Erhöhung der Praxistauglichkeit selbst-sensierender aktiver Magnetlager

Von:

Michael Richter

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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.