Aufbau und Regelung homopolarer Magnetlager
Final Report Abstract
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Magnetlager neu konzipiert, durchgerechnet, aufgebaut und vermessen, um eine weitere Systemoptimierung des Magnetlagersystems zu ermöglichen. Die drei hier neu vorgeschlagenen unkonventionellen Lagerkonzepte, nämlich 1. Reluktanzlagerung, 2. Kombinierte Lagerung, 3. Tubular-Linear-Aktuator, bieten je nach Anwendungsbereich im Vergleich zu den bewährten konventionellen Lösungen neue Möglichkeiten für die Verbesserung des Magnetlagersystems. Hierzu gehören die Reduzierung der Baugrösse, Vereinfachung der Regelung wegen kürzerer Rotorlänge und der geringere Energieverbrauch durch Einsatz von Dauermagneten hoher Energiedichte, was aber leider auch die Montage und die Fertigung des Lagers erschwert hat. Um die Tauglichkeit der neuen Lager zu überprüfen, wurden zwei Versuchsstände jeweils mit Reluktanzlagerung oder kombinierter Lagerung ausgerüstet. Dazu gehörten auch der Aufbau von Wirbelstrom-Abstandsensoren, Leistungsverstärker und Antrieb des Motors. Für die Regelung des Rotorsystems wurde ein Zustandsregler eingesetzt. Die Stabilität des so geregelten Systems wurde durch eine umfangreiche Modellierung von u.a. 1. Elastischer Rotor, 2. Kreiseleffekt über Drehzahl und Drehzahländerung, 3. Dynamik des Leistungsverstärkers, 4. Dynamik der Digitalregelung simuliert und überprüft. In dem Verlauf des Projekts traten einige Schwierigkeiten auf, die eine deutliche Verzögerung des Projektes verursachten. Dazu gehören u.a.: 1. Die Dauermagneten waren so dimensioniert, dass sie so viel Tragfähigkeit wie möglich erbrachten. Der Schwebebereich des Rotors wurde leider dadurch so eng begrenzt (± 0,1 mm), dass er sich durch die im Institut vorhandene Fertigungstechnik nicht mehr realisieren liess. Zur Lösung dieses Prolems wurde die Anzahl der Dauermagnete reduziert. Die Lagerkapazität ist zwar dadurch geringer geworden, jedoch wurde ein größerer Schwebebereich sowie eine Erleichterung für die Fertigungs- und Montagearbeit gewährleistet. 2. Der Leistungsverstärker war für ein Magnetlager mit geblechtem Rotor vorgesehen, bei dem die Wirbelströme vernachlässigt werden können. Bei seinem Einsatz für ein Magnetlager mit massivem Rotor treten dagegen Wirbelströme auf, die dem Aufbau des Magnetfeldes entgegenwirken. Als Folge traten heftige Stromoberschwingungen auf, die teilweise Beschädigung des Leistungsverstärkers verursachten. Durch Einsatz einer Vordrossel konnte das Problem gelöst werden, jedoch muss man hierbei einen Verlust an Dynamik des Verstärkers in Kauf nehmen. 3. Die Wirbelstrom-Abstandsensoren wurden anfangs nur mit reinen Luftspulen konstruiert, da die Messstellen ziemlich nah an der Lagerwicklung liegen, wo ein durch den geschalteten Verstärker verursachtes starkes Störfeld auftritt. Ohne Abschirmung waren die Messsignale völlig unbrauchbar. Das Problem wurde durch den Einsatz von Ferritkernen, welche für die Messspule eine gute Abschirmung darstellt, gelöst. Um einen besseren Schutz vor EMV Emissionen zu schaffen, wurden alle Ferritkerne in ein Messing-Gehäuse, welches als zusätzliche Abschirmung dient, eingebaut. Ein an der Fertigungstechnik liegendes Problem ist die Rundheit und die Rauheit des Messrings, die unmittelbar in die Genauigkeit des Messsignals eingeht. Da die vorhandene Fertigungstechnik im Institut nur eine Genauigkeit in Bereich von 5 μm erlaubt, ist eine höhere Genauigkeit nicht zu erwarten. Aufgrund der obigen genannten Schwierigkeiten wurden die Versuchsstände zwar schon aufgebaut und simuliert oder teilweise geregelt (bis drei Achsen), jedoch wurde leider die Inbetriebnahme der gesamten Regelung des Rotorsystems bisher noch nicht erreicht. Die bereits genannten Schwierigkeiten beim Aufbau wurden schon weitgehend ausgeräumt. Als nächster Schritt wäre eine umfangreiche Untersuchung der Regelung auf den beiden Versuchsständen durchzuführen. Vor allem ist aber das gesamte System im Betrieb zu nehmen. Ein zu erwartendes Problem wäre die durch die Unwucht verursachte Schwingung, welche die Leistungsverstärker in die Sättigung bringen könnte. Eleganter wäre es, den Rotor um die Hauptachse statt um die Geometriesachse drehen zu lassen. So würde der sogenannte Kraftfrei-Betrieb erreicht und dadurch die Belastung für den Leistungsverstärker minimiert. Über die ausfuhrliche Vorgehensweise ist jedoch eine weitere Untersuchung erforderlich.
