DE19728959A1

DE19728959A1 - Rotating drive train, e.g. for gas-pipe lines compressors

Info

Publication number: DE19728959A1
Application number: DE19728959A
Authority: DE
Inventors: Manfred Utecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1999-01-07

Abstract

The drive train includes a rotor shaft with bearings at both ends, and carrying the rotor of an electric machine. The device also has a mechanical gear associated with one end of the rotor shaft. The gear has a large wheel and pinion and is provided with bearings. The device also has a rotating part of a load coupled to the pinion or large wheel shaft. The bearing of the pinion shaft has a regulator (10-19) to influence the dynamic force in the tooth engagement of the gear. A torsion sensor (20) is associated with the drive train. The electric output of the sensor (20) is connected to the regulator (10-19) via a target value comparator (21).

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der kontinuierlich rotie renden dynamoelektrischen Maschinen und ist bei der Ausge staltung der Lagerung solcher Antriebsstränge anzuwenden, bei denen die Rotorwelle der antreibenden dynamoelektrischen Ma schine über ein Zahnradgetriebe mit dem rotierenden Teil des angetriebenen Verbrauchers gekoppelt ist.The invention is in the field of continuous rotation dynamoelectric machines and is in the process staltung the storage of such drive trains to apply which the rotor shaft of the driving dynamoelectric Ma shine via a gear transmission with the rotating part of the driven consumer is coupled.

Antriebsstränge der genannten Art werden benötigt, wenn die Drehzahl des angetriebenen Verbrauchers höher oder niedriger als die maximale Drehzahl der antreibenden elektrischen Ma schine sein soll. Dies ist beispielsweise der Fall bei Kom pressoren für Gas-Pipelines und bei Verdichtern für industri ell verarbeitbare Gase, deren Drehzahlen bei ca. 10 000 U/min liegen kann. Hochtourige elektrische Motoren entsprechender Leistung erreichen nämlich nur Drehzahlen von max. etwa 7000 U/min. Dabei liegen diese Drehzahlen unterhalb der zweiten biegekritischen Drehzahl.Drive trains of the type mentioned are required if the Speed of the driven consumer higher or lower than the maximum speed of the driving electrical Ma should be machine. This is the case with Kom, for example compressors for gas pipelines and compressors for industrial ell processable gases, the speeds of which are at approximately 10,000 rpm can lie. High-speed electric motors accordingly Performance only reach speeds of max. about 7000 rpm. These speeds are below the second critical speed.

Es ist bekannt, die zweite biegekritische Drehzahl dadurch zu höheren Drehzahlen hin zu verschieben, daß die Rotorwelle in einem Teilbereich zwischen dem Rotorkörper und dem benachbar ten Lager wesentlich biegesteifer ausgeführt wird als zwi schen dem Rotorkörper und dem anderen Lager (EP 0 511 210 B1). - Außer Biegeschwingungen mit den entsprechenden biege kritischen Drehzahlen treten bei elektrischen Motoren der ge nannten Art auch Torsionsschwingungen auf. Derartige Schwin gungen mit teilweise ausgeprägten Resonanzen treten häufig an Maschinensätzen mit umrichtergespeistem Regelantrieb auf, insbesondere an Maschinensätzen, bei denen die an den beiden Enden gelagerte Rotorwelle des antreibenden elektrischen Mo tors über ein mit Lagern versehenes mechanisches Getriebe aus Großrad und Ritzel an den Verbraucher angekoppelt ist. Hier bei kann es zu Verkopplungen von Torsions- und Biegeschwin gungen über die Getriebeverzahnung kommen. Es ist üblich, der dadurch gegebenen unübersichtlichen Resonanzproblematik durch spezielle Gestaltung von Kupplungen und Lagern und durch Ein bau von Dämpfern zu begegnen. Gegebenenfalls müssen auch kri tische Drehzahlbereiche gesperrt werden.It is known to increase the second critical bending speed to shift higher speeds that the rotor shaft in a portion between the rotor body and the adjacent th bearing is significantly more rigid than two the rotor body and the other bearing (EP 0 511 210 B1). - Except bending vibrations with the appropriate bend critical speeds occur in electric motors of the ge also called torsional vibrations. Such a swine Frequently, resonances occur Machine sets with converter-fed control drive on, especially on machine sets where the two End mounted rotor shaft of the driving electric mo tors via a mechanical gear provided with bearings Main gear and pinion is coupled to the consumer. Here at it can couple torsional and bending vibrations come over the gear teeth. It is common that given by confusing resonance problems special design of couplings and bearings and by a construction of dampers. If necessary, also kri table speed ranges are blocked.

Ausgehend von einem rotierenden Antriebsstrang mit den Merk malen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, Torsionsschwingungen in solchen Antriebssträngen mit einfachen Mitteln wirksam zu bedämpfen.Starting from a rotating drive train with the Merk paint the preamble of claim 1 is the He the task is based on torsional vibrations in such Effectively dampen drive trains with simple means.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Lager der Ritzelwelle mit einer Regeleinrichtung zur Beeinflussung der dynamischen Kraft im Zahneingriff des Ge triebes versehen sind und daß dem Antriebsstrang ein Torsi onssensor zugeordnet ist, dessen elektrischer Ausgang über einen Sollwertvergleicher mit der Regeleinrichtung verbunden ist.To achieve this object, the invention provides that the bearing of the pinion shaft with a control device for Influencing the dynamic force in the tooth mesh of the Ge Drive are provided and that the drive train is a torso Onssensor is assigned, whose electrical output via a setpoint comparator connected to the control device is.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Ausgestaltung der Lager der Ritzelwelle beruht auf der Erkenntnis, daß die Torsions schwingungen der Rotorwelle über das Zahnradgetriebe mehr oder weniger ausgeprägt auch in lateralen Wellenschwingungen zum Ausdruck kommen und daß daher umgekehrt über die Wellen schwingungen eine Beeinflussung der Torsionsschwingungen er folgen kann. Da bei resonanzartigen oder selbsterregten Tor sionsschwingungen häufig nur eine geringe Zusatzdämpfung be nötigt wird, um einen problemfreien Lauf zu erreichen, erwei sen sich die Lager des Ritzels als geeignete Systemstellen für die Bedämpfung der Torsionsschwingungen. Die dabei erfor derlichen lateralen Lager- bzw. Wellenbewegungen bleiben we gen der nur geringen erforderlichen Dämpfungskräfte hinrei chend klein. Daher können als Regeleinrichtung aktive, d. h. geregelte Magnetlager verwendet werden, die zugleich die Rit zellager bilden und die mit einem Regelkreis aus Stellglie dern, Stellungssensoren, einem Sollwertvergleicher, einer Si gnalverarbeitungseinrichtung und einem Leistungsverstärker versehen sind, wobei der Ausgang des dem Torsionssensor zuge ordneten Sollwertvergleichers mit dem Sollwerteingang des Sollwertvergleichers des Regelkreises verbunden ist. - Die Regeleinrichtung kann aber auch aus einer magnetostriktiven Abstützung des Lagergehäuses der Ritzelwelle mit einem Regel kreis aus einem magnetostriktiven Wandler, einem Sensor, ei nem Sollwertvergleicher, einer Signalverarbeitungseinrichtung und einem Leistungsverstärker bestehen, wobei der Torsions sensor den Sensor des Regelkreises bildet. Sowohl geregelte Magnetlager als auch magnetostriktive Abstützungen von Lager gehäusen sind an sich bekannt (Zeitschrift "ELEKTRIE", 1988, Heft 10, Seiten 365 bis 370, DE 195 29 038 A1; Zeitschrift "Elektronik", 4/1995, Seite 34 bis 40). - Der für die Regel einrichtung erforderliche Torsionssensor wird zweckmäßig am freien Ende, also an dem dem mechanischen Getriebe abgewand ten Ende der Rotorwelle angeordnet, obwohl auch eine Anord nung an beliebig anderer Stelle möglich ist.The design of the bearing provided according to the invention the pinion shaft is based on the knowledge that the torsion vibrations of the rotor shaft via the gear transmission more or less pronounced also in lateral wave vibrations come to expression and that therefore vice versa about the waves vibrations influencing the torsional vibrations can follow. As with resonance-like or self-excited gate tional vibrations often only a small additional damping is required to achieve a problem-free run the pinion bearings are suitable system points for damping torsional vibrations. The required lateral bearing or shaft movements remain against the low damping forces required small. Therefore, active, ie. H. regulated magnetic bearings are used, which are also the rit Form cell bearings and that with a control loop made of actuator change, position sensors, a setpoint comparator, a Si Signal processing device and a power amplifier are provided, the output of the torsion sensor assigned setpoint comparator with the setpoint input of the Setpoint comparator of the control loop is connected. - The Control device can also be made of a magnetostrictive Supporting the bearing housing of the pinion shaft with a rule circle from a magnetostrictive transducer, a sensor, egg nem setpoint comparator, a signal processing device and a power amplifier, the torsion sensor forms the sensor of the control loop. Both regulated Magnetic bearings as well as magnetostrictive supports of bearings housings are known per se (magazine "ELEKTRIE", 1988, Issue 10, pages 365 to 370, DE 195 29 038 A1; magazine "Electronics", 4/1995, pages 34 to 40). - The one for the rule device required torsion sensor is appropriate on free end, that is, facing away from the mechanical transmission th end of the rotor shaft arranged, although also an arrangement is possible anywhere else.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellt. Dabei zeigtTwo embodiments of the invention are shown schematically in FIGS. 1 to 3. It shows

