專利名稱：使磁性軸承在無傳感器的情況下運行的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權利要求1所述的用于磁性軸承的傳感器系統(tǒng)，一種根據(jù)權 利要求IO所述的用于磁性軸承的調(diào)節(jié)裝置和一種根據(jù)權利要求14所述的磁性軸承以及根 據(jù)權利要求15所述的方法。
背景技術：
磁性軸承用于無接觸地導引和支承活動部件，例如馬達的轉子或泵的葉輪。通過 取消觸碰的機械接觸件，能夠優(yōu)化摩擦損失，減少磨損，并避免顆粒的產(chǎn)生。磁性軸承的基 本構件是 1.致動器系統(tǒng)，其由一個或多個電磁鐵組成， 2.傳感器系統(tǒng)，其探測待支承物體的當前位置以便能夠將其調(diào)整到規(guī)定位置，以 及 3.電子元件，其用于探測信號、調(diào)節(jié)以及控制能通量 傳感器系統(tǒng)通常是一個組件，其固定地連接在一起，并附加地安裝到致動器系統(tǒng) 上。為了優(yōu)化磁性軸承的結構尺寸，值得追求的是使傳感器系統(tǒng)只需很少的空間，或者能夠 完全舍棄傳感器系統(tǒng)。通過利用致動器系統(tǒng)的致動器線圈阻抗隨其位置而變化的效應，能 夠使反正必不可少的具有致動器線圈的致動器系統(tǒng)承擔起位置傳感器的功能。相應地技術 方案已在專利文獻中有了記載。為此，還需應用以下工作原理 借助于高頻橋接電路確定致動器線圈的阻抗，并與基準電感
(Referenzinduktivitat)或者說與相同磁性軸承軸的另一致動器線圈進行比較(DE
42107411) 將正弦形交流電額外調(diào)制成通過致動器線圈的電流，并對由此導致的依賴于位置 的電壓進行探測和濾波(EP 0749538) 當這兩種工作原理與因損耗熱量小并且結構尺寸小而常被用于此類應用中的脈 沖式功率輸出級結合在一起時均會有缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出 一 種在采用脈沖式功率輸出級 (getakteteLeistungsendstufe)的磁性軸承中使用的傳感器系統(tǒng)。 根據(jù)本發(fā)明，這一目的通過一種用于磁性軸承(如權利要求14所述)的調(diào)節(jié)裝置 (如權利要求10所述)的傳感器系統(tǒng)(如權利要求1所述)以及通過一種如權利要求15 所述的方法而得以實現(xiàn)。 限定的脈沖寬度調(diào)制(Pulsbreitenmodulation)實現(xiàn)了在配備有脈沖式輸出級 的磁性軸承系統(tǒng)中簡單地對位置進行探測。這種探測基本上與兩個致動器線圈的周期性激 勵的平均占空系數(shù)無關。 優(yōu)選提出，預定的順序為，彼此連續(xù)的脈沖的脈沖寬度交替地每次被延長或縮短一個小的量值。彼此連續(xù)的脈沖的脈沖寬度可交替地縮短或延長，從而使已對脈沖寬度進 行調(diào)制的激勵具有雙倍的時鐘頻率。不言而喻，脈沖式輸出級的時長也可以不是雙倍時鐘 頻率，而是設計成其他的多倍時鐘頻率。尤其是，傳感器系統(tǒng)的時長可以從上一級單元的時 長，特別是從調(diào)節(jié)裝置的系統(tǒng)時鐘中導出。 優(yōu)選地提出，利用至少 一 個電流傳感器來探測致動器線圈的紋波電流 (Ripplestrom)的差值。 特別地，關于電流傳感器的構造優(yōu)選這樣設計，即采用電流互感器形式的感應式 傳感器作為對致動器線圈中的紋波電流的差值進行探測的電流傳感器。這種感應式傳感器 可由兩個圍繞一個鐵芯但卻彼此反向的線圈組成，其中每一線圈分別被分配給兩個致動器 線圈中的一個。受線圈中的電流的影響，會產(chǎn)生可探測到的剩磁，而剩磁的出現(xiàn)能夠指示致 動器線圈的電感的偏移。特別地，對于兩個或多個致動器線圈的差值可以借助于一個唯一 的、作為提供差值信號輸出端的感應式電流傳感器來探測。 針對電流傳感器的結構，以下設計是對此方案的替換或補充將具有電容器和電 阻的電流互感器設計作為電流傳感器，并將該電流互感器布線成一個諧振電路，該諧振電 路被調(diào)整成對順序預先確定的脈沖寬度進行調(diào)制的重復頻率。構成共振回路的各個電容、 電阻及電感是被動的結構元件，其在傳感器系統(tǒng)或者調(diào)節(jié)裝置中不會對其他部件產(chǎn)生干擾 作用。 優(yōu)選地提出，將電流傳感器的信號在傳感器接口中以數(shù)學方式相結合，并 特別地輸入一個整流器電路中，該整流器電路與預定的脈沖寬度調(diào)制的次序的時延 (Zeitverlauf)同步地工作。數(shù)學方式的結合包括求和及求差，即通過數(shù)學上的乘法，以一 個與紋波電流的差值的周期具有相同周期的躍遷函數(shù)對紋波電流的差值的符號進行修正 的整流(Gleichrichtung)，從而產(chǎn)生一個整流，該整流的平滑(Glaettung)-例如通過在 時間上的整合_提供了一個基本上恒定的輸出電壓，而該輸出電壓_可能有正負號_又與 兩個致動器線圈的電感之差相一致，從而與兩個致動器線圈之間的待探測目標的位置相一 致。 優(yōu)選地提出，在預定的脈沖寬度調(diào)制的次序與同步整流的脈沖之間存在一個能夠 尤其是能夠借助移相器加以調(diào)節(jié)的時延。 優(yōu)選地提出，要么在用于傳感器信號的信號線路或者在用于同步整流之后的信號 的信號線路中，要么同時在上述兩個信號線路中投入用于信號放大和/或信號過濾的構 件。信號放大或者信號過濾例如通過對比如偏離理想狀態(tài)的電感偏離量等干擾因素進行抑 制的方式對信號進行調(diào)制，尤其是例如探測電感對電流的依賴性，并通過計算對其進行抑 制或者補償。對信號的這種處理可在對兩個致動器線圈的兩個紋波電流的差值信號進行整 流之后，在電流傳感器和傳感器接口之間的信號線路中或者在傳感器接口中或者在這兩種 可能的組合中執(zhí)行。 優(yōu)選地提出，在調(diào)節(jié)裝置中，將從紋波電流獲得的位置信號與其他的信號以數(shù)學 方式進行聯(lián)系，以便獲得用于對放大器的脈沖寬度進行控制的信號。在調(diào)節(jié)裝置中的數(shù)學 聯(lián)系可包括用理論值對位置信號進行調(diào)整，以便通過例如計算的方法求得調(diào)節(jié)裝置給出的 位置值。調(diào)節(jié)裝置適合以放大器的脈沖寬度作為調(diào)整參數(shù)，這是因為，傳感器系統(tǒng)基本上不 依賴于放大器的脈沖寬度，因而能夠避免調(diào)節(jié)裝置與傳感器系統(tǒng)間的耦合。
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針對調(diào)節(jié)裝置的其他信號，優(yōu)選地提出，其它信號為致動器線圈的當前電流值或 其數(shù)學上的導數(shù)。 針對調(diào)節(jié)裝置，優(yōu)選地提出，為傳感器系統(tǒng)和調(diào)節(jié)裝置設置一個共同系統(tǒng)時鐘發(fā) 生器，因此調(diào)節(jié)裝置的系統(tǒng)時鐘與其上一級系統(tǒng)內(nèi)的其它組件能夠同步。上一級系統(tǒng)可以 例如是逐段地支承在磁性軸承中的脈沖式馬達。 傳感器系統(tǒng)以及調(diào)節(jié)裝置的前述設計方案尤其使在磁性軸承中探測位置的方法 能夠實施，其中所述方法包括的步驟為在功率輸出級上提供一已調(diào)制好脈沖寬度的輸出 電壓，并通過電流傳感器探測紋波電流的差值，在此，脈沖寬度按預定的順序每次各被少量 地縮短或者延長，而對脈沖式功率輸出級的脈沖寬度的調(diào)制則以彼此固定的相位關系實 現(xiàn)。紋波電流的差值是用于磁性軸承的調(diào)節(jié)裝置的輸入量。 在各從屬權利要求以及對一個優(yōu)選實施例的描述中給出了本發(fā)明的其他優(yōu)點及 特征。


下面將參照附圖對本發(fā)明進行具體描述和解釋。 圖1以示意圖的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的一個實施例的各個元件 的電路圖，該傳感器系統(tǒng)位于根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)裝置的一個實施例中，而該調(diào)節(jié)裝置是用 于示例性地實施根據(jù)本發(fā)明的方法的裝置， 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的磁性軸承的一個實施例的兩個致動器線圈中的紋波電 流在理論上的可預期曲線，其中，兩個致動器線圈在被施加以相同激勵(示圖下部)時具有 不同的電感(示圖上部；L1 > L2)， 圖3示出了兩個致動器線圈的紋波電流在理論上的可預期曲線(示圖上部)，這 里，兩個致動器線圈具有不同的電感，并各以不同的占空系數(shù)受到激勵(示圖中、下部)，
圖4示出了圖1所示示意圖中的一些確定功能的點上的信號曲線，其中Ll > L2， 以及 圖5示出了圖1所示示意圖中的一些確定功能的點上的信號曲線，其中Ll < L2。
具體實施例方式
在圖1中示例性地示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)或者說根據(jù)本發(fā)明的用于根 據(jù)本發(fā)明的磁性軸承的調(diào)節(jié)裝置的圖解結構。 其工作原理的基礎在于，磁性軸承的兩個致動器線圈1、2的電感會根據(jù)被支承物 體的位置而變化。在利用來自脈沖式功率輸出級4、5并已調(diào)制好脈沖寬度的信號對各致動 器線圈1、2進行控制時，會使各致動器線圈1、2中的紋波電流的曲線(Verlauf)同樣發(fā)生 改變。 在圖2中示出了兩個致動器線圈1、2的紋波電流的理論曲線，其中，致動器線圈1
的電感L1大于致動器線圈2的電感L2。由于在磁性軸承中運行時，致動器線圈1、2的激勵
的占空系數(shù)不相同，所以對各紋波電流的簡單計算并不能用來估算電感。 因此將彼此連續(xù)的脈沖的占空系數(shù)交替地提高或減小一個小的恒定量值(高頻
振動(Dither))，從而使平均占空系數(shù)保持不變。結果，流過兩個致動器線圈1、2中每一個線圈的紋波電流具有振幅調(diào)制，該振幅調(diào)制既不依賴于流過兩個致動器線圈1、2的平均電 流，也不依賴于平均占空系數(shù)。 在圖3中示出了兩個致動器線圈1、2的已調(diào)制好脈沖寬度的激勵的理論曲線以及 各紋波電流的由此導致的曲線。盡管兩個致動器線圈1、2的激勵的占空系數(shù)以及電流水平 均不同，但作為占空系數(shù)調(diào)制的結果總能獲得紋波電流的振幅調(diào)制。為計算紋波電流的調(diào) 制，在致動器線圈1、2的接入線路中安裝有用于探測兩者電流差值的電流傳感器3。在最簡 化的情況下，該電流傳感器可由一個感應式電流互感器組成。從電流互感器3獲得的差值 信號(Diff，圖1)在傳感器接口 6中用來求值。這種求值包括一個單級或多級放大，一個 與從系統(tǒng)時鐘CLK導出的時鐘信號DCLK同步的整流，以及單級或多級過濾。導出的時鐘信 號DCLK具有恰好等于由時鐘發(fā)生器11提供的系統(tǒng)時鐘CLK的一半頻率，并通過移相器連 接。移相器12顧及了這一實際情況，即由此導致的紋波電流相對于激勵在占空系數(shù)上必然 有延遲。 傳感器接口 6的輸出信號攜帶有關于被支承在帶有致動器線圈1、2的磁性軸承中 的物體的即時位置的信息。隨后的調(diào)節(jié)裝置將對兩個致動器線圈的紋波電流的差值信號 (必要時先對信號加以處理)與理論位置進行比較，并且在調(diào)節(jié)裝置7中將按照公知的方式 對位置的偏離加以處理。從位置的偏離值和(必要時)致動器線圈1、2的電流的瞬時值以 及其他參數(shù)(例如磁性軸承中支承在致動器線圈1、2之間的轉子的轉速)等，調(diào)節(jié)裝置7 為脈沖式功率輸出級4、5的占空系數(shù)確定出一個平均值。出于簡化示圖的目的，沒有示出 相應的信號線路。然后，在兩個求和點8、9中利用高頻振動信號對這一占空系數(shù)進行調(diào)制。 該高頻振動信號是在高頻振動發(fā)生器10中獲得的，它源自系統(tǒng)時鐘CLK，精確地具有系統(tǒng) 時鐘CLK的一半頻率，并在必要時有相位延遲。功率輸出級4、5同樣由系統(tǒng)時鐘觸發(fā)，并與 系統(tǒng)時鐘保持固定的相位關系。為了避免在系統(tǒng)中出現(xiàn)干擾，包含在一個系統(tǒng)中的多個致 動器系統(tǒng)應由同一系統(tǒng)時鐘來控制。 在圖4和圖5中分別示出了在致動器線圈1、2的電感L1、L2彼此取不同數(shù)值時所 導致的信號曲線。按從下至上的次序繪出的曲線分別是
