专利名称：磁轴承系统的控制方法和相应的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制一磁轴承系统的控制方法，在所述》兹轴承系统中， 一旋转元件以可绕一旋转轴旋转的方式安装在一基座中，其中， 一检测装置
-险测^:转元件相对于^:转轴的径向偏转(radial deflection)并将其传llr给一 控制装置，所述控制装置根据旋转元件的径向偏转产生用于磁轴承系统的控 制信号并将其发送给^t轴承系统。
此外，本发明还涉及一种与此相应的装置。
背景技术：
磁轴承系统的控制方法和相应的装置是众所周知的。相关示例可参见 DE-A-31 50 122。
在旋转元件的最大转速下有可能出现临界转速的情况主要出现在具有 高转速旋转元件的装置上。如果相关旋转元件的转速是可变的，这些转速就 有可能同样处于转速调节范围之内。在临界转速情况下，旋转元件4艮容易发 生振动，只要出现极小的刺激因素，就会发生剧烈振动。因此，根据相关准 则的规定，旋转元件的工作范围与临界转速之间必须存在一安全间隔，这可 预先规定。
现有技术尝试通过对临界转速情况下的旋转元件进行主动减震以及通 过有效平衡来达到即使在临界转速情况下也能使旋转元件尽可能稳定旋转 的目的。但无论现有技术作出了何种努力，在临界转速情况下，往往仍须将 程度大于准则规定的振动确定为允许振动。视具体情况的不同，或者将这些 相对较大程度的振动确定为允许振动，或者将与此相应的转速范围确定为不 允许的转速范围。
尽管主动磁轴承系统允许轴承刚度和轴承阻尼发生与转速相关的变化， 但即使借助于此类主动磁轴承，现有技术仍无法解决临界转速的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制开篇所述类型的磁轴承系统的控制方法 和一种与此相应的装置，借助于所述方法和所述装置可解决临界转速的问题。
有关控制方法的目的的解决方案为
一检测装置还检测旋转元件的一旋转频率并将其传输给控制装置； —控制装置从旋转元件的径向偏转中分离出至少一个频率分量，这一
频率分量包括了旋转元件的径向偏转中接近于一与所述旋转频率之间存在
预定比例关系的滤波器频率的频率分量；
一控制装置根据一频率控制机制利用所述频率分量产生频率控制信
号；
一控制装置根据旋转元件的径向偏转与所述频率分量之差算出 一剩余 分量，并根据一剩余控制机制利用所述剩余分量产生剩余控制信号；以及
一控制装置通过将频率控制信号与剩余控制信号相加而产生用于磁轴 承系统的控制信号。
有关装置的目的通过权利要求14所述的特征而达成。
如果检测装置在检测所述旋转频率的同时还检测旋转元件的一瞬时旋 转位置并将其传输给控制装置，本发明的控制方法就更为有效。如果检测装 置的一脉冲发生器为此而在旋转元件处于预定旋转位置时产生一触发脉冲 并将其发射到控制装置上，就能特别精确地测定旋转频率和旋转位置。其中， 特定而言旋转元件每转一圏脉沖发生器就精确地产生和发射一触发脉冲。
如果控制装置根据传输过来的旋转元件的旋转位置而产生频率控制信 号和/或剩余控制信号并将其发送到磁轴承系统上，就可对径向偏转进行更有 效的补偿。因为在此情况下可特别在旋转元件的每一转内根据旋转元件的旋 转位置(自然为外推的)发送控制信号。
如果频率控制机制与旋转频率相关，本发明的控制方法就特别灵活。其 中，控制装置特别可以一方式产生频率控制信号，使得^i轴承系统在滤波器 频率附近具有一负的动态刚度。
而剩余控制机制可与旋转频率无关。优选地，控制装置以一方式产生剩 余控制信号，使得磁轴承系统会抑制旋转元件的径向偏转，即具有一正的动 态刚度。
在一谐振频率情况下实施本发明的控制方法会特别有利；如果全部控制 信号均是由控制装置根据剩余控制机制而产生，则旋转元件在这一谐振频率 情况下就是谐振的。
滤波器频率通常为一半旋转频率的整数倍。4艮多情况下，其甚至是旋转 频率的整数倍。就最简单的情况而言，滤波器频率与旋转频率相同。
本发明的控制方法的优选应用情况是可在 一 包含所述谐振频率的旋转 频率范围内对旋转元件的转速进行调节。
本发明原则上可应用于任何一种装置。举例而言，其可用于电机、涡轮 机或压缩机。
下面借助附图所示的实施例对本发明的优点和细节作进 一 步说明，其
中
图1为一具有一基座与一旋转元件的装置；
图2为图1所示装置的一磁轴承系统的一截面图3为检测用于图2所示的磁轴承系统的控制信号的示意图；以及
图4为一转速-刚度图(即所谓的Kellenberger图)。
具体实施例方式
