СЕНСОР ДЛЯ МАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА
MAGNETIC BEARING SENSOR

Изобретение относится к сенсорному устройству для магнитного подшипникового устройства, содержащему датчик смещения и сенсорное кольцо.
Кроме того, изобретение относится к электрической вращающейся машине, содержащей ротор, вращающийся вокруг оси вращения, статор, окружающий ротор, и по меньшей мере одно магнитное подшипниковое устройство, которое имеет по меньшей мере одно подобное сенсорное устройство.
Кроме того, изобретение относится к способу изготовления подобного сенсорного устройства.
Подобное сенсорное устройство для магнитных подшипниковых устройств предпочтительно используется во вращающихся с высокой скоростью электрических вращающихся машинах с числом оборотов по меньшей мере 1000 об./мин. и мощностью по меньшей мере 1 мегаватт, поскольку быстро вращающиеся роторы с предъявляющей высокие требования динамикой ротора все чаще устанавливаются в опорах с активными магнитными подшипниками.
При установке в магнитном подшипнике положение ротора во время вращения регистрируется, и положение ротора регулируется за счет приложения магнитных сил к ротору, так что смещение ротора в магнитном подшипнике минимизируется. Входным параметром для подобного метода регулирования является положение ротора, которое измеряется путем измерения бесконтактным образом, например, в четырех положениях, равномерно распределенных по окружности, например, с помощью индуктивного датчика смещения, который также называется датчиком вихревых токов. Качество измеренного сигнала датчика напрямую отвечает за надежность процесса регулирования и, следовательно, за работоспособность магнитного подшипника. При измерении сигнала датчика на сенсорной мишени особенно имеет значение электрическое биение сенсорной мишени, на которое оказывают влияние, например, различия в материалах. Оно сводится к минимуму за счет использования материалов с очень низкой магнитной проницаемостью в качестве сенсорной мишени на роторе.
Сенсорной мишенью является так называемое сенсорное кольцо, которое представляет собой массивный полый цилиндр из стали с вышеуказанными свойствами. Сенсорное кольцо изготавливается отдельно от остальной части ротора. Из-за высоких чисел оборотов и термической нагрузки при эксплуатации большой электрической вращающейся машины, в процессе ее работы происходит подъем (отрыв) сенсорного кольца, что может привести к искажению сигнала сенсора, которое в этой форме выполнения может привести к ошибкам в регулировании.
В выложенной заявке ЕР 2 887 022 А1 описана сенсорная мишень для магнитных подшипников, которая содержит кольцевой узел из магнитного материала. Кольцевой узел установлен на по существу кольцевой структуре из немагнитного материала. По существу кольцевая структура из немагнитного материала имеет по меньшей мере одну кольцевую прорезь и может быть изготовлена из более дешевого материала, такого как алюминий. Кольцевая прорезь обеспечивает гибкость, которая обеспечивает возможность работы в широком температурном диапазоне.
В основе изобретения лежит задача предоставить сенсорное устройство для магнитного подшипникового устройства, которое имеет более высокую надежность при высоких числах оборотов и мощностях по сравнению с предшествующим уровнем техники.
Эта задача в соответствии с изобретением решается сенсорным устройством для магнитного подшипникового устройства, имеющим датчик смещения и сенсорное кольцо, причем сенсорное кольцо имеет форму полого цилиндра и предусмотрено для того, чтобы соединяться с силовым замыканием с валом электрической вращающейся машины, причем датчик смещения отделен от сенсорного кольца воздушным зазором, причем сенсорное кольцо содержит опорное кольцо из первого материала и сенсорную мишень из второго материала, причем второй материал сенсорной мишени имеет более низкую проницаемость и/или более высокую электрическую проводимость, чем первый материал опорного кольца.
Датчик смещения представляет собой, например, датчик вихревых токов, который имеет индуктивность и подходит для того, чтобы измерять через воздушный зазор импеданс и предпочтительно изменение импеданса сенсорной мишени на сенсорном кольце, чтобы определять, например, пространственное положение вала. Сенсорная мишень используется, например, датчиком вихревого тока для измерения импеданса. Опорное кольцо устанавливает, например, механическое соединение сенсорной мишени с валом, нагружаемое даже при высоких числах оборотов.
Это является выгодным, так как за счет различных материалов с предпочтительно различными механическими и электрическими свойствами может осуществляться разделение функций в одном компоненте. Например, первый материал опорного кольца повышает стойкость сенсорного кольца против отрыва из-за вращения и термической нагрузки, а второй материал имеет, например, свойства материала, оптимальные для сенсорной техники. За счет этого достигается более высокая надежность.
Второй материал сенсорной мишени имеет более низкую проницаемость и/или более высокую электропроводность, чем первый материал опорного кольца. Например, нержавеющая сталь, особенно аустенит, алюминий, медь и латунь пригодны в качестве второго материала для сенсорной мишени. Ввиду более низкой проницаемости и/или более высокой электрической проводимости первого материала, например, возникают меньшие колебания проводимости и/или проницаемости, особенно на поверхности сенсорной мишени. Такие колебания из-за допусков, которые также называются электрическими биениями, вызывают искажение измеренного сигнала датчика. Следовательно, предпочтительна более низкая проницаемость и/или более низкая электрическая проводимость второго материала по сравнению с первым материалом.
Кроме того, задача решается электрической вращающейся машиной, которая имеет ротор, вращающийся вокруг оси вращения, статор, окружающий ротор, и по меньшей мере одно магнитное подшипниковое устройство, причем магнитное подшипниковое устройство содержит по меньшей мере одно такое сенсорное устройство.
Посредством магнитного подшипника, который работает с таким сенсорным устройством, обеспечивается очень высокий кпд электрической вращающейся машины с высокой надежностью установки в подшипниках даже на высоких числах оборотов и высоких мощностях.
Кроме того, задача решается способом изготовления такого сенсорного устройства, причем на первом этапе изготавливается опорное кольцо из первого материала, причем на следующем этапе сенсорная мишень, которая изготавливается из второго материала, соединяется с опорным кольцом с образованием сенсорного кольца.
Это является выгодным, так как за счет различных материалов предпочтительно с различными механическими и электрическими свойствами может осуществляться разделение функций в одном компоненте. Это обеспечивает более высокую надежность.
В предпочтительном варианте осуществления, второй материал сенсорной мишени соединен посредством сплошного соединения и/или соединения с геометрическим замыканием с первым материалом опорного кольца. Это особенно выгодно, так как при сплошном соединении и/или соединении с геометрическим замыканием могут передаваться высокие силы и моменты. Занимаемая площадь, в частности, сплошного соединения, очень мала. Таким образом, сплошное соединение между обоими материалами сохраняет надежность даже при высоких числах оборотов и высоких мощностях.
В другой форме выполнения, второй материал сенсорной мишени соединен с первым материалом на радиальной внешней стороне опорного кольца. Поэтому первый материал опорного кольца непосредственно соединен с силовым замыканием с валом и увеличивает, например, прочность сенсорного кольца, в то время как второй материал, который, например, имеет свойства материала, оптимальные для сенсорной техники, расположен ближе к датчику смещения.
Предпочтительным образом, опорное кольцо имеет полость на своей радиальной внешней стороне, причем полость заполнена вторым материалом сенсорной мишени. За счет полости, соединение второго материала сенсорной мишени с первым материалом опорного кольца является более стабильным.
В предпочтительном варианте осуществления, ширина полости сужается радиально наружу. За счет сужения полости возникает соединение с геометрическим замыканием между сенсорной мишенью и опорным кольцом. Это является выгодным, так как за счет этого геометрического замыкания сенсорная мишень, например, даже при высоких центробежных силах, стабилизируется.
В другой форме выполнения, первый материал опорного кольца обладает большей механической прочностью, чем второй материал сенсорной мишени. Под механической прочностью понимается устойчивость первого материала к деформации и разделению. Это является выгодным, потому что за счет большей механической прочности первого материала опорного кольца, которое, например, соединено с валом посредством соединения с силовым замыканием, повышается стойкость сенсорного кольца против отрыва, который может быть вызван высокими числами оборотов и термической нагрузкой. Более высокая стойкость сенсорного кольца снижает вероятность искажения измеренного сенсорного сигнала, что приводит к большей надежности, особенно для регулирования.
В предпочтительном варианте осуществления, первый материал опорного кольца представляет собой высокопрочную сталь. В результате, опорное кольцо позволяет, например, реализовать заметно повышенные натяги (припуски) в посадке и тем самым значительно повысить стойкость против отрыва за счет вращения и термической нагрузки.
В другой форме выполнения, вторым материалом сенсорной мишени является парамагнитная нержавеющая сталь. Парамагнитная нержавеющая сталь представляет собой, например, аустенит. Это является особенно предпочтительным, так как за счет низкой магнитной проницаемости достигается меньшее электрическое биение.
В предпочтительном варианте осуществления, на следующем этапе выполняется соединение второго материала сенсорной мишени с первым материалом опорного кольца посредством сплошного соединения. Это является особенно предпочтительным, поскольку сплошное соединение имеет требуемую прочность для удовлетворения необходимых механических и термических требований, например, при числе оборотов по меньшей мере 1000 об./мин. и мощности по меньшей мере 1 мегаватт.
Предпочтительным образом, сплошное соединение создается путем наплавки или диффузионной сварки. Например, при наплавке, первый материал опорного кольца покрывается вторым материалом сенсорной мишени. При диффузионной сварке, например, первый материал и второй материал спрессовываются под высоким давлением и при высокой температуре. Оба способа являются предпочтительными, поскольку с их помощью гарантируется оптимально сформированное соединение, особенно при повышенных температурах, при низком перемешивании.
В другой форме выполнения, при диффузионной сварке, в качестве диффузионного вещества используется никель. Это является особенно предпочтительным, поскольку никель в металлургическом аспекте оказался особенно подходящим диффузионным веществом для выполнения прочного соединения.
В предпочтительном варианте осуществления, на первом этапе опорное кольцо изготавливается таким образом, что на его радиальной наружной стороне формируется полость, причем на следующем этапе сенсорная мишень вставляется в полость и соединяется с опорным кольцом. Полость стабилизирует соединение второго материала сенсорной мишени с первым материалом опорного кольца.
В дальнейшем изобретение будет описано и объяснено более подробно на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - продольное сечение вала с сенсорным кольцом,
Фиг. 2 - продольное сечение вала с первой формой выполнения составного сенсорного кольца,
Фиг. 3 - продольное сечение вала со второй формой выполнения составного сенсорного кольца,
Фиг. 4 - продольное сечение вала с третьей формой выполнения составного сенсорного кольца,
Фиг. 5 - продольное сечение вала с четвертой формой выполнения составного сенсорного кольца,
Фиг. 6 - трехмерное представление в сечении сенсорного устройства с составным сенсорным кольцом,
Фиг. 7 - продольное сечение сенсорного устройства с составным сенсорным кольцом и
Фиг. 8 - электрическая вращающаяся машина.
На фиг. 1 показано продольное сечение вала 5 с сенсорным кольцом 8. Вал 5 с сенсорным кольцом 8, который установлен в опорах с активными магнитными подшипниками, предусмотрен для ротора с высокими требованиями динамики ротора, причем характеризуемая высокими требованиями динамика ротора создается при работе электрической вращающейся машины с числом оборотов по меньшей мере 1000 об./мин. и мощностью по меньшей мере 1 мегаватт.
При установке вала 5 в магнитном подшипнике, регистрируется положение вала 5, причем магнитные силы действуют на вал 5, так что смещение вала 5 в магнитном подшипнике минимизируется. Входным параметром для подобного регулирования является положение вала 5, которое измеряется в нескольких предпочтительно равномерно распределенных положениях с помощью датчика смещения, например, датчика вихревых токов. Качество измеренного сигнала оказывает прямое влияние на качество процесса регулирования и работоспособность магнитного подшипника. При этом сенсорное кольцо 8 действует в сенсорном устройстве как сенсорная мишень 12 для датчика смещения и выполнено таким образом, что его внешняя радиальная поверхность имеет практически одинаковое расстояние от оси вращения 4 по всей окружности. На измерение влияет механическое биение из-за отклонений от идеальной круговой формы измерительной плоскости и электрическое биение из-за остаточного магнетизма и/или различия в материале. Такие механические и/или электрические отклонения симулируют смещение вала 5. Поэтому указанные отклонения не должны превышать определенных значений.
В сенсорном кольце 8, электрическое биение сенсорной мишени 12, на которое влияют, например, различия в материалах, имеет особое значение, поскольку при низком электрическом биении вероятность ошибочного измерения во время регулирования минимизируется. Оно сводится к минимуму за счет использования материала с очень низкой магнитной проницаемостью в качестве сенсорной мишени 12 на валу 5.
Сенсорное кольцо 8 на фиг. 1 состоит из второго материала 14. Второй материал 14 представляет собой материал с очень однородными электрическими и магнитными свойствами, предпочтительно парамагнитную нержавеющую сталь, особенно аустенит. В частности, из-за низкой магнитной проницаемости достигается очень низкое электрическое биение.
Внутренняя сторона вращательно-симметричного сенсорного кольца соединена с помощью соединения 23 с силовым замыканием без проворачивания с внешней стороной вала 5, вращаемого вокруг оси 4 вращения. Силовое замыкание между сенсорным кольцом 8 и валом 5 достигается с помощью горячего прессового соединения.
В таком горячем прессовом соединении, сенсорное кольцо 8 нагревается, например, на несколько сотен градусов Цельсия, в результате чего внутренний диаметр сенсорного кольца 8 из-за теплового расширения, которое также называется термическим расширением, увеличивается. Сенсорное кольцо 8, увеличенное за счет термического расширения, в нагретом состоянии надевается на вал 5, который выполнен из стали и имеет незначительно меньший наружный диаметр, чем внутренний диаметр нагретого сенсорного кольца 8. При охлаждении сенсорного кольца 8 происходит тепловая усадка, которая также называется термической усадкой, за счет которой сенсорное кольцо 8 снова получает предыдущий размер и механически жестко соединяется с валом 5.
Второй материал 14 сенсорного кольца 8 имеет относительно малые значения предела текучести, поэтому натяг в посадке и, следовательно, стойкость против отрыва сенсорного кольца 8 в процессе работы мала. То же самое относится к чувствительности к отрыву по отношению к термической нагрузке и возникающему вследствие этого термическому растяжению.
На фиг. 2 показано продольное сечение вала 5 с первой формой выполнения составного сенсорного кольца 24. Такое составное сенсорное кольцо 24 представляет собой сенсорное кольцо 8, которое состоит из нескольких компонентов 11, 12, которые предпочтительно выполнены из разных материалов 13, 14. В остальном конструкция соответствует конструкции на фиг. 1.
За счет различных компонентов 11, 12 осуществляется разделение функций сенсорного кольца 8. Сенсорное кольцо 8 выполняется из опорного кольца 11 и сенсорной мишени 12, которая состоит из второго материала 14, описанного на фиг. 1. Таким образом, сенсорная мишень 12, нанесенная на внешнюю сторону сенсорного кольца 8, предоставляет преимущества малого электрического биения. Опорное кольцо 11 выполнено из первого материала 13, очень прочного и свариваемого материала. Оно несет сенсорную мишень 12 на своей внешней стороне, а на своей внутренней стороне соединено с силовым замыканием с валом 5. Первый материал предпочтительно представляет собой высокопрочную сталь, которая предоставляет возможность реализовывать заметно увеличенные припуски в посадке и, таким образом, значительно повышает стойкость против отрыва из-за вращения и термической нагрузки.
