Magnetgelagerter Schleuderprüfstand zur Untersuchung der Betriebsfestigkeit von Faserverbund-Rotoren

Von:

Daniel Franz

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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.