerschalter abgeschaltet wurde. 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.
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Betrachtet man nunmehr 7B, so erkennt man, daß die Fehlerspannung
auf einem höheren
Niveau, wie z.B. 7 V liegt, was für das vertikale komplementäre Spulenpaar
diejenige Situation darstellt, in der sich die Welle oberhalb ihrer
angestrebten Position befindet. Somit ist es in dieser Situation
erwünscht,
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,
dieses Ergebnis erreicht. Wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel kreuzt
zuerst die Bezugsrampenspannung 204 die Fehlersignallinie,
was bewirkt, daß gemäß dem Signal 225 der
Treiber A eingeschaltet wird. Dies geschieht jedoch zu einem früheren Zeitpunkt
in dem Zyklus als unter den Bedingungen gemäß 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 abgeschaltet 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 Bezugsrampenspannung 207 erneut
des Fehlersignalpegel, und zwar dieses Mal in positiver Richtung, was
bewirkt, daß der
Antrieb 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
Impuls/Pausen-Verhältnis
für die Spule
A erheblich zugenommen hat, während
das Impuls/Pausen-Verhältnis
für die
Spule B erheblich 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.
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Betrachtet man nunmehr kurz 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 Bezugsrampenspannungen 204 und 207 mit dem
Pegel des 5 V-Fehlersignals in derselben Weise wie bei den vorangehenden
Beispielen führt
zu dem Ergebnis, daß sich
die in 7C gezeigten
Treiber- bzw. Antriebssignale 225 und 226 ergeben.
Man sieht, daß das Treibersignal
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.
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6 zeigt
in vollständigerer
Form als 4 einen Treiber-
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 5 erzeugt werden und in 5 erzeugt werden und in 7A und bis 7C gezeigt sind.
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Im einzelnen erkennt man bei der
Betrachtung der 6 zunächst, daß zwei der
in dieser Figur gezeigten Kreise erfor derlich sind, um ein einziges komplementäres Paar
von pulsweitenmodulierten Signalen zu bedienen. Man sieht, daß ein Eingangsanschluß 230 vorgesehen
ist. Bei einer ersten Treiberschaltung ist der Anschluß 230 mit
dem Treibersignal A von der Ausgangsleitung 225 verbunden.
Bei der anderen, identischen Treiberschaltung ist der Anschluß 230 mit
dem Treibersignal B auf der Ausgangsleitung 226 verbunden.
Betrachtet man die Schaltkreiselemente im einzelnen, so erkennt
man zunächst,
daß für den Einschaltzustand
ein Ladekreis 231 vorgesehen 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 Transistor 234 eingeschaltet,
was dazu führt,
das der Ausgangs-MOS FET 235 eingeschaltet wird. Der MOS FET 235 verbindet
den positiven Anschluß 120 der Energieversorgung 60 über den
MOS FET 235 mit dem positiven Anschluß 132 der elektromagnetischen
Spule 101.
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Das einen niedrigen Pegel annehmende
Signal am Ausgang des Inverters 232 wird ebenfalls von einem
Inverter 236 invertiert, 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 negativen Anschluß 121 der Energieversorgung 60 geschlossen. Dieser
Stromfluß fließt über einen
Shunt-Widerstand 240, der als Stromsensor dienen soll. Über diesen Stromabtastwiderstand 240 ist
ein in geeigneter Weise vorgespannter Verstärker 241 angeschlossen,
um an seinem Ausgang 242 ein Signal zu liefern, 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
Filter- 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 Erfordernissen
eingestellt werden können. Bei
dem betrachteten Ausführungsbeispiel
hat das Signal am Ausgang 242 einen Pegel, der auf etwa 250
mV pro 1 A des Stroms durch die Spule 101 eingestellt ist.
Der Ausgang 242 ist mit dem Eingang FBIB des
Verstärkers 221 (5) verbunden, welcher, wie
erinnerlich, als ein Komparator arbeitet, der den Gesamtstrom in
den Spulen eines komplementären
Spulenpaares mißt.
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Obwohl dies nicht im Detail beschrieben
wurde, erkennt man, daß den
Transistoren 235 und 237 Umleitdioden 134, 135 zugeordnet
sind, die so gepolt sind, wie dies in Verbindung mit 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" angeschlossen ist, so daß der Strom
aus der Spule in die Energieversorgung zurückfließen kann. Wegen der zusätzlichen
Treiberschaltung (identisch mit derjenigen gemäß 6), welche über den Ausgang 226 in 5 betätigt wird und ihre zugeordnete
Spule vor dem Abschalten der Transistoren 235 und 237 eingeschaltet
hat, wird der über
die Dioden 134, 135 fließende Strom dann zu der betreffenden
Spule 101 geleitet, die durch die MOS FETs 235, 237 der
zugeordneten Treiberschaltung mit Strom versorgt wird.
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Aus der vorstehenden Beschreibung
wird deutlich, daß gemäß der Erfindung
für ein
magnetisches Lagersystem eine Treiberschaltung mit hohem Wirkungsgrad
geschaffen wurde, mit der die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
gelöst
wird. Weiterhin wird deutlich, daß jeder Spule des magnetischen
Systems ein Schalterkreis zugeordnet ist, der für ein schnelles Ein- und Abschalten
geeignet ist und der während
der Abschaltphase aufgrund des Vorhandenseins der Umleitdioden in
der Lage ist, Energie an die Energieversorgung zurückzuliefern.
Die Spulen des magnetischen Lagersystems sind paarweise angeordnet,
und die Modulation des Speisestroms für die Spulenpaare erfolgt in
der Weise, daß immer
dann, wenn die Schaltung gerade dabei ist, eine Spule abzuschalten,
eine zugeordnete 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 resultierende Energieentnahme aus der Energiequelle
reduziert. Außerdem
verstärkt
die Tatsache, daß die
Energieversorgung an die gerade abgeschaltete Spule mit umgekehrter
Polung an diese angeschlossen ist, die Geschwindigkeit der Stromänderung
di/dt des an die Spule angelegten Stroms, wodurch eine größere Bandbreite
erreicht wird, als sie üblicherweise
erreichbar ist.