在第一致動器線圈1上的激勵電壓，
在第二致動器線圈2上的激勵電壓， 感應式電流傳感器3的輸出信號，該電流傳感器3用于探測兩個致動器線圈1、2
的差值電流， 系統(tǒng)時鐘CLK， 為此種情況在相位上優(yōu)化設置并導出的時鐘信號DCLK， 探測到的限流差值信號Diff在經(jīng)過同步整流Vrect后的曲線，以及 未被放大的位置信號。 由于致動器線圈1 、 2的電感Ll 、 L2不同，結果是對于0伏的偏置電壓，未被放大 的位置信號在圖4與圖5中分別具有負極與正極性。將具有不同電感L1、L2的致動器線圈 1、2簡單地彼此換位，據(jù)此得以繪出兩張示意圖。結果(圖4和圖5各自的上部)分別接 近直流電壓信號，該直流電壓信號具有符號并指示出了被支承的轉子相對于致動器線圈1、 2的安裝位置。 為對脈沖寬度進行調(diào)制，在前述實施例中設計使直接彼此連續(xù)的脈沖分別具有縮
7短或者增大的脈沖寬度，從而使調(diào)制具有致動器線圈1、2的激勵的2倍周期。不言而喻，也 可以設計3個或者更多個不同的脈沖寬度，從而使調(diào)制能夠是激勵的更多倍。
以上，借助于一個實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明和解釋，在該實施例中，傳感 器接口 6的輸出量是調(diào)節(jié)裝置7的輸入量。顯而易見，傳感器系統(tǒng)的輸出量同樣也可被用
于其他目的。
參考標號l第一致動器線圈12第二致動器線圈23電流傳感器4脈沖式功率輸出級15脈沖式功率輸出級26具有同相整流、放大及濾波功能的傳感器接口7調(diào)節(jié)裝置8相加位置19相加位置210高頻振動發(fā)生器ll鐘發(fā)生器12移相器
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權利要求
一種用于磁性軸承的傳感器系統(tǒng)，包括兩個致動器線圈(1，2)、兩個脈沖式功率輸出級(4，5)、一個用于對致動器線圈(1，2)中受到紋波電流妨礙的電流進行探測的電流傳感器(3)以及一個傳感器接口(6)，其特征在于，所述脈沖式功率輸出級(3、4)提供已調(diào)制好脈沖寬度的輸出電壓，所述輸出電壓的脈沖寬度按預定順序每次被縮短或延長一個小的量值，而且所述脈沖式功率輸出級(3、4)的脈沖寬度的調(diào)制是按照彼此固定的相位關系實現(xiàn)的。
2. 根據(jù)權利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述預定順序的實質是彼此連續(xù) 的脈沖的脈沖寬度交替地每次被延長或縮短一個小的量值。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述致動器線圈(1，2)的紋波 電流的差值通過至少一個電流傳感器(3)探測。
4. 根據(jù)權利要求3所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，采用電流互感器形式的感應式傳 感器作為探測致動器線圈(1，2)中紋波電流的差值的電流傳感器(3)。
5. 根據(jù)權利要求3所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，具有電容器和電阻的電流互感器 被設計為電流傳感器(3)，所述電流互感器被連接成一個諧振電路，所述諧振電路被調(diào)整到 對脈沖寬度按預定順序進行的調(diào)制所遵從的重復頻率上。
6. 根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，將所述電流傳感器 (3)的信號在所述傳感器接口 (6)中以數(shù)學的方式相結合，并特別地輸出到整流器電路中， 所述整流器電路與預定的脈沖寬度調(diào)制順序的時延相同步地工作。