Fig. 1 einen rotierenden Antriebsstrang mit einem durch geregelte Magnetlager gelagerten Ritzel, Fig. 1 a rotating drive train with a rotor mounted by controlled magnetic bearing pinion,

Fig. 2 die magnetostriktive Abstützung des Ritzels eines rotierenden Antriebsstranges und Fig. 2 shows the magnetostrictive support of the pinion of a rotating drive train and

Fig. 3 den zugehörigen Regelkreislauf. Fig. 3 shows the associated control loop.

Der rotierende Antriebsstrang gemäß Fig. 1 besteht aus der Rotorwelle 1 eines elektrodynamischen Motors, einem daran an gekoppelten mechanischen Getriebe aus einem Großrad 2 und ei nem Ritzel 3 und einer an das Ritzel 3 angekoppelten Welle 4 eines Verbrauchers, beispielsweise eines Kompressors. Rotor welle 1 und Großrad 2 sind über eine Kupplung 5 miteinander verbunden. Weiterhin sind Rotorwelle 1, Großrad 2, Ritzel 3 und Welle 4 in jeweils zwei nicht näher dargestellten Ra diallagern gelagert. Die Welle 30 des Ritzels 3 ist dabei mit Hilfe von zwei geregelten Magnetlagern 10 und 11 gelagert, die jeweils aus einem Stator 12, einem induktiven Sensor 13 und einem Rotorring 31 bestehen. Aus den Meßsignalen der in duktiven Sensoren 13 wird mittels einer Einrichtung 20 ein Differenzsignal gebildet und als Istwert dem Sollwertverglei cher 15 zugeführt. Der Ausgang dieses Sollwertvergleichers wird einer Signalverarbeitungseinrichtung 16 zugeführt. Deren Ausgangssignal wirkt über eine Ansteuereinrichtung 17 auf die Leistungsverstärker 18 und 19 ein, die ihrerseits Strom auf die Statorwicklungen 14 leiten, um den Rotor 31 und damit die Ritzelwelle 30 in die Sollage zurückzuführen.The rotary drive train shown in FIG. 1 comprises the rotor shaft 1 of an electro-dynamic motor thereto a mechanical of coupled gear of a large gear 2 and ei nem pinion 3 and coupled to the pinion 3 shaft 4 of a consumer, for example a compressor. Rotor shaft 1 and large wheel 2 are connected to each other via a coupling 5 . Furthermore, rotor shaft 1 , large gear 2 , pinion 3 and shaft 4 are each mounted in two radial bearings (not shown in more detail). The shaft 30 of the pinion 3 is supported with the aid of two regulated magnetic bearings 10 and 11 , each of which consists of a stator 12 , an inductive sensor 13 and a rotor ring 31 . From the measurement signals of the inductive sensors 13 , a difference signal is formed by means of a device 20 and supplied to the setpoint comparator 15 as the actual value. The output of this setpoint comparator is fed to a signal processing device 16 . The output signal acts via a control device 17 on the power amplifiers 18 and 19 , which in turn conduct current to the stator windings 14 in order to return the rotor 31 and thus the pinion shaft 30 to the desired position.

Zur Erfassung von Torsionsschwingungen ist an dem der mecha nischen Getriebe angewandten Ende der Rotorwelle 1 ein han delsüblicher Torsionssensor 20 angeordnet, dessen Ausgangs signal auf einen Sollwertvergleicher 21 gegeben wird. Das Ausgangssignal dieses Sollwertvergleichers wird als Sollwert dem Sollwertvergleicher 15 des magnetischen Regelkreises der beiden Magnetlager 10, 11 zugeführt und damit in den Regel kreis der Magnetlager eingespeist.To detect torsional vibrations, a commercially available torsion sensor 20 is arranged at the end of the rotor shaft 1 used for the mechanical transmission, the output signal of which is given to a setpoint comparator 21 . The output signal of this setpoint comparator is supplied as setpoint to the setpoint comparator 15 of the magnetic control circuit of the two magnetic bearings 10 , 11 and is thus fed into the control circuit of the magnetic bearings.

Fig. 2 zeigt die Zuordnung einer magnetostriktiven Abstüt zung 35 zum Lagergehäuse 32, in dem die Gleitlager 31 der Welle 30 für das Ritzel 3 angeordnet sind. Das Lagergehäuse ist dabei über eine Blattfeder 33 am Maschinenrahmen 34 ela stisch abgestützt. Fig. 2 shows the assignment of a magnetostrictive support 35 to the bearing housing 32 , in which the slide bearing 31 of the shaft 30 for the pinion 3 are arranged. The bearing housing is supported ela stically via a leaf spring 33 on the machine frame 34 .

Gemäß Fig. 3 wird auch bei einer derartigen Abstützung an der Rotorwelle 1 mittels eines Torsionssensors 20 ein Meßsi gnal erzeugt, das als Istwert auf einen Sollwertvergleicher 21 gegeben wird. Mit dem Ausgangssignal dieses Sollwertver gleichers wird die Signalverarbeitungseinrichtung 22 ange steuert, deren Ausgangssignal den Leistungsverstärker 23 an treibt. Der Leistungsverstärker 23 speist die Wicklung 24 der magnetostriktiven Abstützung 35.Referring to FIG. 3, a Meßsi gnal is generated even at such a support on the rotor shaft 1 through a torsion sensor 20, which is applied as actual value to a target value comparator 21.. With the output signal of this setpoint comparator, the signal processing device 22 is activated, the output signal of which drives the power amplifier 23 . The power amplifier 23 feeds the winding 24 of the magnetostrictive support 35 .

Claims

1. Rotating drive train, consisting of a rotor of an electrical machine supporting, supported at both ends rotor shaft, from one end of the rotor shaft assigned, consisting of large wheel and pinion, provided with bearings mechanical Ge and one of the pinion or Large wheel shaft coupled rotating part of a consumer, characterized in that the bearings of the pinion shaft are provided with a control device ( 10 to 19 ) for influencing the dynamic force in the tooth engagement of the transmission and that the drive train is assigned a torsion sensor ( 20 ), whose electrical output is connected via a setpoint comparator ( 21 ) to the control device.

2. Rotating drive train according to claim 1, characterized in that the control device from active magnetic bearings ( 10 , 11 ) with a control circuit of actuators, position sensors ( 13 ), a setpoint comparator ( 15 ), a signal processing device ( 16 ) and a power amplifier ( 18 , 19 ), the magnetic bearings ( 10 , 11 ) form the pinion bearings and the output of the setpoint comparator ( 21 ) assigned to the torsion sensor ( 20 ) is connected to the setpoint input of the setpoint comparator ( 15 ) of the control circuit.

3. Rotating drive train according to claim 1, characterized in that the control device from a magnetostrictive support ( 35 ) of the bearing housing ( 32 ) of the pinion shaft ( 30 ) with egg nem control circuit from a magnetostrictive transducer ( 24 ), egg nem sensor, a setpoint comparator ( 21 ), a signal processing device ( 22 ) and a power amplifier ( 23 ) and the torsion sensor ( 20 ) forms the sensor of the control circuit.

4. Rotating drive train according to one of claims 1 to 3, characterized in that the torsion sensor ( 20 ) is arranged at the free end of the rotor shaft ( 1 ).