Второй материал 14 сенсорной мишени 12 соединен на радиальной внешней стороне опорного кольца 11 с первым материалом 13 посредством сплошного соединения 10. Сплошное соединение 10 выполняется путем наплавки или диффузионной сварки.
На фиг. 3 показано продольное сечение вала 5 с второй формой выполнения составного сенсорного кольца 24, причем опорное кольцо 11 на радиальной внешней стороне имеет полость 20, в которой находится второй материал 14 сенсорной мишени 12. Опорное кольцо 11 с сенсорной мишенью 12 имеет форму полого цилиндра и через опорное кольцо 11 соединено без проворачивания с валом 5. В остальном конструкция соответствует конструкции, показанной на фиг. 2. Между опорным кольцом 11 и сенсорной мишенью 12 имеется сплошное соединение 10, которое создается путем наплавки или диффузионной сварки.
Полость 20 в несущем кольце 11, которая заполнена вторым материалом 14 сенсорной мишени 12, является круглой, но может также иметь углы. Благодаря полости 20, посредством которой сенсорная мишень 12 имеет увеличенную контактную поверхность с опорным кольцом 11, стабильность и прочность сплошного соединения между первым материалом 13 и вторым материалом 14 увеличивается и за счет этого дополнительно предотвращается отрыв сенсорной мишени 12.
На фиг. 4 показано продольное сечение вала 5 с третьей формой выполнения составного сенсорного кольца 24, причем опорное кольцо 11 имеет полость 20, которая заполнена вторым материалом 14 сенсорной мишени 12, и при этом осевая ширина полости 20 в радиальном направлении сужается наружу. Остальная конструкция соответствует конструкции согласно фиг. 3. За счет сужения полости, в дополнение к сплошному соединению 10, создается соединение с геометрическим замыканием между опорным кольцом 11 и сенсорной мишенью 12. Это является предпочтительным, поскольку за счет геометрического замыкания сенсорная мишень 12 дополнительно стабилизируется при высоких центробежных силах.
Полость 10 на фиг. 4 выполнена таким образом, что, в дополнение к опорному кольцу 11, также сенсорная мишень 12 механически соединена с валом 5. Соединение 23 с силовым замыканием сенсорного кольца 8 с валом 5 образуется по меньшей мере за счет опорного кольца 11.
На фиг. 5 показано продольное сечение вала 5 с четвертой формой выполнения составного сенсорного кольца 24. Полость 20 опорного кольца 11, по сравнению с фиг. 4, выполнена скругленной, непрерывно сужающейся. Опорное кольцо соединено с силовым замыканием с валом 5. В остальном конструкция соответствует конструкции согласно фиг. 4.
На фиг. 6 показано трехмерное представление в сечении сенсорного устройства 15 с составным сенсорным кольцом 24. Составное сенсорное кольцо 24, выполненное для примера как составное сенсорное кольцо 24 на фиг. 3, соединено с силовым замыканием с валом 5. Датчик 7 смещения, который выполнен как датчик вихревых токов, расположен над сенсорной мишенью 12, отделенной воздушным зазором 9. Датчик 7 смещения предусмотрен для того, чтобы бесконтактным способом измерять изменение расстояния от вращающегося составного сенсорного кольца 24 и, тем самым, от вращающегося вала 5.
На фиг. 7 показано продольное сечение сенсорного устройства 15 с составным сенсорным кольцом 24, которое выполнено для примера, как показано на фиг. 4. В остальном конструкция сенсорного устройства 15 соответствует конструкции согласно фиг. 6. Датчик 7 смещения, выполненный как датчик вихревых токов, запитывается сигналом переменного тока и генерирует с помощью катушки 17 переменное электромагнитное поле, которое индуцирует во вращающейся сенсорной мишени 12 вихревые токи. С помощью устройства 16 оценки, которое соединено с датчиком 7 смещения, измеряется импеданс катушки 17. На импеданс влияют вихревые токи, индуцированные в сенсорной мишени 12, величина и фаза которых зависят от размера воздушного зазора 9.
Изменение расстояния между сенсорным кольцом 8 и, тем самым, валом 5 и датчиком 7 смещения измеряется по изменению импеданса катушки 17. Изменение импеданса регистрируется и оценивается как изменение амплитуды и/или фазы. Устройство 16 оценки выдает пропорциональный расстоянию аналоговый сигнал тока или напряжения, который пригоден для использования в качестве входного параметра для средств регулирования магнитного подшипника. Для наглядности, средства регулирования и магнитный подшипник не показаны.
На измерение изменения импеданса влияют отклонения от идеальной круговой формы сенсорного кольца 8, причем это отклонение называется механическим биением. Кроме того, в таком способе измерений на основе вихревых токов возникают известные эффекты измерений, которые основаны на колебаниях проводимости или проницаемости, преимущественно на поверхности сенсорной мишени 12, и называются электрическим биением.
Поэтому сенсорная мишень 12 выполнена из материала с очень однородными электрическими и особенно магнитными свойствами, например, из аустенитной нержавеющей стали с парамагнитными свойствами. Опорное кольцо 11 из первого материала 13 выполнено из очень прочного и свариваемого материала, такого как твердая сталь, который подходит, чтобы поддерживать сенсорную мишень 12 даже при больших центробежных силах. Кроме того, сталь для опорного кольца может быть подходящей для того, чтобы реализовать высокие припуски в посадке более 100 мкм, чтобы и при высоких центробежных силах и больших термических нагрузках соединяться без проворачивания с валом 5.
На фиг. 8 показана электрическая вращающаяся машина 1, которая расположена на основании 19. Электрическая вращающаяся машина 1 имеет ротор 3, вращающийся вокруг оси 4 вращения, и статор 2, окружающий ротор 3. Вал 5 ротора установлен на обоих осевых концах с помощью соответствующего активного магнитного подшипникового устройства 6 бесконтактным образом.
Активное магнитное подшипниковое устройство 6 имеет ротор 18 магнитного подшипника, который соединен посредством соединения 23 с силовым замыканием с валом 5, и электромагнит 22, окружающий ротор 18 магнитного подшипника. Электромагнит 22 имеет обмотки 21, которые питаются постоянным током и генерируют магнитное поле постоянного тока. Кроме того, в дополнение к электромагниту 22, для создания магнитного поля постоянного тока может использоваться постоянный магнит. С помощью магнитного поля постоянного тока вал 5 удерживается приблизительно в центре электромагнита 22 и устанавливается в опорах магнитным способом по существу без трения.
Чтобы иметь возможность определять положение вала 5 с ротором 18 магнитного подшипника в магнитном поле электромагнита 22, сенсорные устройства 15, которые выполнены, как показано на фиг. 6 и на фиг. 7, расположены по меньшей мере в четырех положениях, равномерно распределенных по окружности вала 5. Сенсорные устройства 15 предназначены для определения положения вала 5 ротора 3 в радиальной плоскости и имеют датчик 7 смещения и сенсорное кольцо 8, которое выполнено в виде составного сенсорного кольца 24. Магнитное подшипниковое устройство 6 выполнено в качестве примера как радиальный подшипник. Применение сенсорного устройства 15 для упорного подшипника также является предметом патентной заявки, причем в случае осевого подшипника, сенсорное устройство 15 предусмотрено для определения положения вала 5 в осевом направлении.
Таким образом, изобретение относится к сенсорному устройству 15 для магнитного подшипникового устройства 6, содержащего датчик 7 смещения и сенсорное кольцо 8, которое имеет форму полого цилиндра и предусмотрено для того, чтобы соединяться с силовым замыканием с валом 5 электрической вращающейся машины 1, причем датчик 7 смещения отделен от сенсорного кольца 8 воздушным зазором 9. Для достижения более высокой надежности при высоких числах оборотов и мощностях по сравнению с предшествующим уровнем техники, предложено, что сенсорное кольцо 8 имеет опорное кольцо 11, выполненное из первого материала 13, и сенсорную мишень 12, выполненную из второго материала 14.