Die Erfindung betrifft einen Magnetlagerregler zur sta¬ bilen Lagerung eines berührungslos im Magnetfeld eines Stators gelagerten Körpers, wobei magnetisierbare Kom¬ ponenten im Stator mit magnetisierbaren Komponenten des Körpers zusammenwirken. Als Lagerelement dienen zumin¬ dest zwei in Reihe geschaltete elektrische Spulen, die als Spulenpaar gleichzeitig als Positionssensor und als elektromagnetisches Stellglied wirken, wobei das als Vormagnetisierung bezeichnete, auf den Körper einwir- kende Magnetfeld des Stators parallel zur Magnetisie¬ rungsrichtung der Spulen verläuft.

Magnetlager zur berührungslosen Lagerung von Körpern werden beispielsweise in G. Schweitzer (Editor), "Magnetic Bearings", Proceedings of the First Int.

Symp. ETH-Zürich, Schweiz, 1988 beschrieben. Für Rotor¬ wellen, aber auch für im magnetischen Feld schwebende Meßkörper sind Magnetlager aus DE-PS 24 44 099 und DE- PS 38 08 331 bekannt. Die Magnetlager weisen Permanent- agnete auf, in deren Magnetfeld der zu lagernde Kör¬ per, der seinerseits magnetische oder magnetisierbare Teile besitzt, eingebracht wird. Zur Lagestabilsierung dienen elektrische Regler, deren Ausgangssignale von elektrischen Spulen erzeugte Magnetfelder verändern. Vom Regler wird die zwischen den magnetisierbaren Mag¬ netlagerkomponenten herrschende magnetische Feldstärke entsprechend dem Ausgangssignal eines Positionssensors beeinflußt, der den bestehenden Abstand zwischen berüh¬ rungslos gelagertem Körper und magnetischem Stator mißt.

Aus DE-OS 25 37 597 ist ein elektromagnetisches Lager¬ element für zwei Freiheitsgrade hinsichtlich der Bewe¬ gung des gelagerten Rotors mit in Reihe geschalteten

Spulenpaaren bekannt, die sowohl als Positionssensor als auch als elektrisches Stellglied dienen. Bei dieser Anordnung befinden sich alle Einzelspulen auf einem ge¬ meinsamen Kern, sind also magnetisch gekoppelt. Bei einem solchen Lagerelement gibt es erhebliche elektro¬ magnetische Beeinflussungen der Sensorströme durch die Lagerströme und umgekehrt und das in beiden Freiheits- graden. Nur durch erheblichen Schaltungsaufwand wie Mehrfachanordnungen von Spulen für jeweils einen Frei- heitsgrad, durch Spulenunterteilungen bzw. Anzapfungen und eine entsprechende elektrische Verschaltung können diese unerwünschten Beeinflussungen gemindert werden.

In einer nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 42 10 741.5 (PT 1.1126) ist zur Verringerung von Ma¬ gnetlagerkomponenten eine Hochfrequenzmeßbrückenschal¬ tung beschrieben, bei der bei einem permantentmagneti- schen Magnetlager elektrische Spulen in gleicher Weise wie bei DE-OS 25 37 597 zur Regelung der Mittellage des berührungslos gelagerten Körpers zugleich als

Positionssensor und als elektromagnetisches Stellglied dienen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regler für ein Ma- gnetlager mit geringer Anzahl von Reglerkomponenten zu schaffen, der bei einfacher und kostengünstiger Gestal¬ tung eine hohe Betriebssicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Magnetlagerregler der ein- gangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Spulenpaar elektrisch in Reihe geschaltet, je¬ doch magnetisch entgegengesetzt angeordnet ist und mit seinen beiden äußeren Enden jeweils mit einem Ausgang eines Verstärkers verbunden ist, wobei einer der beiden Verstärker das invertierte Ausgangssignal des anderen

