阅读说明：本技术 磁轴承装置中的杂散磁通补偿 (Stray flux compensation in magnetic bearing devices ) 是由 菲利普·布勒 于 2018-07-05 设计创作，主要内容包括：一种用于使转子(22)磁悬置以用于绕旋转轴(A)旋转的磁轴承装置包括放大器装置、第一主线圈(p)和第二主线圈(n)。为了补偿当主线圈被提供有来自放大器装置的电流时引起的杂散磁通，补偿线圈(c)以如下这样的极性连接在主线圈的公共节点与放大器装置之间：使得流过补偿线圈的电流将减少由主线圈(p，n)引起的杂散磁通。(A magnetic bearing device for magnetically suspending a rotor (22) for rotation about a rotational axis (a) comprises an amplifier device, a first main coil (p) and a second main coil (n). In order to compensate for stray magnetic flux caused when the main coil is supplied with current from the amplifier device, a compensation coil (c) is connected between the common node of the main coils and the amplifier device with such polarity that: so that the current flowing through the compensation coil will reduce the stray flux caused by the main coil (p, n).)

磁轴承装置中的杂散磁通补偿

技术领域

本发明涉及磁轴承装置以及操作磁轴承装置的方法。

背景技术

磁轴承通常用于以非接触方式支承具有轴的转子。一种类型的磁轴承是轴向轴承，其抑制转子相对于其旋转轴在轴向方向上的运动。为此，转子通常包括盘形部分，并且两个定子组件被布置成面对盘形部分的两个相对侧。每个定子组件包括绕轴延伸的线圈。通过向线圈提供电流，每个线圈生成磁场。由于定子组件和转子包括磁性导电材料，所以磁场引起穿过相应定子组件和转子的磁通，该磁通穿过定子组件与转子之间的气隙，并且从而生成将转子拉向相应定子组件的吸引磁力。通过采用用于测量转子的轴向位置的位置传感器以及根据传感器输出来控制通过两个线圈的电流，可以控制转子相对于定子组件的轴向位置。定子组件通常被壳体包围，该壳体可以由磁性导电材料制成。

由线圈生成的磁场还引起通过轴和通过包围定子组件的壳体的杂散磁通。这样的杂散磁通通常是不期望的，因为其可能对机器的其他部件特别是位置传感器、径向磁轴承、辅助轴承和密封件产生不利影响。此外，如果杂散场延伸到壳体外部的区域，则杂散磁通可能在外部系统中产生干扰。如果转子由电动机驱动，则杂散磁通还可能负面地影响电动机的工作。

为了减少杂散磁通，US 5,084,644建议提供与每个定子组件相关联的附加补偿线圈。补偿线圈设置在其不会对转子施加显著力的位置处。补偿线圈生成磁场以对抗和基本上抵消由相应定子组件的主线圈生成的杂散磁通。为此，利用与补偿线圈串联的平衡电阻器，补偿线圈并联连接至主线圈，以用于以下述方式来控制补偿线圈中的电流：通过补偿线圈的电流乘以其匝数的乘积在稳态条件期间等于主线圈的相应乘积，同时通过补偿线圈的电流的方向与主线圈的电流的方向相反。这种布置需要每主线圈一个补偿线圈，即，对于整个轴向轴承需要总共两个补偿线圈。

在DE 10 2010 013 675 A1中建议每主线圈提供两个补偿线圈，补偿线圈中的一个径向地布置在主线圈与转子轴之间，而另外的补偿线圈径向地布置成比主线圈更靠外侧。两个补偿线圈与主线圈串联连接。

US 7,635,937 B2建议将补偿线圈集成到定子中并且将补偿线圈与主线圈串联连接。

US 5,682,071公开了一种包括恒定电流源的磁轴承装置。恒定电流源将恒定总电流馈送至并联的两个线圈，两个线圈被布置在转子的相对侧。感测装置检测转子的运动并且通知控制器，控制器通过控制至每个线圈的相应电流来响应，以使转子保持在期望的位置。每个线圈的另外端连接至开关和续流二极管的布置。该文献没有提及杂散磁通补偿。

