AMOS: Analytische Methoden zur optimalen Schwingungsminderung allgemeiner Rotoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Rinderknecht
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435227428

Seit dem Aufkommen aktiver Magnetlager werden starke Anstrengungen unternommen, die Regelung von Rotoren zu beschreiben und zu verstehen. Trotz oder gerade wegen der großen Anzahl an verfügbaren regelungstechnischen Methoden bleiben generelle Aussagen, wie eine optimale Regelung zu gestalten ist, weitgehend verborgen. Der Grund dafür ist, dass die erwähnten regelungstechnischen Ansätze die strukturmechanischen Eigenschaften rotierender Maschinen nur unzureichend einbeziehen. Außerdem erschwert der komplexe mathematische Unterbau allgemeine, strukturmechanisch belastbare Aussagen über die erreichbare Regelgüte.Am Institut für Mechatronische Systeme wurden in den letzten Jahren wesentliche Fortschritte bei der Beschreibung von aktiven Piezolagern erzielt. So konnte das Problem der vollständigen Schwingungsisolation von Rotoren mit aktiven Lagern analytisch geschlossen gelöst werden. Dabei stellte sich heraus, dass eine vollständige Schwingungsisolation möglich ist, sich aber lagerkraftfreie Resonanzen mit großen Ausbiegungen ausbilden können. In diesem Projekt liegt der Fokus weiterhin auf der Schwingungsisolation mit dem Unterschied, dass nun zusätzlich auch die Ausbiegung des Rotors berücksichtigt wird. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Biegeenergie des Rotors, welche ein Maß für die Deformation des Rotors ist. Auf diese Weise ist es möglich die Rotorauslenkungen in jedem Betriebspunkt zu beschränken und damit Resonanzen zu vermeiden. Eine unabhängige Minimierung der beiden Größen Lagerkräfte und Deformation ist jedoch nicht möglich. Das Verbessern der Ergebnisse des einen Ziels sorgt für eine Verschlechterung des anderen. Es liegt somit ein Pareto-Problem vor. Der hier vorgestellte und in diesem Vorhaben zu erforschende Ansatz ist in der Lage beide Ziele jeweils einzeln zu erreichen oder diese Ziele gewichtet miteinander in Bezug zu setzen. Dies wird durch die Minimierung der elastischen Energie des Systems, bestehend aus Biegeenergie und der zu der Lagerkraft proportionalen elastischen Energie in den Lagern, erreicht. Die Berechnung dieser Energie geschieht mit Hilfe einer allgemeinen Ersatzsteifigkeitsmatrix, welche die Gewichtung der beiden Ziele vornimmt. Der Vorteil dieses Ansatzes ist es, dass nur ein Regler verwendet wird, um beide Ziele zu berücksichtigen, wodurch eine Änderung der Gewichte im Betrieb einfach ermöglicht wird. Bei diesem Ansatz handelt es sich nicht um eine Verbindung der Ziele der Schwingungsminderung, also Drehen um die geometrische Achse, und der Schwingungsisolation, da die Biegeenergie unabhängig von der Lage der Rotationsachse im Raum ist. Der vorgestellte Ansatz soll sowohl numerisch als auch praktisch an einem Rotorprüfstand nachgewiesen werden. Mit den gewonnenen Erkenntnissen sollen allgemeine strukturdynamische Aussagen über die Funktionsweise von Rotoren mit aktiven Piezolagern abgeleitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen