Untersuchung des Magnetfluss-Bypass-Kompensationsverfahrens für Abstands- und Winkelmesssysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralf Werner
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420036654

Moderne elektrische Antriebe, Magnetlagerungen und lagerlose Motoren erfordern ein oder mehrere Messsysteme für die Bestimmung von Abständen und Drehwinkeln. Dafür werden zunehmend sensorlose Systeme eingesetzt, die gegenüber sensorbehafteten Systemen meist einfacher, robuster, kompakter, kostengünstiger sowie unempfindlicher gegenüber äußeren Einflüssen sind. Bei bisherigen sensorlosen Verfahren existieren jedoch zwei Hauptprobleme. Zum einen ist der Signal-Rauschabstand gering und begrenzt die Messgenauigkeit bzw. die Dynamik des Systems. Zum anderen reagiert das System empfindlich gegenüber magnetischer Sättigung. Der Sättigungsgrad beeinflusst nicht nur das Messsignal, sondern auch die Messempfindlichkeit. Bereits bei relativ geringen mittleren Flussdichten kann diese zu null werden. Der Zusammenhang zwischen tatsächlicher Messgröße und gemessenem Wert kann in diesem Fall nicht mehr eindeutig rekonstruiert werden.Daher wurde für den Aufbau und die anschließende Auswertung eines solchen sensorlosen Systems eine neuartige Methode entwickelt. Eine Differentiation des Stromsignals, wie bei bisherigen Verfahren, ist nicht mehr nötig, sondern erfolgt bereits über das Induktionsgesetz. Somit entfällt eine aufwändige Messung des Stroms mit hoher Bandbreite und der Signal-Rauschabstand wird erheblich vergrößert. Zudem wird mittels eines Fluss-Bypass der Sättigungseinfluss kompensiert. Dadurch kann zum einen eine wesentlich geringere Abhängigkeit des Messsignals vom Sättigungsgrad erreicht werden. Zum anderen verschwindet die Messempfindlichkeit erst bei deutlich größeren Flussdichten im Vergleich zu bisherigen Verfahren. Da keine separate Trägerspannung sowie keine Tiefpässe oder Demodulatoren benötigt werden, ist zudem die Bandbreite des Systems äußerst hoch. Für den Aufbau und die elektronische Auswertung eines Messsystems nach dem Fluss-Bypass-Verfahren lediglich im Elektromaschinenbau übliche Komponenten benötigt. Im Rahmen des beantragten Projektes soll die Fluss-Bypass-Methode hinsichtlich der technisch-physikalischen Grenzen für die Genauigkeit, den Signal-Rauschabstand und den maximal zulässigen Sättigungsgrad untersucht werden. Weitere Untersuchungsgegenstände sind der Einfluss des Materials und der Geometrie des Fluss-Bypasses und deren geeignete Dimensionierung sowie die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen. Die Untersuchungsergebnisse werden anhand eines Forschungsversuchsmusters eines sensorlosen Fluss-Bypass-Messsystems für die Messung von sowohl Drehwinkeln als auch Abständen verifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen