In aktiven Magnetlagern und Aktoren haben Wirbelströme einen teils erheblichen Einfluss auf die Kraftdynamik, da die einhergehende Feldverdrängung parasitäre Magnetisierungsströme hervorbringt, welche die meist strombasierten Kraftregler beeinträchtigen. Besonders betroffen sind die in dieser Dissertation beispielhaft betrachteten magnetischen Axiallager mit ihrer dreidimensionalen Flussführung, für welche die sonst übliche und effektive Blechung des Kerns unwirksam wird. Aus diesen Gründen werden regelungsbasierte Lösungen angestrebt. Bekannte fortschrittliche Topologien nutzen mitunter aufwendige Regler und Beobachter, wobei der direkte physikalische Bezug zu den mechanischen Parametern Steifigkeit und Dämpfung meist verloren geht. Diese Analogie zu mechanischen Lagern ist jedoch essentiell für eine einfache Inbetriebnahme des Magnetlagers, ein Grund, weshalb die dezentrale kaskadierte Lageregelung mit unterlagerter Stromregelung noch immer als weit verbreiteter Industriestandard gilt. Die in Axiallagern eingeschränkte Stabilität, Dynamik und Bandbreite aufgrund der Wirbelstromeffekte wird dabei zu Gunsten der einfacheren Anwendbarkeit toleriert. Diese Arbeit stellt ein fraktionales Kompensationsglied in Gestalt eines Flussschätzers vor, welches im Rückführungszweig der unterlagerten Regelung die Folgen der Wirbelströme dort herausrechnet, wo sie physikalisch wirken. Die resultierende modellbasierte Flussregelung erhält somit sämtliche physikalische Bezüge und die gute Anwendbarkeit, bei gleichzeitig verbesserten Regelungseigenschaften, sodass diesbezüglich keine Kompromisse notwendig sind.
Aktualisiert: 2022-11-17
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Im Rahmen der Energiewende gewinnt die dezentrale Speicherung elektrischer Energie zunehmend an Bedeutung. Eine Speichertechnologie mit großem Potential sind kinetische Energiespeicher in Außenläuferbauform. Die Außenläuferbauform, bei der die Schwungmasse als Hohlzylinder aus einem Faser-Kunststoff-Verbund ausgeführt ist, verspricht eine hohe Energiedichte und geringe Verluste. Nachteilig sind ihre hohen Anschaffungskosten. Diese resultieren nicht zuletzt auch daraus, dass die Auslegung der Rotoren meist konservativ erfolgt, da über ihre zyklische Festigkeit kaum experimentelle Untersuchungen vorliegen. Um die zyklische Festigkeit zu untersuchen wird in dieser Arbeit ein Schleuderprüfstand entworfen und aufgebaut, mit dem Hohlzylinder-Proben aus Faser-Kunststoff-Verbund zyklisch auf hohe Drehzahlen beschleunigt und wieder abgebremst werden, bis es zu einem Probenversagen kommt. Besondere Herausforderungen resultieren hierbei aus den niederfrequenten und stark drehzahlabhängigen Biegeeigenfrequenzen des Rotors. Um diese zu stabilisieren, erfolgt die Lagerung der Antriebswelle mittels aktiver Magnetlager. Diese berührungslose Lagerung verhindert zudem mechanischen Verschleiß und reduziert die energetischen Verluste. Aufgrund der hohen Drehzahlen wird der Rotor im Vakuum betrieben, weshalb bereits geringe rotorseitige Verluste zu einem Überhitzen des Rotors führen können. Ein wesentlicher Anteil dieser Verluste resultiert aus der Vormagnetisierung der radialen Magnetlager. Daher wird im Rahmen einer robusten Reglerauslegung für die radialen Magnetlager untersucht, wie weit der Vormagnetisierungsstrom bei der hier verwendeten linearen Regelung gesenkt werden kann.
Aktualisiert: 2021-10-21
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Das selbst-sensierenden Magnetlager verzichtet auf Positionssensoren indem die Positionsabhängigkeit der Lagerinduktivität erfasst wird. Systemkosten können reduziert und die Ausfallsicherheit gesteigert werden. Allerdings weisen bisherige Varianten eine hohe Komplexität bei der Umsetzung und eine geringe Signalgüte auf. Um die unzureichende Praxistauglichkeit zu erhöhen wird zunächst ein elektromagnetisches Modell zur Beschreibung der Wirkmechanismen des Elektromagneten aufgestellt. Hierüber erfolgt die Identifizierung grundsätzlicher, theoretischer Möglichkeiten zur Schätzung der Rotorposition aus der Spulenspannung und dem Spulenstrom. Auf dieser Basis erfolgt eine Literaturrecherche über bestehende Ansätze und deren Bewertung hinsichtlich deren Praxistauglichkeit und Identifizierung verfahrensübergreifender Maßnahmen zur Erreichung einer hohen Signalgüte. Die Rekombination der Maßnahmen ermöglicht eine Weiterentwicklung der zwei vielversprechendsten Verfahren. Die synthetisierten Verfahren werden eingehend beschrieben und die theoretisch erzielbare Signalgüte anhand des elektromagnetischen Modells für eine beispielhafte Lagergröße aufgezeigt. Beide Schätzverfahren werden auf eine aktiv magnetgelagerte Hochdrehzahlspindel mit zugehörigen Magnetlagerverstärker überführt. Praxisrelevante Einflüsse bei der Implementierung werden aufgezeigt und die erzielbare Signalqualität anhand von Vergleichsmessungen mit einem Positionssensor ermittelt. Das Schätzsignal zeigt eine um den Faktor fünf geringeres Rauschniveau und eine dem Vergleichssensor entsprechende Linearität. Das entwickelte selbst-sensierende Magnetlager hält die in der Norm für Magnetlager definierten Grenzwerte ein und zeigt eine stark reduzierte Störanfälligkeit in Bezug auf Fehler der Rotoroberfläche.
Aktualisiert: 2020-06-30
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Die Arbeit soll einen Beitrag zur Entwicklung aktiver Magnetlager leisten, die sich durch einen besonders niedrigen Wärmeeintrag in den Rotor auszeichnen. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen Pulververbundwerkstoffe im Rotor einzusetzen und eine dafür geeignete Magnetlagerstruktur entworfen. Dabei werden die besonderen Anforderungen des Werkstoffes beachtet und gezielt dessen Vorzüge ausgenutzt. Zugleich wird die Topologie im Hinblick auf minimale Verluste im Rotor optimiert.
Für die daraus resultierende Struktur des dreipoligen Kombilagers wird beispielhaft ein Labormuster mit Hinblick auf die Vergleichbarkeit mit einem vorhandenen konventionellen magnetischen Lager entworfen. Dies erlaubt eine Analyse hinsichtlich der aus dem verwendeten Werkstoff resultierenden besonderen Eigenschaften.
Die neue Lagerstruktur erfordert den Entwurf und die Verifikation angepasster Regelungsstrategien. Da Letzteres soweit wie möglich anhand eines Simulationsmodells mit guter Genauigkeit erfolgen sollte, wird eine domänenübergreifende Modellierungsmethodik auf Basis des Lagrange-Formalismus vorgestellt. So können die Wandlereigenschaft aktiver Magnetlager und Kreiseleffekte in das Modell eingearbeitet werden.
Den Abschluss bilden der Entwurf und die Diskussion zweier Regelungsstrategien, eine lineare basierend auf einer Transformationsmatrix und eine nichtlineare auf Basis exakter Ein-/Ausgangs-Linearisierung. Letztere bietet die Möglichkeit das erarbeitete Lager mit minimalen Flussdichten im Luftspalt und somit optimal hinsichtlich der Verluste im Rotor zu betreiben.
Die Arbeit wird durch einen Vergleich beider Ansätze abgerundet.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Aktualisiert: 2020-02-01
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