Regelung eines aktiven Magnetlagers für einen unterkritisch laufenden Rotor

Abstract

Magnetlager stellen eine Alternative zu mechanischen Lagern und Fluidlagern dar. Einer der Hauptvorteile bei dieser Art der Lagerung, ist dass bei Magnetlagern die mechanischen Eigenschaften (z.B. Steifigkeit und Dämpfung) gezielt beeinflusst werden können. Allerdings sind aktive Magnetlager instabile Systeme, weshalb eine stabilisierende Regelstruktur notwendig ist. Diese Art der Lagerung findet daher Anwendung in Bereichen wo die klassischen Lagerungsmethoden nicht mehr einsetzbar sind. Wie es zum Beispiel für spezielle Anwendungen, wo keine Flüssigkeiten austreten dürfen, der Fall ist. Der rasante Fortschritt der Halbleitertechnologien ermöglicht die Implementierung immer optimalerer und komplexerer Regelstrukturen zur Stabilisierung mittels aktiver Magnetlager. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Regelung eines aktiven Magnetlagers für einen unterkritisch laufenden Rotor. Um für das vorhandene Magnetlagersystem eine stabilisierende Regelstruktur zu entwickeln, wird am Anfang der Arbeit über die Grundlagen der Starrkörperkinetik und deren Anwendung an einem starren Rotor diskutiert. Basierend auf diesen Grundlagen werden die System-Differentialgleichungen hergeleitet und deren physikalische Effekte beschrieben. Sind die System Differentialgleichungen in ausreichender Modellierungstiefe vorhanden, wird im nächsten Abschnitt eine Reglerstruktur für das Starrkörpersystem, welche als Grundlage für das flexible System dient, entwickelt. Im nächsten Abschnitt der Arbeit wird über die Dynamik flexibler Rotoren diskutiert, da die Betrachtung des Starrkörrpers alleine, für praktische Anwendungen nicht ausreicht. Da es nicht immer möglich ist, die Gleichungen eines solchen Rotors geschlossen zu lösen, wird auch die Methode der Finiten Elemente eingesetzt. Mit dem vorhandenen Wissen kann die Regelstruktur des Starrkörpers für flexible Rotoren erweitert werden. Die Reglerentwicklung gliedert sich hierbei in drei Abschnitte. Beim ersten Teil werden die mechanischen Eigenschaften des Rotors identifiziert. Im Anschluss kann basierend auf den mechanischen Parametern die eigentliche Regelstruktur entwickelt werden. Der letzte Teil ist die Implementierung einer Unwuchtkompensation. Im letzten Kapitel dieser Arbeit werden die Simulationsergebnisse durch Messergebnisse verifiziert.

Magnetic bearings provide an alternative to mechanical and fluid film bearings. One of the main advantages is that the mechanical properties (for example the spring and the damping coefficients) can be influenced. But active magnetic bearings are unstable systems and therefore a control structure is needed to stabilize them. This type of bearings are usually applied to systems where the classical bearings cannot be used because of their limitations. For example, this is the case for applications, where no fluids are allowed to be used. New investigations in semiconductor technologies allows to implement more and more complex and optimal control structures for stabilization of the active magnetic bearings. Therefore this work deals with the control of active magnetic bearings which stabilizes an under critical rotor. In order to develop a stabilizing control structure for the existing magnetic bearing system, the basics of rigid bodies and of rigid rotors are explained first. Based on this knowledge the differential equations of the active magnetic bearings are established, and their physical effects explained. In the next section a control structure to stabilize the rigid rotor is developed. Because only the consideration of the rigid rotor is not enough for practical applications, the next section deals with the fundamentals of flexible rotors. Usually it is not possible to model the flexible rotor analytically and therefore the Finite Element Method is used. With this basics a control structure from the rigid body is extended to a flexible rotor. The control design process is structured into three steps. First the identification of the mechanical properties is required. With this knowledge a position controller is developed and the last part deals with the cancelation of the unbalance caused from the rotor. In the last section of this work the simulation results are verified with experiments.