Verstärkers liefert. Am Eingang der Verstärker liegt in

bekannter Weise ein Hochfrequenzsignal eines Oszilla¬ tors, vorzugsweise ein sinusförmiges Hochfrequenzsignal an, das über die beiden Verstärker in das Spulenpaar eingespeist und zwischen den beiden Spulen über einen Hochpaßfilter von einem phasenempfindlichen Gleichrich¬ ter (Synchron gleichrichter) abgegriffen wird, der mit dem Hochfrequenzsignal des Oszillators getaktet wird. Der phasenempfindliche Gleichrichter ist am elek¬ trischen "Mittelpunkt" zwischen den beiden Spulen ange- schlössen, in diesem Punkte addieren sich die beiden in die Spulen eingespeisten invertierten Hochfrequenzsi¬ gnale bei gleicher Spuleninduktivität zu Null. Ver¬ schiebt sich aber der im Magnetfeld gelagerte Körper zwischen dem Spulenpaar, so bewirkt dies eine Indukti- vitätsveränderung im Spulenpaar und damit eine wechsel- spannungsmäßige Potentialverschiebung im vorgenannten Mittelpunkt zwischen den Spulen. Das Spulenpaar wirkt auf diese Weise als Positionssensor. Die Potentialver¬ schiebung wird im phasenempfindlichen Gleichrichter in ein entsprechend der Bewegungsrichtung des Körpers ge- poltes, wegproportionales Steuersignal umgesetzt. Das Steuersignal wird über das Reglernetzwerk den Verstär¬ kern zugeführt, die ihrerseits das Spulenpaar jetzt als elektromagnetisches Stellglied beaufschlagen und somit den Regelkreis schließen. Der durch das Spulenpaar fließende Ausgangsstrom der beiden Verstärker erzeugt eine von der jeweiligen Position des zu lagernden Kör¬ pers abhängige Magnetfeldveränderung, wobei das Magnet¬ feld so ausgerichtet wird, daß der Körper in seiner Soll-Lage stabilisiert wird. In dem Spulenpaar wird so¬ mit das Hochfrequenzsignal zur Lageabtastung dem weg- und richtungsproportionalen Gleichstrom, der als Stell¬ signal wirkt, überlagert.

Zweckmäßig werden als Verstärker invertierende Verstär¬ ker verwendet, wobei der Eingang des einen der beiden

Verstärker mit dem Ausgang des anderen Verstärkers ver¬ bunden ist, Patentanspruch 2. Zur Abtrennung des nie¬ derfrequenten Stellsignals vom hochfrequenten Abtastsi¬ gnal ist nach Patentanspruch 3 zwischen Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters und dem Eingang des Regelnetzwerks ein Tiefpaßfilter zwischengeschaltet.

Zur Stabilisierung eines magnetgelagerten Körpers in mehreren Freiheitsgraden seiner Bewegung sind nach Pa- tentanspruch 4 dem vorbeschriebenen ersten Spulenpaar weitere Spulenpaare hinzuzufügen, wobei für jedes Spu¬ lenpaar ein Regelkreis mit einer Schaltungsanordnung der in den Patentansprüchen 1 bis 3 angegebenen Art verwendet wird und für alle Regelkreise gemeinsam ein Hochfrequenzoszillator benutzt werden kann.

Nach Patentanspruch 5 werden zur Radiallagerung eines Rotors zwei Spulenpaare, die magnetisch entkoppelt sind und deren Spulen jeweils in einer Radialebene mit Ab- stand vom Körper auf entgegengesetzten Körperseiten an¬ geordnet sind, in um 90° gegeneinander versetzter An¬ ordnung in der Weise miteinander verschaltet, daß jedes Spulenpaar in seiner Eigenschaft als Positionssensor zur Erzeugung des Stellsignals für das andere Spulen- paar in dessen Eigenschaft als Stellglied wirkt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs- beispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im ein¬ zelnen:

Figur 1 einen Magnetlagerregler für einen magne¬ tisch gelagerten Körper mit einem Spulen¬ paar mit radial im Magnetfeld angeordneten Spulen; Figur 2 Magnetlagerregler mit zwei Spulenpaaren mit in einer Radialebene um den Körper

angeordneten Spulen;

Figur 3 Wirkung eines positiven oder negativen

Steuerstroms auf die permanentmagnetische Vormagnetisierung.

In Figur 1 ist ein Magnetlagerregler für einen magne¬ tisch gelagerten Körper 1 wiedergegeben. Der Körper ist innerhalb eines Magnetfeldes eines magnetisierbare Kom- ponenten aufweisenden Stators berührungslos gelagert. Die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes, die sog. Vor¬ magnetisierung MV, ist in Figur 3 wiedergegeben. Der Stator mit seinen das Magnetfeld erzeugenden magne¬ tisierbaren Komponenten sowie die magnetisierbaren Kom- ponenten des Körpers 1 sind in der Zeichnung nicht dar¬ gestellt. Dargestellt sind alle Komponenten des Magnet¬ lagerreglers.