WO 2005/121580 A1公开了一种磁轴承装置，其中被放置在转子的相对侧的两个线圈以串联配置连接至放大器装置。偏置电流从放大器装置被馈送通过串联连接的线圈。控制电流从放大器装置被馈送至串联连接的线圈之间的公共节点，以增大一个线圈中的电流而减小另外的线圈中的电流。该文献也没有提及杂散磁通补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种呈现减少的杂散磁通同时具有简单装置的磁轴承装置。

通过权利要求1所规定的磁轴承装置来实现这个目的。从属权利要求中规定了本发明的另外的实施方式。

本发明提供了一种用于使转子磁悬置以用于绕旋转轴旋转的磁轴承装置。该磁轴承装置包括放大器装置、绕旋转轴延伸的第一主线圈以及绕旋转轴延伸的第二主线圈。主线圈中的每一个具有两个端子。第一主线圈的一个端子连接至放大器装置的第一输出端，并且第二主线圈的一个端子连接至放大器装置的第二输出端。主线圈的另外的端子彼此连接以形成公共节点。主线圈在由放大器装置提供电流时引起杂散磁通。为了减少杂散磁通，磁轴承装置包括连接在放大器装置的第三输出端与公共节点之间的补偿线圈，补偿线圈也绕旋转轴延伸。换句话说，公共节点经由补偿线圈连接至放大器装置的第三输出端。第一主线圈、第二主线圈和补偿线圈以如下这样的绕组方向和极性连接至放大器装置：使得在放大器装置与公共节点之间流动通过补偿线圈的任何电流引起磁场，该磁场减少由主线圈引起的杂散磁通。

主线圈中的每一个的端子和补偿线圈的端子可以被指定为“第一”端子和“第二”端子。在本文中，术语“绕组方向”应当理解为指定当DC电流从线圈的第一端子流向第二端子时DC电流绕旋转轴的方向。当电流的方向绕旋转轴右旋(right-handed)时，绕组方向为“正”，而当电流的方向为左旋(left-handed)时，绕组方向为“负”。此外，在本文中，使用以下符号规定来定义电流方向：如果电流从放大器流出并通过线圈流入公共节点，则DC电流的值具有正符号。如果电流沿相反方向流动，则其具有负符号。

线圈的绕组方向和极性应当被选择成如下：对于所有线圈，每当DC电流具有正值(即，每当DC电流从放大器装置的相应输出端通过相应线圈流向公共节点)，则DC电流应当绕旋转轴具有相同的方向(方向(sense))。由于根据基尔霍夫电流定律流入公共节点的电流的(带符号)值之和必须为零，因此流过补偿线圈的电流将总是具有如下值，该值是通过主线圈的电流之和的负值。因此，通过补偿线圈的电流将自动引起对由主线圈中的电流引起的磁场进行抵消的磁场，从而减少杂散磁通。

特别地，如果主线圈和补偿线圈全部具有绕旋转轴相同的绕组方向，则主线圈和补偿线圈全部应当以相同极性连接至放大器装置。换句话说，如果所有线圈具有相同的绕组方向，则每个线圈的第一端子应当连接至放大器装置，而第二端子应当连接至公共节点。如果线圈的绕组方向不完全相同，则相应地可以易于选择线圈在放大器装置与公共节点之间连接应当使用的极性。

有利地，第一主线圈、第二主线圈和补偿线圈具有绕旋转轴基本上相同的匝数。以这种方式，两个主线圈和补偿线圈的磁动势之和将基本上为零。在本文中，磁动势由每个线圈的电流的(带符号)值和(带符号)绕组数的乘积给出，绕组数的正符号表示正的绕组方向，并且绕组数的负符号表示负的绕组方向。

如果磁轴承装置包括壳体，则在壳体不仅包围主线圈而且包围补偿线圈的情况下是有利的。在壳体包括磁性导电材料的情况下尤其如此，那是因为壳体通常会形成由主线圈引起的磁杂散场的杂散磁通路径的一部分。则壳体将同时也形成由补偿线圈引起的抵消磁场的补偿磁通路径的一部分。