图1所示的装置具有一基座1与一旋转元件2。旋转元件2借助^磁轴承
系统3安装在基座1中，可绕一旋转轴4旋转。这在图1中用一双向箭头5 表示。其中，旋转轴4可采取任意一种空间定向(水平、垂直、倾斜)。
如图l所示，基座l中布置有一定子6。相应地，旋转元件2上布置有 一转子7。也就是说，图1所示的装置建构为电机。但这个建构方案是纯示 范性的。本发明原则上适用于任何一种装置，例如涡轮机或压缩机。
如图1和图2所示，所述装置的每个磁轴承系统3均具有一检测装置8。 借助检测装置8可对旋转元件2在磁轴承系统3区域内相对于旋转轴4的径 向偏转x、 y进行检测。其中，从与旋转轴4相关的切线看，检测装置8彼 此间构成一约为90°的角。但并非必须采取这种实施方案。
检测装置8与控制装置9之间存在数据链路。因此，检测装置8可将检 测到的旋转元件2的径向偏转x、 y传输给相应的控制装置9。
控制装置9根据旋转元件2的径向偏转x、 y产生相应的控制信号Sx、 Sy。控制装置9通过控制技术与其所对应的磁轴承系统3相连，因而可将控 制信号Sx、 Sy发送给^f兹轴承系统3。其中，如图3所示，用于对径向偏转x 作出反应的控制信号Sx以独立于径向偏转y的方式产生。控制信号Sy也同 样如此。但也可考虑单个磁轴承系统3的径向偏转x、 y和/或多个磁轴承系 统3的径向偏转x、 y之间的交互作用。这一点是专业人员所熟知的。
如图1所示，检测装置8还具有一脉冲发生器10。其中，脉沖发生器 10可为检测装置8的共用脉冲发生器。脉沖发生器10在旋转元件2处于预 定旋转位置时产生一触发脉冲P,并将其发射到控制装置9上。根据本实施 例，旋转元件2每转一圈，脉沖发生器10就精确地产生和发射一个触发脉 冲P。脉冲发生器10原则上也可在旋转元件2每转一圏时产生多个触发脉 冲P。
根据脉冲发生器10所发射的触发脉冲P的时间间隔T可直接得知旋转 元件2的旋转频率f。在脉冲发生器10发射触发脉沖P的基础上，检测装置 8还可对旋转元件2的旋转频率f进行检测，并将这一旋转频率f传输给与 其对应的控制装置9。除此之外，由于脉冲发生器10是在旋转元件2处于预 定旋转位置时发射触发脉冲P,因此，检测装置8在检测旋转频率f的同时 还对旋转元件2的各瞬时旋转位置进行检测，并将其传输给相应的控制装置 9。在此情况下，控制装置9可同相地产生频率信号、剩余信号和控制信号 Fx、 Fy、 Rx、 Ry、 Sx、 Sy，并同样同相地(即根据传输过来的旋转位置和 相位)将其发送给^f兹轴承系统3。
如图3所示，控制装置9在其输入端上具有多个可参数化的频率滤波器 11 (带通滤波器11 )。径向偏转x、 y和触发脉沖P均被传输给这些频率滤波 器11。
才艮据本实施例，借助触发脉冲P或与其对应的旋转频率f以一方式为频
率滤波器ll设定参数，使其从旋转元件2的径向偏转x、 y中滤出接近于旋
转频率f的一整数倍的频率分量。只有这些分量才能通过频率滤波器11。控
制装置9借此从旋转元件2的径向偏转x、 y中分离出一分量(下文中称为 "频率分量")，这一分量包括了旋转元件2的径向偏转x、 y中接近于旋转 频率f的这一整数倍的频率分量。
如图3所示，经滤波的频率分量的一个周期基本相当于触发脉冲P的时 间间隔T。因此，所述频率分量包括了旋转元件2的径向偏转x、 y中接近 于旋转频率f的频率分量。但原则上也可滤出接近于旋转频率f或一半旋转 频率f的一 "真"整数倍的频率分量。也可滤出其他任意一种与旋转频率之 间存在预定比例关系的滤波器频率。也可以并联方式布置多个此类频率滤波 器ll，在此情况下，每个频率滤波器11所滤出的频率分量各不相同，也就 是说，例如其与旋转频率f的不同整数倍相匹配。借此可以独立于其他滤出 频率分量以及独立于剩余分量(参见下文)的方式对每个滤出频率分量进行 处理。
滤出频率分量与全部径向偏转x、 y均被传输给减法器12。减法器12 算出全部径向偏转x、 y与滤出频率分量之差。这一差值在下文中称为"剩 余分量"。
控制装置9具有频率控制信号发生器13和剩余控制信号发生器14。 频率分量被传输给频率控制信号发生器13。频率控制信号发生器13根 据一频率控制机制利用传输给其的频率分量产生频率控制信号Fx、 Fy。剩
余分量被传输给剩余控制信号发生器14。剩余控制信号发生器14根据一剩 余控制机制产生剩余控制信号Rx、 Ry。
频率控制信号Fx、 Fy和剩余控制信号Rx、 Ry被传输给加法器15。加 法器15通过将频率控制信号Fx、 Fy与剩余控制信号Rx、 Ry相加而产生控 制信号Sx、 Sy。
