Konzept für ein ausfallsicheres aktives Magnetlager

Aktive Magnetlager (AMBs) bieten einige Vorteile gegenüber konventionellen Lagern wie z.B. die berührungsfreie Lagerung von Strukturen sowie die Variation der Lagerparameter während des Betriebs. Eine der Hauptursachen für die relativ geringe Akzeptanz der Magnetlagertechnologie in vielen Industriebereichen ist deren höhere Ausfallswahrscheinlichkeit, hervorgerufen durch die Anzahl an benötigten, zum Teil komplexen, Baugruppen (Regler, Sensoren, Verstärker, Lagermagnet, etc.). Obwohl in der Literatur diverse Konzepte zur Steigerung der Zuverlässigkeit aufgezeigt werden, weist doch jedes bestimmte Schwachstellen auf, die zum Teil sogar zu einer Reduktion der Zuverlässigkeit führen, wie z.B. die Notwendigkeit zusätzlich im Signalweg liegender Baugruppen, Koppelung und Kommunikation zwischen redundanten Baugruppen oder das Fehlen einer zuverlässigen und automatischen Entkopplung defekter Baugruppen. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, ein AMB-Konzept zu entwickeln, das höchste Zuverlässigkeit des gesamten AMB-Systems ermöglicht und nicht nur eine Verbesserung in Einzelbereichen. Dadurch soll höchste Betriebssicherheit über die volle Betriebszeit hinweg ge-währleistet sein. Die Tragfähigkeit des Lagers soll auch bei Auftreten von Fehlern in beliebigen AMB-Baugruppen erhalten bleiben. Nach erfolgter detaillierter Ausarbeitung und Modellierung dieses AMB-Systems in MATLAB-Simulink und PSpice sollen Simulationen die Auswirkungen von defekten Baugruppen auf die Lagerfunktion zeigen. Weiters soll damit die erzielbare Lagergüte ermittelten werden. Basierend auf diesen Resultaten wird die elektronische Schaltung der Reglermodule entwickelt, eine Zuverlässigkeitsanalyse des AMB-Systems durchgeführt und ein Reglermodul-Prototyp gebaut und getestet. Zur Untersuchung des AMB-Systemverhaltens unter realen Arbeitsbedingungen bei eingebrachten Bauteilfehlern und dem Austausch von Baugruppen wird ein einfacher AMB-Versuchsstand mit der Technologie für höchste Betriebssicherheit aufgebaut.

Aktive Magnetlager (AMBs) bieten einige Vorteile gegenüber konventionellen Lagern wie z.B. die berührungsfreie Lagerung von Strukturen sowie die Variation der Lagerparameter während des Betriebs. Eine der Hauptursachen für die relativ geringe Akzeptanz der Magnetlagertechnologie in vielen Industriebereichen ist deren höhere Ausfallswahrscheinlichkeit, hervorgerufen durch die Anzahl an benötigten, zum Teil komplexen Baugruppen (Regler, Sensoren, Verstärker, Lagermagnet, etc.). Obwohl in der Literatur diverse Konzepte zur Steigerung der Zuverlässigkeit aufgezeigt werden, weist doch jedes bestimmte Schwachstellen auf, die zum Teil sogar zu einer Reduktion der Zuverlässigkeit führen, wie z.B. die Notwendigkeit zusätzlich im Signalweg liegender Baugruppen, Koppelung und Kommunikation zwischen redundanten Baugruppen oder das Fehlen einer zuverlässigen und automatischen Entkopplung defekter Baugruppen. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, ein AMB-Konzept zu entwickeln, das höchste Zuverlässigkeit des gesamten AMB-Systems ermöglicht und nicht nur eine Verbesserung in Einzelbereichen. Dadurch soll höchste Betriebssicherheit über die volle Betriebszeit hinweg gewährleistet sein. Die Tragfähigkeit des Lagers soll auch bei Auftreten von Fehlern in beliebigen AMB-Baugruppen erhalten bleiben. Die wichtigsten geplanten Maßnahmen um dieses Ziel zu erreichen sind: Einfache und vollständig dezentrale AMB-Struktur bestehend aus voneinander entkoppelten und redundant vorhandenen Hubmagnet (HM)-Zweigen. Austauschbarkeit aller Baugruppen, Verkabelung, etc. im Betrieb der Anlage (Hot-Swap), ohne Beeinträchtigung des Systemverhaltens. Ansteuerung der HM durch unabhängige Reglermodule, bestehend aus digitalem Regler, Schaltverstärker, Stromversorgungen sowie einer lokalen Fehlererkennung. Automatische Deaktivierung eines defekten HM-Zweigs innerhalb weniger Mikrosekunden nach Auftreten eines Fehlers durch die lokale Fehlererkennung. Aufbringung der Lagerkräfte durch benachbarte HM-Zweige bei Ausfall eines Zweigs. Höchstmögliche Zuverlässigkeit der Reglermodule durch eine hochintegrierte und robuste elektronische Schaltung. Einsatz einer direkten und vollständig digital arbeitenden Methode des Self-Sensings, die eine Ermittlung des Luftspalts ohne Positionssensor mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Nach erfolgter detaillierter Ausarbeitung und Modellierung dieses AMB-Systems in MATLAB-Simulink und PSpice sollen Simulationen die Auswirkungen von Defekten in HM-Zweigen auf die Lagerfunktion zeigen. Weiters soll damit die erzielbare Genauigkeit des durch Self-Sensing ermittelten Luftspalts untersucht werden. Basierend auf diesen Resultaten wird die elektronische Schaltung der Reglermodule entwickelt, eine Zuverlässigkeitsanalyse des AMB-Systems durchgeführt und ein Reglermodul-Prototyp gebaut und getestet. Zur Untersuchung des AMB- Systemverhaltens unter realen Arbeitsbedingungen bei eingebrachten Bauteilfehlern und dem Hot-Swap von Baugruppen wird ein einfacher AMB-Versuchsstand mit der Technologie für höchste Betriebssicherheit aufgebaut.