Entwurf und sensorlose Regelung eines Magnetlagersystems

Im vorliegenden Projekt wird ein innovatives Konzept eines radialen Magnetlagersystems untersucht und optimiert. Im Gegensatz zum Stand der Technik beinhaltet dieses Konzept eine Gesamtbetrachtung hinsichtlich Effizienz und Wirtschaftlichkeit mit den Teilbereichen Magnetlager, sensorlose Regelung und Leistungselektronik. Das radiale Magnetlager wird daher mit einem Gleichfluss zufolge Permanentmagneten ausgeführt und besitzt nur drei konzentrierte Wicklungen für die Krafterzeugung in zwei Richtungen. Zusätzlich führt die homopolare Struktur zur Verringerung der Verluste bei hohen Drehzahlen. Für die Auslegung des Magnetlagers werden Finite Elemente Simulationen verwendent. Die ermittelten elektromagnetischen Parameter wie Induktivitätsverhältnisse und Flussverteilungen werden in weiteren dynamischen Simulationen in Matlab/Simulink für die Modellbildung des Magnetlagers verwendet. Die bekannte INFORM-Methode aus dem Bereich der sensorlos geregelten PM-Motoren wird für die sensorlose Regelung verwendet. Aufgrund der Vermeidung von externen Positionssensoren verringert eine sensorlose Methode die Hardwarekosten grundlegend. Der Parametereinfluss des sensorlosen Verfahrens wie Bandbreite, Genauigkeit, Nichtlinearitaten und Wirbelströme auf das Regelkreisverhalten wird untersucht und optimiert. Die vorgeschlagene Dreiphasenstruktur des Magnetlagers erlaubt die Verwendung eines dreiphasigen Umrichters, welcher seit vielen Jahren Stand der Technik in der Industrie ist. Verschiedene Strommessmethoden sind bekannt und werden in diesem Projekt verglichen. Im Gegensatz zu Standardumrichtern mit acht Leistungsschalter reduziert die einfache Dreiphasenstruktur des Umrichters die Kosten in der Herstellung und im Betrieb. Aufgrund der Verbesserungen in jedem Teilbereich des Magnetlagersystems kann das Gesamtsystem hinsichtlich Effizienz und Wirtschaftlichkeit optimiert werden. Dieses neue Konzept verfügt Über geringere Kosten in der Herstellung und Betrieb und erÄonet neue Anwendungsbereiche für Magnetlager.

Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es ein sensorloses Verfahren zur Positionsbestimmung des Rotors in einem aktiven magnetischen Lager zu entwickeln. Damit können üblicherweise notwendige Positionssensoren, welche für die Stabilisierung des prinzipiell instabilen Verhaltens von aktiven Magnetlagern durch mathematische Algorithmen ersetzen werden. Diese sensorlose Positionsbestimmung basiert auf dem so genannten INFORM-Verfahren, welches in den 1990ern entwickelt wurde, um den Drehwinkel des Rotors in Synchronmaschinen ohne Lagesensoren feststellen zu können. Durch grundsätzliche Untersuchungen auf die Anwendbarkeit des Verfahrens auf Magnetlager und einer nachfolgenden iterativen Optimierung jeweils von Bauform des Magnetlagers, Aufbau des Spannungszwischenkreisumrichters und Detailimplementierung des INFORM-Verfahrens in der Regelungssoftware konnten alle im Projekt gesetzten Ziele erreicht werden.Geringe Hardware Kosten: Die entwickelten Prototypen können mit den bekannten Fertigungsmethoden klassischer elektrischen Maschinen gefertigt werden. Durch das dreisträngige Konzept der Magnetlager können konventionelle dreiphasige Umrichter mit entsprechenden Leistungselektronikkomponenten eingesetzt werden. Das sensorlose Verfahren ist nicht rechenintensiv und kann damit in einem kleinen digitalen Signalprozessor integriert werden. Es sind nur geringfügige Erweiterungen der Umrichter-Hardware nötig.Geringe Betriebskosten: Das sensorlose Verfahren funktioniert sehr gut unter Einsatz von Permanentmagneten, welche zur Erzeugung des magnetischen Grundflusses im Magnetlager in homopolarer Bauweise herangezogen werden. Damit können geringe Verluste bei hohen magnetischen Kräften erreicht werden.Sensorlose Regelung: Die Funktion der sensorlosen Regelung wurde in einem finalen Prototyp verifiziert. Dieser besteht aus einer Synchronmaschine dessen Rotor beidseitig in radialer Richtung mit jeweils 2 Freiheitsgraden (2 DOF) magnetisch gelagert ist. Axial ist der Rotor passiv stabilisiert. Damit konnte die Stabilität des sensorlosen Positionsregelkreises auch bei rotierendem Rotor gezeigt werden.