剩余控制信号发生器14在任何情况下均以独立于旋转频率f的方式产 生剩余控制信号Rx、 Ry。因此，剩余控制机制通常与旋转频率f无关和/或 保持与旋转频率f无关。在此情况下，无需将触发脉冲P和/或旋转频率f传 输给剩余控制信号发生器14 (参见图3 )。
如图4中的虚线所示，即使剩余控制机制与旋转频率f之间有轻微关联， 也不会存在根本性的区别。因为在两种情况下，剩余控制信号发生器14均 是以一方式产生剩余控制信号Rx、 Ry,使得磁轴承系统3会抑制旋转元件2 的径向偏转x、 y。因而如图4中的虚线所示，^磁轴承系统3具有一与剩余控 制信号Rx、 Ry相关的正的动态刚度S。
与此相反，频率控制信号发生器13在任何情况下均是根据旋转频率f 而产生频率控制信号Fx、 Fy。频率控制机制因此而与旋转频率f相关且根据 旋转频率f的变化而发生变化。这一点可从图4中清楚看出。这是因为磁轴 承系统3与频率控制信号Fx、 Fy相关的动态刚度S特别为旋转频率f的一 函数。在此情况下就需要如图3所示将触发脉冲P或旋转频率f传输给频率 控制信号发生器13。
从图4所示的谐振频率曲线fRK中可以看出，如果根据剩余控制机制产 生全部控制信号Sx、 Sy，则旋转元件2在哪些谐振频率fR上是谐振的。但 如图4所示，频率控制信号发生器13总是以一方式产生频率控制信号Fx、 Fy,使得在采用本发明的控制信号产生方式的情况下旋转元件2即使在谐振 频率fR上也并非为谐振。其中，频率控制信号发生器13在一部分可能的频 率范围内以这样一种方式产生频率控制信号Fx、 Fy，使得磁轴承系统3在 经过参数设定的频率滤波器11所具有的滤波器频率附近(在此指在旋转频 率f附近)具有一图4用点划线表示的负的动态刚度S。
最后，从图4中还可看出，可在一包含至少一个谐振频率fR(在本实施 例中甚至包含多个谐振频率fR )的旋转频率范围内对本发明的旋转元件的转 速进行调节。
通过按照本发明的方法用控制技术使磁轴承系统3的静态支承功能(关 键词一一剩余控制信号Rx、 Ry)与其动态特性(关键词一一频率控制信号 Fx、 Fy)相分离，可显著改善旋转元件2的振动性能，进而大幅扩展允许旋 转频率调节范围。这一点得以实现的主要原因在于，通过本发明的处理方法 可在不影响磁轴承系统3的稳定性的情况下实现主动磁轴承系统3的负动态 刚度S。
权利要求
1.一种控制一磁轴承系统(3)的控制方法，在所述磁轴承系统中，一旋转元件(2)以可绕一旋转轴(4)旋转的方式安装在一基座(1)中，其中，一检测装置(8)检测所述旋转元件(2)相对于所述旋转轴(4)的径向偏转(x，y)并将其传输给一控制装置(9)，所述控制装置(9)根据所述旋转元件(2)的径向偏转(x，y)产生用于所述磁轴承系统(3)的控制信号(Sx，Sy)并将其发送给所述磁轴承系统(3)，其特征在于，所述检测装置(8)还检测所述旋转元件(2)的一旋转频率(f)并将其传输给所述控制装置(9)，所述控制装置(9)从所述旋转元件(2)的径向偏转(x，y)中分离出至少一个频率分量，这一频率分量包括了所述旋转元件(2)的径向偏转(x，y)接近于一与所述旋转频率(f)之间存在预定比例关系的滤波器频率的频率分量，所述控制装置(9)根据一频率控制机制利用所述频率分量产生频率控制信号(Fx，Fy)，所述控制装置(9)根据所述旋转元件(2)的径向偏转(x，y)与所述频率分量之差算出一剩余分量，并根据一剩余控制机制利用所述剩余分量产生剩余控制信号(Rx，Ry)，以及所述控制装置(9)通过将所述频率控制信号(Fx，Fy)与所述剩余控制信号(Rx，Ry)相加而产生用于所述磁轴承系统(3)的控制信号(Sx，Sy)。
2. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述检测装置(8)在检测所述旋转频率(f)的同时还检测所述旋转元 件(2)的一瞬时旋转位置并将其传输给所述控制装置(9)。
3. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述检测装置(8)的一脉冲发生器(10)在所述旋转元件(2)处于预 定旋转位置时均产生一触发脉冲(P)并将其发射到所述控制装置(9)上。
4. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述旋转元件(2)每转一圈所述脉冲发生器(10)就精确地产生一触 发脉冲(P)并将其发射到所述控制装置(9)上。