本发明有利地在有源轴向磁轴承中实现。在该情况下，磁轴承装置包括包含第一主线圈的第一轴向定子组件以及包含第二主线圈的第二轴向定子组件。转子和两个轴向定子组件包括磁性导电材料。每个轴向定子组件和转子一起限定跨相应轴向定子组件与转子之间的间隙延伸的控制磁通路径。第一轴向定子组件相对于转子以下述方式被布置：使得通过第一主线圈的第一电流在第一控制磁通路径中生成第一控制磁通，其沿第一轴向方向在第一轴向定子组件与转子之间引起吸引磁力；而第二轴向定子组件相对于转子以下述方式被布置：使得通过第二主线圈的第二电流在第二控制磁通路径中生成第二控制磁通，其沿与第一轴向方向相反的第二轴向方向在第二轴向定子组件与转子之间引起吸引磁力。例如，转子可以包括盘形部分，并且然后轴向定子组件可以面对盘形部分的不同轴向侧。然而，转子的其他形状是可行的。补偿线圈被布置在主线圈的控制磁通路径的外部。以这种方式，通过补偿线圈的第三电流在其生成补偿磁通时基本不在转子上引起轴向磁力。

补偿线圈可以根据空间的可用性布置在磁轴承装置的各个位置中。例如，补偿线圈可以被布置成邻近轴向定子组件之一。如果磁轴承装置除有源轴向磁轴承之外还包括有源径向磁轴承，则该有源径向磁轴承包括包含多个径向线圈的径向定子组件，有利的是将补偿线圈布置成邻近径向定子组件，径向地包围径向线圈，因为在一些磁轴承装置中可以在该位置中找到用于补偿线圈的足够空间。

补偿线圈可以在概念上被分成两个或更多个子线圈，这些子线圈以下述方式串联连接：使得通过子线圈的电流绕旋转轴沿相同方向(方向(sense))流动。由于每个子线圈具有减少的匝数，所以与单个补偿线圈相比可以更容易为子线圈分配足够空间。换句话说，磁轴承装置可以包括以串联配置连接在放大器装置的第三输出端与公共节点之间的至少两个补偿线圈，每个补偿线圈绕旋转轴延伸，补偿线圈以下述方式连接：使得通过补偿线圈的电流绕旋转轴沿相同方向(方向(sense))流动。有利地，补偿线圈一起具有绕旋转轴与第一主线圈和第二主线圈中的每一个基本上相同的匝数。

更具体地，在轴向磁轴承中，补偿线圈中的一个可以被布置成邻近第一轴向定子组件，并且补偿线圈中的另一个可以被布置成邻近第二轴向定子组件，由此创建大致对称的布置。特别地，如果转子包括盘形部分并且如果轴向定子组件面对盘形部分的不同侧，则补偿线圈也可以布置在盘形部分的不同侧。

操作磁轴承装置的相应方法包括操作放大器装置以提供通过第一主线圈的第一电流、通过第二主线圈的第二电流以及通过补偿线圈的第三电流。如果线圈以适当的绕组方向和极性被连接，则第三电流将自动引起对由主线圈中的电流引起的磁场进行抵消的磁场，从而减少杂散磁通。

