Aktive Magnetlager mit hoher Betriebssicherheit

Aktive Magnetlager bieten eine innovative konstruktive Erweiterung zur Lagerung von Strukturen (z.B. von Rotoren oder Plattformen). Die wichtigsten Vorteile im Vergleich zu konventionellen Gleit- und Wälzlagern sind die reibungs- und schmiermittelfreie Lagerung, die Wartungsfreiheit, die Möglichkeit einer Lagerparameteranpassung (Lagersteifigkeit und -dämpfung) für verschiedene Betriebszustände (Hochfahren, durchfahren kritischer Drehzahlen, etc.) und die Positionierung der Struktur im Lagerspiel durch variable Sollwertvorgaben. Der wesentlichste Nachteil dieser Technologie ist, dass bereits der Ausfall einer einzelnen Komponente zum Verlust der Lagertragfähigkeit führt. Die Gefahr eines nichtgeplanten Maschinenstillstandes ist die Hauptursache dafür, dass in verschiedenen Einsatzbereichen die industrielle Akzeptanz für diese innovative Technologie nicht gegeben ist. Ein typisches Beispiel dafür ist die Textil- und die Papierindustrie. Bereits eine kurze Betriebsunterbrechung verursacht sehr hohe Kosten durch Produktionsausfall und durch die aufwändige Wiederinbetriebsetzung und Synchronisierung der gesamten Produktionsstrasse. Die derzeit in der Literatur aufgezeigten Konzepte zur Erreichung der gewünschten Betriebssicherheit von aktiven Magnetlagern basieren im wesentlichen auf einer mehr oder weniger vollständigen, z.T. mehrfachen Redundanz der einzelnen Komponenten. Dies hat folgende wesentliche Nachteile: Höhere Kosten, höheres Gewicht und größerer Platzbedarf trotz bestehendem Restrisiko in Teilbereichen (bei der automatischen Auswahl funktionierender bzw. Abkopplung defekter Baugruppen). Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll durch ein alternatives Konzept eine möglichst hohe Betriebssicherheit erreicht werden. Die wichtigsten geplanten Maßnahmen zur Erreichung dieses Zieles sind: - Senkung der Kosten, des Gewichts und des Platzbedarfs durch bewussten Verzicht auf eine möglichst vollständige Redundanz, - modulare Redundanz nur der aus der industriellen Anwendung bekannten ausfallkritischen Baugruppe, die Schaltverstärker, - automatisches, dezentrales Erkennen einer Modul-Fehlfunktion (lokaler "Voter"), - automatisches und zuverlässiges Wegschalten eines defekten Moduls, - Austauschmöglichkeit defekter Module des Schaltverstärkers während des Betriebes (hot-swap), - Erhöhung der Störsicherheit und der Signalqualität durch - örtliche und galvanische Trennung vom digitalen Regler samt Signalaufbereitungselektronik und den Leistungskomponenten unter Verwendung von Lichtwellenleitern, - eine volldigitalisierte Aktuatoransteuerung und - Verwendung eines hochintegrierten DSP-Controllers. Der in Modultechnik geplante Schaltverstärker samt erforderlichen Signalankoppel-, Fehlererkennungs- und Entkopplungselemente wird durch ein numerisches Simulationsmodell im Rechner nachgebildet. Mit Hilfe dieses Modells sollen die Auswirkungen von Störfällen im Hinblick auf eine zuverlässige, unterbrechungsfreie Ansteuerung des Elektromagneten untersucht werden. Nach zufriedenstellenden Simulationsergebnissen wird basierend auf diesem Modell ein Schaltverstärker gebaut. Der Funktionsnachweis erfolgt an einem einfachen Magnetlagerversuchsstand. Der Prototyp wird in das gesamte, neu entwickelte Magnetlager-Regelsystem mit direkter digitaler und galvanisch getrennter Ansteuerung eingebunden. Anhand der Untersuchungsergebnisse werden sowohl das Modell als auch der Schaltverstärker- Prototyp optimiert.

Aktive Magnetlager ermöglichen eine reibungs- und schmiermittelfreie Lagerung von Strukturen, z.B. von Rotoren. Die wichtigsten Vorteile dieser umweltfreundlichen Technologie sind die Wartungsfreiheit sowie die Möglichkeit einer Lagerparameteranpassung für verschiedene Betriebszustände. Der wesentlichste Nachteil dieser Technologie ist, dass bereits der Ausfall einer einzi-gen Systemkomponente (digitaler Regler, Elektromagnet, Verstärker, Positionssensoren, Signal-konverter) zum Verlust der Lagertragfähigkeit führt. Die Gefahr eines nicht geplanten Maschinenstillstandes und die damit verbundenen Kosten sind Hauptursachen dafür, dass trotz der Vorteile dieser Technologie die breite industrielle Akzeptanz derzeit nicht gegeben ist. Aus der Fachliteratur bekannte Konzepte zur Erhöhung der Betriebssicherheit von aktiven Mag-netlagern basieren im Wesentlichen auf einer mehr oder weniger vollständigen Redundanz ein-zelner Komponenten. Diese Konzepte haben folgende wesentliche Nachteile: Höhere Kosten, höheres Gewicht und größeren Platzbedarf trotz Restrisiko eines Ausfalls der globalen Fehlerer-kennung, der Auswahl funktionierender oder Abkopplung defekter Baugruppen. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde ein alternatives Konzept für eine möglichst hohe Betriebssicherheit unter Beachtung ökonomischer Aspekte entwickelt, gebaut und getestet. Die wichtigsten erreichten Ziele sind: Modulare Redundanz nur der aus industriellen Anwendungen bekannten, ausfallkritischen Schaltverstärker, bei gleichzeitiger Kosten-, Platz- und Gewichtsersparnis, automatisches, dezentrales Erkennen einer Modul-Fehlfunktion ("lokaler Voter"), automatisches und zuverlässiges Wegschalten eines defekten Moduls, Austauschmöglichkeit defekter Module während des Betriebes (Hot-Swap), hohe Störsicherheit und Signalqualität durch räumliche und galvanische Trennung der Re-gelung von Bereichen elektromagnetischer Störfelder sowie einer hoch integrierten, voll digitalisierten Ansteuerung. Der in Modultechnik ausgeführte Schaltverstärker wurde zunächst als Simulationsmodell nach-gebildet. Mit Hilfe dieses Modells wurden die Auswirkungen von Störfällen im Hinblick auf eine zuverlässige, unterbrechungsfreie Funktion untersucht. Messergebnisse mit dieser neuen, in einem Magnetlagerversuchsstand integrierten Technologie bestätigen, dass trotz händisch ein-gebrachter schwerwiegender Bauteilfehler, die bei Verwendung eines konventionellen Schalt-verstärkers mit Sicherheit zu einem Totalausfall des Magnetlagers führen würden, nicht die geringste Beeinträchtigung der Lagerfunktion auftritt. Auch der Tausch eines redundanten Moduls während des Betriebs (Hot-Swap) zeigt keine Auswirkung auf das Lagerverhalten. Eine vergleichende Analyse der Ausfallwahrscheinlichkeiten dieses Schaltverstärkerkonzepts mit einer industriellen Standardausführung ergab eine Steigerung der Zuverlässigkeit um einen Faktor 20.