5. 根据权利要求2、 3或4所述的控制方法，其特征在于， 所述控制装置(9)根据传输过来的旋转元件(2)的旋转位置产生所述频率控制信号(Fx, Fy)和/或剩余控制信号(Rx, Ry)并将其发送到所述 ^f兹轴承系统(3)上。
6. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于， 所述频率控制机制与所述旋转频率(f)相关。
7. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于，所述控制装置(9)以一方式产生所述频率控制信号(Fx, Fy)，使得所 述磁轴承系统(3)在所述滤波器频率附近具有一负的动态刚度(S)。
8. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于， 所述剩余控制机制与所述旋转频率(f)无关。
9. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于， 所述控制装置(9)以一方式产生所述剩余控制信号(Rx， Ry)，使得所述磁轴承系统(3)会抑制所述旋转元件(2)的径向偏转(x, y)。
10. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于， 在一谐振频率(fR)情况下实施本发明的控制方法，其中，如果全部控制信号(Sx， Sy)均是由所述控制装置(9)根据所述剩余控制机制而产生， 则所述旋转元件(2)在所述谐振频率(fR)情况下就是谐振的，以及所述控制装置(9)以一方式产生所述频率控制信号(Fx, Fy)，使得所 述旋转元件(2)在所述谐振频率(fR)情况下并非为谐振。
11. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于， 所述滤波器频率为所述旋转频率(f)的一半的整数倍。
12. 根据权利要求U所述的控制方法，其特征在于， 所述滤波器频率为所述旋转频率(f)的整数倍。
13. 根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于， 所述滤波器频率与所述旋转频率(f)相同。
14. 一种具有一基座(1)与一旋转元件(2)的装置，所述旋转元件借 助一磁轴承系统(3 )以可绕一旋转轴(4 )旋转的方式安装在所述基座(1 ) 中，其中，所述装置具有一检测装置(8)，借助于所述检测装置可检测所述旋转元 件(2)相对于所述旋转轴(4)的径向偏转(x， y),所述检测装置(8)与一控制装置(9)之间存在数据链路，因而可将所 述检测装置(8)检测到的旋转元件(2)的径向偏转(x， y)传输给所述控 制装置(9),所述控制装置(9)建构为可根据所述旋转元件(2)的径向偏转(x, y) 产生用于所述^f兹轴承系统(3)的控制信号(Sx， Sy),所述控制装置(9)通过控制技术与所述磁轴承系统(3)相连，因而可 将所述控制装置(9 )产生的控制信号(Sx， Sy )发送给所述i兹轴承系统(3 ),其特征在于，所述检测装置(8 )建构为还可检测所述旋转元件(2 )的一旋转频率(f) 并将其传输给所述控制装置(9),所述控制装置(9)建构为可从所述旋转元件(2)的径向偏转(x, y) 中分离出至少一个频率分量，这一频率分量包括了所述旋转元件(2)的径 向偏转(x， y)接近于一与所述旋转频率(f)之间存在预定比例关系的滤 波器频率的频率分量， 所述控制装置(9)建构为可根据一频率控制机制利用所述频率分量产生频率控制信号(Fx， Fy),所述控制装置(9)建构为可根据所述旋转元件(2)的径向偏转(x， y) 与所述频率分量之差算出一剩余分量，并根据所述剩余分量与一剩余控制机 制产生剩余控制信号(Rx, Ry)，以及所述控制装置(9)建构为可通过将所述频率控制信号(Fx， Fy)与所 述剩余控制信号(Rx， Ry)相加而产生用于所述磁轴承系统(3)的控制信 号(Sx, Sy)。
15. 根据权利要求14所述的装置，其特征在于，借助于所述检测装置(8)在检测所述旋转频率(f)的同时还可检测所 述旋转元件(2)的一瞬时旋转位置并将其传输给所述控制装置(9)。
16. 根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述检测装置(8)具有一脉沖发生器(10),所述脉冲发生器在所述旋 转元件(2)处于预定旋转位置时均产生一触发脉沖(P)并将其发射到所述 控制装置(9)上。