附图说明

下面参照附图描述本发明的优选实施方式，这些附图是出于说明本发明的当前优选实施方式的目的，而不是出于限制本发明的当前优选实施方式的目的。在附图中，

图1示出了根据本发明的第一实施方式的磁轴承装置的示意性电路图；

图2示出了根据第一实施方式的磁轴承装置在第一工作模式下的示意性中心纵向截面；

图3示出了根据第一实施方式的磁轴承装置在第二工作模式下的示意性中心纵向截面；

图4示出了根据第二实施方式的磁轴承装置沿图5的截平面IV-IV的示意性中心纵向截面；

图5示出了根据第二实施方式的磁轴承装置沿图4的截平面V-V的示意性横截面，补偿线圈的平面外位置由虚线表示；

图6示出了根据本发明的第三实施方式的磁轴承装置的示意性电路图；以及

图7示出了根据第三实施方式的磁轴承装置的示意性中心纵向截面。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施方式的磁轴承装置的示意性电路图。磁轴承装置包括具有三个输出端11、12和13的放大器10。磁轴承装置还包括第一主线圈p和第二主线圈n。第一主线圈p在其一端处限定第一端子p1并且在其另一端处限定第二端子p2。同样，第二主线圈n限定第一端子n1和第二端子n2。第一主线圈p的第一端子p1连接至放大器10的第一输出端11。第二主线圈n的第一端子n1连接至放大器10的第二输出端12。第一主线圈p的第二端子p2和第二主线圈n的第二端子n2彼此连接以形成公共节点14。具有第一端子c1和第二端子c2的补偿线圈c连接在放大器10的第三输出端13与公共节点14之间。如下面结合图2更详细说明的，所有三个线圈p、n和c绕转子的旋转轴具有相同的绕组方向。绕组方向在图1中由点来表示。如果DC电流从由点表示的端子到另外的端子流过相应的线圈，则该电流将沿同一方向绕旋转轴(即，绕旋转轴沿相同方向)流动。

放大器10将第一电流i_p从其第一输出端11馈送至第一主线圈p，将第二电流i_n从其第二输出端12馈送至第二主线圈n，并且将第三电流i_c从其第三输出端13馈送至补偿线圈c。位置传感器50确定转子的位置并且通知与放大器10集成的控制器。基于位置信号，控制器控制电流i_p、i_n和i_c，以使转子保持在期望的位置。使用上面定义的符号规定，电流i_p、i_n和i_c满足以下条件：

i_p+i_n+i_c＝0。

在图2中以高度地示意性的方式示出了第一主线圈p、第二主线圈n和补偿线圈c在轴向轴承内的布置。转子20被悬置成绕旋转轴A旋转。转子20包括长形的轴部分21和盘形部分22，两个部分都包括磁性导电材料。第一轴向定子组件31面对盘形部分22的第一轴向侧，而第二轴向定子组件32面对盘形部分22的第二轴向侧。第一轴向定子组件31包括第一主线圈p，而第二轴向定子组件32包括第二主线圈n。每个轴向定子组件以其中形成有环形槽的环形盘的形式形成磁轭，该槽朝向转子的盘形部分敞开，线圈设置在环形槽中，并且磁轭形成两个环形端面，所述环形端面在不同径向位置处面对转子20的盘形部分22。磁轭由磁性导电材料制成。

定子组件31、32被壳体40包围，该壳体也包括磁性导电材料。轴向定子组件31、32和壳体40是固定的。为此，磁轴承装置将通常包括用于使定子组件和其他零件保持在适当位置的另外的部件。为简单起见，在图2中未示出这些部件。他们通常是非磁性的，因此不会承载大量的磁通。

流过第一主线圈p的电流生成由第一轴向定子组件31和盘形转子部分22中的磁性导电材料引导的第一磁场，形成第一磁控磁通Φ_p。同样，流过第二主线圈n的电流生成由第二轴向定子组件32和盘形转子部分22中的磁性导电材料引导的第二磁场，以形成第二磁控磁通Φ_n。由于每个轴向定子组件31、32与转子20的盘形部分22之间的气隙，每个定子组件生成用于将盘形部分22拉向相应的轴向定子组件的吸引力。换句话说，每个轴向定子组件用作沿其方向拉动盘形部分22的电磁体。

补偿线圈c布置在由电流i_c引起的磁场不会在转子20的盘形部分22上引起任何大的轴向力的位置中。这通过将补偿线圈c布置在下述位置来实现：由补偿线圈c引起的磁通(补偿磁通Φ_c)不与磁控磁通Φ_p和Φ_n的磁通路径交叠。此外，补偿磁通Φ_c不应当跨与盘形部分22的轴向气隙延伸。在图2的示意性示例中，补偿磁通Φ_c主要穿过壳体40和转子20的轴部分21，但是从未跨过与盘形部分22的气隙。

由三个线圈p、n和c中的电流引起的总杂散磁通Φ_杂散与三个线圈的磁动势之和成比例，比例常数取决于几何形状、材料等。总杂散磁通可以表示如下：

Φ_杂散＝常数*(N_pi_p+N_ni_n+N_ci_c)，

其中，N_p、N_n和N_c分别指定线圈p、n和c的匝数。如果绕旋转轴的绕组方向是左旋的，则N_p、N_n和N_c的符号为正，并且如果绕组方向是右旋的，则N_p、N_n和N_c的符号为负。

如果所有三个线圈具有相同的绕组方向和相同的匝数N＝N_p＝N_n＝N_c，则杂散磁通Φ_杂散将为零：

Φ_杂散＝常数*(N_pi_p+N_ni_n+N_ci_c)＝常数*N*(i_p+i_n+i_c)＝0。

如果补偿线圈的匝数与主线圈的匝数不同，则补偿线圈将仍用于减少由主线圈引起的杂散磁通。

所提出的线圈的布置具有若干优点。仅需要一个单补偿线圈。在磁轴承内的放大器与线圈之间仅需要三条引线。

图2示出了放大器装置的第一可能的工作模式。在该工作模式下，在放大器的第三输出端13处提供偏置电流，以通过补偿线圈c流向公共节点14(或者反之亦然)。偏置电流在公共节点14处分开以并联地流过主线圈p和n二者。放大器以下述方式控制第一输出端11和第二输出端12：使得由第一主线圈p承载的偏置电流的部分i_p以及由第二主线圈n承载的部分i_n被改变以实现轴承中的位置控制。

在该工作模式下，电流i_p、i_n和i_c将沿如图2所示的方向绕旋转轴流动：如图2中的点和叉所示，假定第一主线圈p中的电流i_p以右旋方向绕旋转轴流动，那么只要电流均没有增大到超过偏置电流i_c，则通过第二主线圈n的电流i_n也将以右旋方向流动。因此，如图2中的箭头所示，控制磁通Φ_p和Φ_n二者绕两个主线圈具有相同的方向。补偿线圈中的电流i_c将自动沿相反方向绕旋转轴流动，引起对由主线圈引起的杂散磁通进行抵消的补偿磁通Φ_c。

对于这种工作模式，放大器例如可以如US 5,682,071中那样被配置。特别地，放大器可以包括向输出端13提供恒定偏置电流的恒定电流源，同时输出端11和12中的每一个连接至开关和续流二极管。开关用于选择性地将相应输出端连接至限定的电势水平，以改变流过相应线圈的电流，而续流二极管在开关断开时使电流在相应输出端与恒定电流源之间流动。然而，放大器的其他配置也是可行的，并且流过输出端13的偏置电流不一定必须恒定。

在该工作模式下，由于补偿线圈仅在基本上恒定的偏置电流路径中，因此通过放大器察看到的负载电感不会因补偿线圈而增加。

图3示出了放大器装置的第二可能的工作模式。在该工作模式下，偏置电流从放大器的第一输出端11流过两个主线圈p、n流到放大器的第二输出端12(或者偏置电流从放大器的第二输出端12流过两个主线圈n、p流到放大器的第一输出端11)。可变控制电流i_c被提供在第三输出端13与公共节点14之间通过补偿线圈c。根据其方向，控制电流i_c使一个主线圈中的偏置电流增加而使另外的主线圈中的偏置电流减小，或者控制电流i_c使一个主线圈中的偏置电流减小而使另一个主线圈中的偏置电流增加。

只要不存在控制电流，即，只要仅施加偏置电流，则通过主线圈的电流的带符号值之和为零，并且如图3所示，电流i_p和i_n绕旋转轴沿相反方向流动。因此，由这些电流引起的杂散磁通将抵消。杂散磁通将仅在控制电流被提供给主线圈p和n的情况下存在。杂散磁通将与主线圈中的电流的带符号值之和i_p+i_n成比例。该总和恰好是控制电流i_c的负值：

i_c＝-(i_p+i_n)。

因此，由主线圈中的电流引起的杂散磁通由通过补偿线圈的控制电流i_c引起的抵消磁场来进行补偿。

在WO 2005/122580(参见图19)中公开了这种配置的合适的放大器装置。在该文献中，偏置电流被馈送在放大器装置的第一输出端与第二输出端之间通过串联连接的主线圈，并且可变控制电流在第三输出端与公共节点之间流动，该可变控制电流将一个线圈中的电流增大到高于偏置电流而将另一个线圈中的电流减小到低于偏置电流，或者将一个线圈中的电流减小到低于偏置电流而将另外的线圈中的电流增大到高于偏置电流。

第二实施方式的附加优点在于：用于创建轴承的预磁化的偏置电流不流过补偿线圈。因此，补偿线圈中的欧姆损耗被最小化。由于补偿线圈用于减小主线圈的场并且因此趋向于减小系统的总电感，因此通过放大器察看到的负载电感不会因补偿线圈而增加。

取决于哪里可获得足够的空间，补偿线圈可以定位在磁轴承装置的各种不同位置。理想情况下，补偿线圈被放置在靠近转子的轴部分，以保持补偿线圈的直径尽可能小，从而减小补偿线圈所需的铜的量。期望将补偿线圈放置在靠近轴向轴承，以使线缆的量保持最小。补偿线圈的非常合适的位置是径向地在转子的轴部分与轴向定子组件之一之间。另一个尽管稍微不太优选的位置是径向地在轴向定子组件之一周围，或轴向地邻近轴向定子组件之一。

图4和图5示出了另一合适的位置。在该实施方式中，磁轴承装置还包括与轴向轴承设置在同一壳体40中的径向轴承。径向轴承包括承载多个径向线圈r的径向定子组件33。径向定子组件33包括环形部分，该环形部分包围承载径向线圈r的磁极部分。如图4所示，补偿线圈可以被定位成轴向地邻近该环形部分，径向地包围径向线圈。在图5中，补偿线圈设置在平面外。因此，其位置由虚线表示。

图6示出了第三实施方式。在该实施方式中，提供了两个串联连接的补偿线圈cp和cn，即，先前描述的实施方式的单个补偿线圈在概念上被分成两个串联连接的子线圈。补偿线圈cp和cn中的每一个具有与主线圈p和n的匝数的一半对应的匝数。两个补偿线圈cp、cn具有相同的绕组方向和极性，即，线圈cp的第一端子连接至放大器10的第三输出端13，线圈cp的第二端子连接至线圈cn的第一端子，并且线圈cn的第二端子连接至公共节点14。以这种方式，两个补偿线圈cp、cn像具有与两个线圈cp、cn的匝数之和对应的匝数的单个补偿线圈一样有效地起作用。

图7示出了第三实施方式的两个补偿线圈的可能的布置。补偿线圈cp被布置成邻近第一轴向定子组件31，而另外的补偿线圈cn被布置成邻近第二轴向定子组件32。由于每个补偿线圈仅具有单个补偿线圈具有的匝数的一半，因此在每个补偿线圈的位置处需要较少的空间。补偿线圈对称地布置在转子20的盘形部分22的不同侧，从而使补偿线圈可能对轴向定子组件的控制路径的任何影响最小化。当然，补偿线圈的其他布置也是可行的。

尽管已经参考示例性实施方式描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于这些实施方式，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种修改。

附图标记列表

10 放大器

11 第一输出端

12 第二输出端

13 第三输出端

14 公共节点

20 转子

21 轴部分

22 盘形部分

31 第一轴向定子组件

32 第二轴向定子组件

33 径向定子组件

40 壳体

50 位置传感器

p 第一主线圈

p1 第一端子

p2 第二端子

n 第二主线圈

n1 第一端子

n2 第二端子

c 补偿线圈

c1 第一端子

c2 第二端子

cp 第一补偿线圈

cn 第二补偿线圈

r 径向线圈

Φ_p 经第一主线圈的磁通

Φ_n 经第二主线圈的磁通

Φ_c 经补偿线圈的磁通

i_p 第一主线圈中的电流

i_n 第二主线圈中的电流

i_c 补偿线圈中的电流