Magnetlager für rotierende Wellen ohne stabilisierende Regelung

Die Lagerung von rotierenden Wellen stellt in den verschiedensten Anwendungen zuweilen eine Herausforderung dar. Die Effizienzsteigerung durch Minimierung von Reibungs- und Verschleißverlusten bekommt immer größere Bedeutung, wobei Wälz- und Kugellager den steigenden Anforderungen zunehmend nicht mehr gerecht werden. Für solche Anforderungen sind meist Magnetlager die beste Wahl. Die TU Wien stellt nun ein sensorloses Magnetlager vor.

Bei aktiven Magnetlagern (AMB – Active Magnetic Bearing) werden mit Hilfe von Elektromagneten, Kräfte erzeugt, bei denen im Gegensatz zu klassischen Lagern mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfung gezielt beeinflusst werden können. Allerdings sind aktive Magnetlager instabile Systeme, die eine stabilisierende Regelung benötigen. Viele sinnvolle Anwendungen von Magnetlagern werden nur deshalb nicht realisiert, weil bisher die Verwendung eines Lagesensors zur Stabilisierung des Magnetlagersystems als notwendig erachtet wird.

Zur Minimierung des Hardware-Aufwandes wird eine 3-Phasen Struktur verwendet. Diese Struktur kann mit standardmäßigen Frequenzumrichtern aus dem Antriebssektor betrieben werden. Im Gegensatz zu den meisten aktiven Magnetlagern welche für jeden Freiheitsgrad einen Frequenzumrichter benötigen, verwendet eine 3-Phasen Struktur nur 2 Frequenzumrichter, was zu einer signifikanten Reduktion der Hardwarekosten führt.

Zur Stabilisierung des Systems wird der Regler heutzutage immer in einem digitalem Signalprozessor (DSP) implementiert, der normalerweise auch andere Aufgaben übernimmt. Dieser digitale Regelkreis muss ausreichend viel Stabilitätsreserve und Robustheit bereitstellen. Die bisher üblichen Positionssensoren haben unvermeidbare Analogwege, die zusätzliches Verrauschen des Messsignals und damit Vibrationen des zu lagernden Rotors verursachen. Wenn die Montage von Positionssensoren nicht erwünscht oder nicht möglich ist, muss die Lageinformation aus den physikalischen Eigenschaften des Systems berechnet werden.

---

Positionssensoren für Spezialeffekte im großen Blockbuster Kino

---

Ein Verfahren zur sensorlosen Bestimmung der Rotorposition ist die von Prof. Schrödl entwickelte „Inform“-Methode. Das Inform-Verfahren wird schon seit vielen Jahren erfolgreich für die Identifikation des Rotorwinkels von elektrischen Maschinen angewendet und wurde für den Bereich der aktiven Magnetlager weiterentwickelt. Es beruht auf der Änderung der magnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Rotorposition. Durch Auswertung von Testimpulsen, die nur einige millionstel Sekunden dauern, kann die Rotorposition bestimmt werden.