Zur Beeinflussung der magnetischen Feldstärke des Ma- gnetfeldes dienen beim Magnetlagerregler nach Figur 1 zwei Spulen 2, 3, die in einer Radialebene um den Kör¬ per 1 in axialer Richtung und auf entgegengesetzten Seiten des Körpers angeordnet sind. Die Spulen 2, 3 sind als Spulenpaar in Reihe geschaltet und mit ihren äußeren Enden, die im Ausführungsbeispiel jeweils der

Spulenanfang sind (der Spulenanfang ist in der Zeich¬ nung durch ein ausgefülltes Quadrat gekennzeichnet), an Ausgängen von zwei Verstärkern 4, 5 angeschlossen, wo¬ bei im Ausführungsbeispiel für beide Verstärker inver- tierende Verstärker eingesetzt sind. Die beiden Ver¬ stärker 4, 5 sind hintereinandergeschaltet, so daß der Verstärker 5 das invertierte Ausgangssignal des Ver¬ stärkers 4 liefert.

Das Spulenpaar wird als elektromagnetisches Stellglied von weg- und richtungsproportionalem Gleichstrom durch-

flössen, die in Figur 3 von den Spulen erzeugte Magnet¬ feldrichtung ist durch Pfeile 2a, 3a bzw. bei umgekehr¬ ter Steuerstromrichtung durch Pfeile 2b, 3b darge¬ stellt. Die Spulen 2, 3 sind somit elektrisch in Reihe angeordnet, magnetisch jedoch entgegengesetzt gerich¬ tet, wobei die Magnetfeldrichtungen der Spulen in bei¬ den Steuerstromrichtungen parallel zur Vormagnetisie¬ rung MV verlaufen.

Das Spulenpaar 2, 3 ist gleichzeitig als Sensorspulen¬ paar mit hochfrequenter Abtastspannung beaufschlagt. Hierzu sind am Eingang 6 des Verstärkers 4 ein Hochfrequenzoszillator 7 sowie ein einem phasenempfind¬ lichen Gleichrichter 8 nachgeschaltetes Reglernetzwerk 9 angeschlossen. Der Eingang des Gleichrichters 8 ist über eine elektrische Leitung 10 mit einem Meßpunkt 11, dem elektrischen "Mittelpunkt" zwischen den beiden Spu¬ len 2, 3 verbunden. Vor dem Eingang zum Gleichrichter 8 befindet sich noch ein Hochpaßfilter 12, um am Gleich- richtereingang ein für die Position des im Magnetfeld gelagerten Körpers eindeutiges Hochfrequenz-Differenz¬ signal zu erhalten.

Im Ausführungsbeispiel ist zwischen phasenempfindlichen Gleichrichter 8 und Reglernetzwerk 9 ein Tiefpaßfilter 13 zur Glättung des lageproportionalen Steuersignals eingesetzt, das über die Spulen 2, 3 zur elektromagne¬ tischen Stabilisierung der Soll-Lage des Körpers 1 dient. Zur Ermittlung der Abweichungsrichtung des schwebenden Körpers aus seiner Soll-Lage wird der pha¬ senempfindliche Gleichrichter 8 vom Hochfrequenzoszil¬ lator 7 getaktet. Hierzu ist der Ausgang des Oszilla¬ tors 7 neben seinem Anschluß am Eingang 6 des Verstär¬ kers 4 über einen Leitungssträng 14 parallel auch mit dem phasenempfindlichen Gleichrichter 8 verbunden.

Das vom phasenempfindlichen Gleichrichter 8 erzeugte Steuersignal zur Regelung der Soll-Lage des Körpers hängt von der Differenz der sich bei Bewegung des Kör¬ pers im Magnetfeld ändernden Spulenimpedanzen der Spu- len 2, 3 ab. Die Spulenimpedanzen ändern sich analog zur Position des im Magnetlager schwebenden Körpers 1. Bei einer Abweichung aus der Soll-Lage entsteht zwi¬ schen den Spulen 2, 3 im Meßpunkt 11 ein der Abweichung proportionales elektrisches Signal, das nach Unter- drückung niederfrequenter Signalanteile durch dessen

Hochpaßfilter 12 im Gleichrichter 8 mittels des aufge¬ schalteten HochfrequenzSignals des Oszillators 7 so aufbereitet wird, daß Betrag und Richtung der Abwei¬ chung aus der Soll-Lage erfaßt sind. Ein entsprechendes Ausgangssignal des Gleichrichters 8 wird nach Durchgang durch das Tiefpaßfilter 13 dann dem Reglernetzwerk 9 aufgeschaltet, das schließlich den Verstärker 4 so steuert, daß dessen Ausgangsstrom sowie der Ausgangs¬ strom des Verstärkers 5 über die Spulen 2, 3 das Mag- netfeld zwischen Körper 1 und Stator derart verändert, daß der Körper 1 in seine Soll-Lage zurückgeführt wird.