17. 根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述旋转元件(2)每转一圈所述脉冲发生器(10)就精确地产生一对 应于一旋转位置的触发脉冲(P)并将其发射到所述控制装置(9)上。
18. 根据权利要求15、 16或17所述的装置，其特征在于， 所述控制装置(9)建构为，其根据传输过来的旋转元件(2)的旋转位置产生所述频率控制信号(Sx， Sy)和/或剩余控制信号(Rx， Ry)并将其 发送到所述磁轴承系统(3 )上。
19. 根据权利要求14至18中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述控制装置(9)建构为，其根据所述旋转频率(f)的变化而改变所述频率控制机制。
20. 根据权利要求14至19中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述控制装置(9)建构为，其以一方式产生所述频率控制信号(Fx,Fy)，使得所述磁轴承系统(3)在所述滤波器频率附近具有一负的动态刚度 (S)。
21. 根据权利要求14至20中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述控制装置(9)建构为，其不受所述旋转频率(f)影响地保持所述剩余控制机制。
22. 根据权利要求14至21中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述控制装置(9)建构为，其以一方式产生所述剩余控制信号(Rx，Ry),使得所述磁轴承系统(3)会抑制所述旋转元件(2)的径向偏转(x，y)。
23. 根据权利要求14至22中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述装置可在一谐振频率(fR)情况下工作，其中，如果全部控制信号(Sx， Sy)均是由所述控制装置(9)根据所述剩余控制机制而产生，则所 述旋转元件(2)在所述谐振频率(fR)情况下就是谐振的，以及所述控制装置(9)以一方式产生所述频率控制信号(Fx， Fy)，使得所 述旋转元件(2)在所述谐振频率(fR)情况下并非为谐振。
24. 根据权利要求23所述的装置，其特征在于， 可在一旋转频率范围内对所述旋转元件(2)的转速进行调节，以及 所述旋转频率范围包含所述谐振频率(fR)。
25. 根据权利要求14至24中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述滤波器频率为所述旋转频率(f)的一半的整数倍。
26. 根据权利要求25所述的装置，其特征在于， 所述滤波器频率为所述旋转频率(f)的整数倍。
27. 根据权利要求26所述的装置，其特征在于， 所述滤波器频率与所述旋转频率(f)相同。
28. 根据权利要求14至27中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述装置建构为电机、涡轮机或压缩机。
全文摘要
本发明涉及一种检测装置(8)，其检测一旋转元件(2)的径向偏转(x，y)并将其传输给一控制装置(9)，所述旋转元件借助一磁轴承系统(3)以可绕一旋转轴(4)旋转的方式安装在一基座(1)中。所述控制装置根据所述径向偏转(x，y)产生用于所述磁轴承系统(3)的控制信号(Sx，Sy)并将其发送给所述磁轴承系统(3)。所述检测装置(8)还检测所述旋转元件(2)的一旋转频率(f)并将其传输给所述控制装置(9)。所述控制装置从所述径向偏转(x，y)中分离出至少一个频率分量，这一频率分量包括了所述径向偏转(x，y)接近于一与所述旋转频率(f)之间存在预定比例关系的滤波器频率的频率分量。所述控制装置(9)根据一频率控制机制利用所述频率分量产生频率控制信号(Fx，Fy)。所述控制装置根据所述径向偏转(x，y)与所述频率分量之差算出一剩余分量，并根据一剩余控制机制利用所述剩余分量产生剩余控制信号(Rx，Ry)。所述控制装置随后通过将所述频率控制信号(Fx，Fy)和所述剩余控制信号(Rx，Ry)相加而产生所述控制信号(Sx，Sy)。
文档编号H02K7/09GK101099048SQ200580046119
公开日2008年1月2日 申请日期2005年12月21日 优先权日2005年1月12日
发明者哈特穆特·沃尔特, 英戈·门兹 申请人:西门子公司