Aktive verlustarme Magnetlager hoher Steifigkeit und Präzision mit integrierter Induktionsmessung und schneller Leistungselektronik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wilfried Hofmann; Professor Dr. Oliver G. Schmidt; Professor Dr.-Ing. Thomas Zerna
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 221322256

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt gliederte sich in drei Teilprojekte, welche zusammen das Ziel verfolgten, die Steifigkeit und Präzision aktiver Magnetlagern zu verbessern. Den Projektpartnern ist es erfolgreich gelungen, flexible, ultradünne Hallsensorsysteme herzustellen, welche eine Gesamtdicke von unter 150 µm aufweisen. Die eigentlichen Sensoren wurden auf Polyimidbasis hergestellt. Zur Integration dieser Sensoren konnte eine zuverlässige Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt werden, wobei der Einsatz von anisotrop leitendem Klebstofffilm eingesetzt wurde. Dazu wurde eine zweistufige Auswerteelektronik entwickelt, welche sich zum Teil in den Versuchsaufbau integrieren lässt und somit die Sensorlänge vor der ersten Signalverstärkung reduziert. Die Sensitivität und Störunterdrückung des Gesamtsystems aus Sensor, Elektronik und digitaler Signalnachbearbeitung sind ausreichend, um eine Genauigkeit der Flussdichtemessung von ca. 20 mT in einem Messbereich von 0 bis 1,5 T zu erreichen. Darüber hinaus entwickelten die Projektpartner analytische Beschreibungen und Simulationsmodelle zur Reglerauslegung und Untersuchung der Potentiale flussdichtebasierter Regelungsalgorithmen. Besonders im Hinblick auf das für Magnetlager typische Überschwingen bei Positionssprüngen bietet die Flussdichteregelung signifikante Vorteile gegenüber der herkömmlichen Regelung. Da die positionsabhängige Mitkopplung bei Flussdichteregelung in den schnellen, inneren Flussdichteregelkreis führt, hilft dieser die Regelabweichung nach einer Sollwertänderung schnell auszuregeln. Dieser in der Simulation gezeigte Effekt konnte messtechnisch eindrucksvoll nachgewiesen werden: Das Überschwingen sinkt von 131 % auf 62 %, die Ausregelzeit sinkt von 218 ms auf 17 ms. Bei kontinuierlicher Störung (Orbit bei Rotation) kann keine Verbesserung nachgewiesen werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Effekt der Wirbelströme bei geblechten Radiallager ohnehin gering ist. Der technische Nachteil der schlechteren Signalqualität der Flussdichtemessung im Vergleich zur Strommessung überwiegt daher in diesem Fall den physikalischen Vorteil, welcher sich in der Simulation zeigen lässt. Im Rahmen des Projektes stellte sich heraus, dass eine Flussdichtemessung mittels Sensoren im inhomogenen Luftspaltfeld der Axiallagerung nicht sinnvoll ist. Um hier die Steifigkeit zu verbessern, sollte auf Flussschätzer zurückgegriffen werden. Untersucht wurde dies in einem weiteren Projekt. Im letzten Teilprojekt konnten die Projektpartner erfolgreich einen Stromrichter mit GaN-Halbleiterschaltern aufbauen. Dieser Stromrichter ermöglicht Schaltfrequenzen von über 200 kHz und übertrifft damit deutlich das Ziel des Antrags. Eine Reduktion des Stromripples durch Erhöhen der Schaltfrequenz konnte nicht in allen Betriebspunkten nachgewiesen werden. Über den ursprünglichen Antrag hinaus wurde daher der Einfluss mehrerer Zeitkonstanten untersucht – Stromrichterzeitkonstante, Regelzeitkonstante, Messzeitkonstante. Die Regelzeitkonstante hat den größten Einfluss auf die Dynamik, ist zugleich aber am schwersten zu verringern. - Die Schaltfrequenz verbessert das Systemverhalten nur bei hohen Sollspannungen, da sich bei geringen Spannungen der Einfluss von Ein- und Ausschalteffekten negativ auswirkt. - Eine Reduktion der Messzeitkonstante und anschließende Mittelwertbildung hat in allen Bereichen positiven Einfluss auf das Verhalten des Lagers. Dies unterstreicht die Wichtigkeit der Signalqualität für Regelungen mit extremen Dynamik und Präzisionsanforderungen. Insgesamt liefert das Projekt einen erfolgreichen Nachweis, dass mit ultradünnen Hallsensoren und flussdichtebasierter Regelung das dynamische Verhalten eines aktiven, radialen Magnetlagers deutlich verbessert werden kann. Eine auslegungsbezogene Wahl der Zeitkonstanten von Messung, Regelung und Stromrichter liefert zusätzlich positiven Einfluss auf die dynamische Steifigkeit des Systems.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• „Permanent Magnet Bias AMB Using Integrated Hall Sensor Based Air Gap Flux Density Feedback“, Proceedings of the 1st Brazilian Workshop on Magnetic Bearings, Brazil, 2013
  Bahr, F. et al.
  
• „Optimisation of an Electrochemical Etching Approach for Flexible Hall Sensorics“,581. WE-Heraeus-Seminar: "Flexible, Stretchable and Printable High Performance Electronics", Bad Honnef, Germany, 12th - 14th of January 2015
  Rost, K. et al.
  
• Analytical Asymmetric Air Gap Model for Active Magnetic Thrust Bearings of Mixed Materials Including Eddy Currents, 15th International Symposium on Magnetic Bearings ISMB15, Kitakyushu, Japan, 2016
  R. Seifert, W. Hofmann
  
• Direct Field Control of AMBs using Flux Feedback based on Integrable Hall Sensors, 15th International Symposium on Magnetic Bearings ISMB15, Kitakyushu, Japan, 2016
  F. Bahr, I. Mönch, D. Ernst, T. Zerna, O. G. Schmidt, W. Hofmann
  
• Flexible Magnetic Field Sensors with Ultra-Thin Silicon Interposers, 6th Electronics System-Integration Technology Conference ESTC 2016, Grenoble, France, 2016
  D. Ernst, J. I. Mönch, F. Bahr, W. Hofmann, O. G. Schmidt, T. Zerna
  
• Performance of Flux Density Based Control Approaches for Active Magnetic Bearings – an Overview, 16th International Symposium on Magnetic Bearings, Beijing, China, 2018
  R. Liebfried, W. Hofmann
  
• Untersuchung des Übertragungsverhaltens eines aktiven Magnetlagers mit Flussdichtemessung im Luftspalt, Tagungsband 12. Workshop Magnetlagertechnik Zittau-Chemnitz, pp. 11-18, Zittau, Germany, 2019
  R. Liebfried, W. Hofmann
  
• Packaging of Ultrathin Flexible Magnetic Field Sensors with Polyimide Interposer and Integration in an Active Magnetic Bearing, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, pp. 39-43, 2020
  D. Ernst, M. Faghih, R. Liebfried, M. Melzer, D. Karnaushenko, W. Hofmann, O. G. Schmidt, T. Zerna
  
• Effect of the System’s Time Constants on the Dynamic Behavior of an Active Magnetic Bearing with a GaN-H-Bridge-Converter, 23rd European Conference on Power Electronics and Applications EPE, 2021
  R. Liebfried, W. Hofmann