Design and sensorless position control of a permanent magnet biased radial active magnetic bearing

Abstract

In dieser Arbeit wird ein neuartiges radiales aktives Magnetlagerkonzept mit Permanentmagnet-Erregung verbunden mit einer sensorlosen Positionsregelung vorgestellt, um eine gesamtheitliche Kostenreduktion bei aktiven Magnetlagersystemen zu erreichen. Bei der sensorlosen Regelungsstrategie eines wird die Aktuatorwicklung selbst zur Positionsbestimmung des Rotors benutzt wird. Dabei wird die Rotorposition nur aus elektrischen Größen Strom und Spannung mittels eines Modells und Algorithmus ganz ohne einen expliziten Positionssensor ermittelt. Durch die homopolare dreiphasige Anordnung und Permanentmagnet-Erregung wird ein Design mit geringen Verlusten erreicht. Zusätzlich ermöglicht ein dreiphasiges Magnetlager den Einsatz eines konventionellen dreiphasigen Spannungszwischenkreisumrichters. Ein analytisches Modell des Magnetlagers wird hergeleitet und erklärt. Die Modellierung des Magnetkreises und die Positionsabhängigkeit der Induktivität, die Permanentmagnet-Erregung und die Kraftentwicklung werden benötigt um das Magnetlager auszulegen und einen entsprechenden Prototyp zu bauen. Mittels einer Finiten Elemente Simulation werden auch Nichtlinearitäten des Materials, Inhomogenität der Flussverteilung und transiente Vorgänge berücksichtigt. Das INFORM Verfahren wird schon länger für die sensorlose Regelung von PMSM Antrieben verwendet. Die Grundlagen des Verfahrens werden erläutert und die die Anwendbarkeit für dreiphasige Magnetlager hergeleitet. Messungen bezüglich der Positionsabhängigkeit der Induktivität, der Genauigkeit der sensorlosen Rotorposition mittels Spannungsinjektion und der Positionsregelung werden präsentiert. Die sensorlose Positionsregelung ist mit Hilfe eines mechanischen Beobachtermodells implementiert und wird mit externen Wirbelstromsensoren verglichen. Die Messergebnisse bestätigen die technische Machbarkeit des neuen sensorlosen aktiven dreiphasigen Magnetlagersystems.<br />

This work presents a novel design of a radial active magnetic bearing with a permanent magnet bias flux combined with a sensorless position control to enable an overall cost reduction of an active magnetic bearing system. With respect to a sensorless control strategy the actuator coils themselves are used for determination of the rotor position. Thus, a position detection algorithm uses only electrical quantities like electrical currents and voltages. By the homopolar three pole architecture including permanent magnet biasing a bearing design with low losses is achieved. Further this bearing arrangement allows for a utilization of a standard three phase voltage source inverter. The analytic model of the AMB is developed. Modeling of the designated magnetic circuit, an analysis of the inductance behavior, the investigation of the bias flux generation and the electromagnetic force generation are discussed and a physical prototype is built up. A finite element simulation covers also material nonlinearities, inhomogeneous flux distributions and transient properties. The INFORM method is well known from sensorless PMSM application. The basics of the method are described and the application for a sensorless three phase AMB is developed. Experimental results regarding the position dependency of the inductance, the stationary detected rotor position by injected voltage pulses and the implemented position control are presented. The position control is implemented with the sensorless obtained rotor position combined with a mechanical observer model and compared with external eddy current position sensors. These results confirm the technical feasibility of the sensorless controlled three phase AMB system.