Regelung aktiver Magnetlager auf Basis der gemessenen Luftspaltflussdichte

Aktive Magnetlager gewinnen zunehmend an Bedeutung und entwickeln sich von einem akademischen Untersuchungsobjekt zu einer industriell verbreiteten Anwendung. Wegen der berührungslosen Lagerung sind sie besonders für Hochgeschwindigkeitsanwendungen und Umgebungen interessant, in denen keine Schmiermittel eingesetzt werden sollen. Die kraftbildende Größe in aktiven Magnetlagern ist die Luftspaltflussdichte. Da diese wegen der kleinen Luftspaltweiten schwer zu messen ist, bildet die kaskadierte Regelung aus unterlagertem Strom- und überlagertem Lageregelkreis den Industriestandard, obwohl die Strom-Kraft Beziehung durch magnetisierungs- und frequenzabhängige Einflüsse nicht konstant ist. Eine Flussdichtemessung bietet zusätzlich die Chance, die kostspielige Lageregelung zu ersetzen. Die direkte Messung der Luftspaltflussdichte scheiterte bisher hauptsächlich an der Verfügbarkeit dünner, flexibler Sensoren für die Applikation im Luftspalt.

Diese Arbeit stellt 150 µm dünne Hall-Sensoren inklusive der nötigen Auswerteelektronik vor, um die Flussdichte direkt im Luftspalt messen zu können. Zusätzlich werden die theoretischen Grundlagen für eine Lageregelung mit unterlagerter Flussdichteregelung erarbeitet sowie Unterschiede zum Industriestandard aufgezeigt und erklärt.

Die messtechnische Validierung zeigt erhebliche Verbesserungen des Führungsverhaltens in Bezug auf die Dynamik und das Überschwingen für die Flussdichteregelung im Vergleich zur Stromregelung. Darüber hinaus werden Herausforderungen bei der Signalqualität deutlich, welche die statische Positionierungsgenauigkeit und das Störverhalten negativ beeinflussen. Es wird gezeigt, dass die gewünschte Positionsinformation zur Lageregelung aus dem Messsignal der Flussdichte extrahierbar ist und eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses von 4 dB ausreicht, um eine positionssensorlose Regelung zu ermöglichen.

Als Vergleichswert zur Einordnung der Verbesserung des dynamischen Verhaltens und zur Quantifizierung der Wichtigkeit genauer Messwerterfassung dient ein Exkurs zum Einfluss des Stromrichters auf das dynamische Verhalten des Magnetlagers. Der Exkurs zeigt, dass die Umstellung der Regelung auf Flussdichtemessung das dynamische Verhalten des Magnetlagers in einem Umfang verbessert, wie es beispielsweise mit einer Erhöhung der Schaltfrequenz nicht möglich ist.