Beschreibung allgemeiner Konzepte für lagerlose Antriebe

Der lagerlose Elektromotor, der mit seinem Wicklungssystem nicht nur die Erzeugung eines Drehmomentes, sondern auch die Bereitstellung der erforderlichen Lagerkräfte erlaubt, hat eine noch sehr junge Geschichte. Erst als die Signal- und Leistungselektronik einen entsprechenden Leistungsstand erreicht hatte, war es möglich, diese Technik aufzugreifen und in praktische Anwendungen umzusetzen. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei den lagerlosen Scheibenläufermotoren mit permanentmagnetischer Erregung zu, da diese Bauform durch die Ausnutzung von Reluktanzkräften lediglich in drei Freiheitsgraden eine aktive Stabilisierung benötigt. Die Erzeugung der hierfür notwendigen elektromagnetischen Drehmoment- und Radialkraftkomponenten erforderte bislang geschlossene Statorringe, die sich besonders bei Motoren mit großen Durchmessern, beispielsweise in Antrieben für hermetisch gekapselte Prozesskammern der chemischen Industrie, der Biotechnologie oder der Medizintechnik (s. Bild), aufgrund des großen Fertigungs- und Materialaufwandes als besonders nachteilig erweisen. So entstand der Anreiz für das FWF Projekt P17523-N07 allgemeine mathematische Beschreibungen verbunden mit Modellbildungs- und Simulationsgrundlagen zu erarbeiten, die es erlauben, lagerlose Motoren mit hochintegrierten Wicklungssystemen nicht nur in geschlossener sondern auch in Segmentbauweise zu entwerfen. Besondere wissenschaftliche Herausforderungen stellten sich hierbei mit der Entwicklung geeigneter dynamischer nichtlinearer Motormodelle für Strom- als auch Spannungseinprägung, den für den Betrieb erforderlichen Transformations- und Regelungsalgorithmen sowie den rotordynamischen Untersuchungen. Letztere sind insbesondere für den Hochlauf, aber auch für den dynamischen und stationären Betrieb von großer Bedeutung, da, um den mechanischen Fertigungsaufwand möglichst klein zu halten, nur wenige aktive Stelleingriffe zugelassen worden sind. Die passiven Stabilisierungen sind nur schwach bedämpft und erfordern daher tiefgehende Kenntnisse in der Analyse und Unterdrückung von Schwingungsneigungen.