In der Soll-Lage des Körpers addieren sich die inver¬ tierten Hochfrequenzsignale bei gleicher Spulenindukti- vität im Meßpunkt 11 zu Null. Bei einer Lageänderung aus dieser Soll-Lage heraus bewirkt der Körper 1 - wie bereits oben angegeben - eine Induktivitätsänderung im Spulenpaar und damit eine wechselspannungsmäßige Poten¬ tialverschiebung im Meßpunkt 11, welche von dem Gleich- richter 8 in ein, entsprechend der Bewegungsrichtung gepoltes, wegproportionales Spannungssignal umgesetzt wird. Dieses wird über das Tiefpaßfilter 13 mit nach¬ folgendem Reglernetzwerk 9 wieder dem Verstärker 4 zu¬ geführt, so daß der Regelkreis geschlossen wird. Der das Spulenpaar 2, 3 durchfließende Ausgangsstrom der

Verstärker 4, 5 erzeugt ein von der jeweiligen Position

des zu lagernden Körpers abhängiges Magnetfeld, welches jeweils so beeinflußt wird, daß sich die Lage des Kör¬ pers 1 in seiner Sollstellung stabilisiert, wobei das Hochfrequenzsignal zur Lageabtastung dem weg- und rich- tungsproportionalen Gleichstrom, d.h. der Stellgröße überlagert bleibt.

Als Hochfrequenzsignal wird vorzugsweise ein sinusför¬ miges Hochfrequenzsignal vom Oszillator 7 erzeugt. Das Reglernetzwerk 9 weist zweckmäßig eine PD-Charakteri- stik auf.

Die beschriebene Schaltungsanordnung eignet sich auch zur mehrachsigen Lagestabilisierung magnetisch gelager- ter Körper. Für jeden Bewegungsfreiheitsgrad ist dann jeweils ein gesonderter Magnetlagerregler mit je einem Spulenpaar und entsprechender Vormagnetisierung erfor¬ derlich, wobei es möglich ist, zur Erzeugung der Ab- taεtspannung für alle Magnetlagerregler nur einen ein- zigen Hochfrequenzoszillator zu verwenden.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Magnetla¬ gerreglers gibt Figur 2 wieder. Es handelt sich dabei um eine zweiachsige Magnetlagerregelung, welche vor- zugsweise zur Regelung von magnetischen Radiallagern eingesetzt wird. Beim Magnetlagerregler nach Figur 2 sind Spulenpaare 15, 16 und 17, 18 jeweils um 90° ge¬ geneinander versetzt angeordnet, sie umschließen den zu lagernden Körper 1 im Magnetfeld mit Abstand zum Körper und in einer Radialebene konzentrisch zu dessen

Drehachse (im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sind die Spulen 2, 3 - wie bereits ausgeführt - radial zur Drehachse ausgerichtet). Die Spulen 15, 16 und 17, 18 sind magnetisch entkoppelt (z.B. weisen sie keinen ge- meinsamen Spulenkern auf) und in gleicher Weise wie in Figur 1 als Spulenpaar in Reihe miteinander verschal-

tet. Die beiden dazu gehörenden Magnetlagerregler a und b weisen die gleichen elektrischen Bauelemente auf wie der Magnetlagerregler nach Figur 1. Die Bauelemente in Figur 2 sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Bauelemente nach Figur 1 versehen, zur Unterscheidung wurden lediglich Buchstaben "a" und "b" hinzugefügt, zur Kennzeichnung der Bauelemente in je¬ weils einem der Magnetlagerregler.

Die Spulenpaare sind im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 über die beiden Magnetlagerregler jeweils derart mit¬ einander verbunden, daß jedes Spulenpaar in einer Koor¬ dinate als Stellglied und in der jeweils anderen Koor¬ dinate als Sensor arbeitet. Hierzu wird jeweils das Sensorsignal des einen Spulenpaares als Stellsignal des anderen Spulenpaares und umgekehrt verwendet, die Spu¬ len 15, 16 wirken somit als Sensoren für die als Stell¬ glied die Körperlage stabilisierenden Spulen 17, 18, während die Spulen 17, 18 als Sensoren für das den Spu- len 15, 16 als Stellglied zuzuleitende Stellsignale maßgebend sind. Entsprechend ist am Meßpunkt 11a zwi¬ schen den Spulen 15, 16 das dem phasenempfindlichen Gleichrichter 8a vorgeschaltete Hochpaßfilter 12a ange¬ schlossen, und der Ausgang des Gleichrichters 8a führt über Tiefpaßfilter 13a und Reglernetzwerk 9a zum Ein¬ gang 6a des Verstärkers 4a, dessen Ausgang parallel ei¬ nerseits mit der Spule 17, andererseits mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers 5a verbunden ist, der das Signal für die Spule 18 liefert. Am Meßpunkt 11b zwischen den Spulen 17, 18 greift der Magnetlagerregler b an. Er ist in gleicher Weise wie der Magnetlagerreg- ler a mit Hochpaßfilter 12b, phasenempfindlichen Gleichrichter 8b, Tiefpaßfilter 13b, Regelnetzwerk 9b und Verstärkern 4b, 5b ausgerüstet, wobei die Ausgänge der Verstärker 4b, 5b jetzt zu den Spulen 15, 16 führen und die Magnetlagerregler a, b somit zu einem geschlos-

senen Stromkreis miteinander verbinden. Im Ausführungs- beispiel werden zweckmäßig beide Magnetlagerregler vom gleichen Hochfrequenzoszillator 7 gespeist. Der Ausgang des Hochfrequenzoszillators ist hierzu parallel sowohl an den Eingängen 6a, 6b der Verstärker 4a, 4b ange¬ schlossen, als auch zum Takten der phasenempfindlichen Gleichrichter 8a, 8b über die Leitungsstränge 14a, 14b mit beiden Gleichrichtern verbunden.

Diese Schaltungsanordnung nach Figur 2 kann vorzugs¬ weise zur Lagerung beispielsweise zylindrischer Körper in zwei radialen Stützebenen eingesetzt werden. Selbst¬ verständlich läßt sich diese Magnetlagerregelung als Lagestabilisierung eines magnetgelagerten Körpers in zwei seiner Bewegungsfreiheitsgrade zusätzlich bei¬ spielsweise auch mit einem Magnetlagerregler nach Figur 1 zur Lagestabilisierung des Körpers auch in einem dritten Bewegungsfreiheitsgrad verbinden. In Kombina¬ tion mit der Schaltungsanordnung nach Figur 1 erhält man somit eine aktive dreiachsige magnetische Lagerung. Auch für eine solche Kombination eines Magnetlagerreg¬ lers ist nur ein Hochfrequenzoszillator erforderlich, der alle Magnetlagerregler gemeinsam beaufschlagt.

Für die Komponenten der beschriebenen Magnetlagerregler können handelsübliche integrierte Schaltungen verwendet werden, z.B. Leistungsverstärker zur Ansteuerung der Spulen, wie sie auch in Radioapparaten, z.B. Autora¬ dios, eingesetzt sind. Für den Aufbau der Signalaufbe- reitung bietet sich die Verwendung von sog. LVDT-Si- gnal-Konditionieren an, also Schaltungen zur Ansteue¬ rung von linear variablen Differenzialtransformatoren. Diese Transformatoren sind auch als induktive Weggeber bekannt, die im wesentlichen einen integrierten Sinus- Oszillator und einen Synchrongleichrichter/Demodulator enthalten.

Figur 3 zeigt, wie in Verbindung mit den beiden Perma¬ nentmagneten, die der Vormagnetisierung dienen, ein po¬ sitiver Steuerstrom bei der vorgegebenen Spulenanord¬ nung eine Schwächung des Permanentmagnetfeldes im Be- reich der Spule 2 bei gleichzeitiger Stärkung des Per¬ manentmagnetfeldes im Bereich der Spule 3 bewirkt (Pfeile 2a, 3a für die von den Spulen erzeugte Magnet¬ feldrichtung). Ein negativer Steuerstrom, in Figur 3 in Klammern gesetzte Stromrichtungszeichen, bewirkt dage- gen entgegengesetzt eine Stärkung des Permanentmagnet¬ feldes im Bereich der Spule 2 bei gleichzeitiger Schwächung des Permanentmagnetfeldes im Bereich der Spule 3 (Pfeile 2b, 3b für die von den Spulen erzeugte Magnetfeldrichtung) .