7. 根據(jù)權利要求6所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，在預定的脈沖寬度調(diào)制順序與同 步進行的整流的時鐘脈沖之間存在著時延，所述時延尤其是能夠通過移相器(12)加以調(diào) 節(jié)。
8. 根據(jù)權利要求6或7所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，要么在用于所述傳感器信號的 信號線路或者在用于同步整流之后的信號的信號線路中，要么同時在上述兩個信號線路中 投入用于信號放大和/或信號過濾的構件。
9. 根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，在調(diào)節(jié)裝置(7)中，將從所述紋波電流中獲得的位置信號與其他的信號以數(shù)學方式相結合，以便獲得用于控制 所述功率輸出級(3、4)的脈沖寬度的信號。
10. —種用于磁性軸承的調(diào)節(jié)裝置，具有根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的傳感器系統(tǒng)。
11. 根據(jù)權利要求10所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，將從至少兩個所述致動器線圈(1、 2)的紋波電流中獲得的位置信號與其他的信號以數(shù)學方式相結合，以便獲得用于控制功率 輸出級(3、4)的脈沖寬度的信號。
12. 根據(jù)權利要求11所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述其他信號是所述致動器線圈 (1、2)的即時電流值或者所述即時電流值的數(shù)學導數(shù)。
13. 根據(jù)權利要求9至12中任一項所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，為所述傳感器系統(tǒng)和 所述調(diào)節(jié)裝置(7)設計共同的系統(tǒng)時鐘發(fā)生器(DCLK)，并使所述調(diào)節(jié)裝置(7)的系統(tǒng)時鐘 與上一級系統(tǒng)的其他組件相同步。
14. 一種磁性軸承，包括尤其是在調(diào)節(jié)裝置之中的根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的 傳感器系統(tǒng)。
15. —種用于在磁性軸承中探測位置的方法，其中所述磁性軸承包括兩個致動器線 圈、兩個脈沖式功率輸出級和一個用于探測致動器線圈的紋波電流的電流傳感器，所述方 法包括如下步驟在所述功率輸出級上提供一已調(diào)制好脈沖寬度的輸出電壓，并通過所述電流傳感器探 測紋波電流的差值，其中，所述脈沖寬度按預定順序分別被少量地縮短或者延長，對所述脈 沖式功率輸出級的脈沖寬度的調(diào)制則以彼此固定的相位關系實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于磁性軸承的傳感器系統(tǒng)，其包括兩個致動器線圈(1，2)、兩個脈沖式功率輸出級(4，5)、一個用于對致動器線圈(1，2)中受到紋波電流妨礙的電流進行探測的電流傳感器(3)以及一個傳感器接口(6)，其中脈沖式功率輸出級(3、4)提供已調(diào)制好脈沖寬度的輸出電壓，該輸出電壓的脈沖寬度按預定順序每次被縮短或延長一個小的量值，并且脈沖式功率輸出級(3、4)的脈沖寬度的調(diào)制是按照彼此固定的相位關系實現(xiàn)的。整個傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)了這樣的目的，即提出一種用于具有脈沖式功率輸出級的磁性軸承的傳感器系統(tǒng)。本發(fā)明另外涉及一種磁性軸承、一種用于磁性軸承的調(diào)節(jié)裝置以及一種在磁性軸承中探測位置的方法。
文檔編號F16C39/06GK101755138SQ200880025145
公開日2010年6月23日 申請日期2008年7月19日 優(yōu)先權日2007年7月30日
發(fā)明者彼得·科內(nèi)茨基, 邁克爾·卡奇曼 申請人:謝夫勒兩合公司