Entwurf und Aufbau eines kompakten aktiven Magnetlagers mit sensorloser Positionsregelung

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung, Regelung und praktischen Ausführung eines aktiven Hybrid-Magnetlagers, welches das Radialkugellager einer vorhandenen permanentmagneterregten Synchronmaschine ersetzen soll. Magnetlager erlauben es, rotierende Körper kontaktlos zu lagern und minimieren so die Reibung, den Verschleiß und den Wartungsaufwand der Maschine. Für die Regelung der schwebenden Welle wird die klassische Regelungstechnik herangezogen und mittels PDT1-Regler wird eine stabile, geschlossene Regelschleife realisiert. Das benötigte Positionssignal wird im ersten Schritt von induktiven Positionssensoren erfasst, die im zweiten Teil der Arbeit durch die sensorlose Positionsermittlung mittels INFORM-Verfahren ersetzt werden.<br />Beim Hybrid-Magnetlager erregen Permanentmagnete einen magnetischen Grundfluss, dem ein von Spulen erzeugter Steuerfluss überlagert wird.<br />Eine optimale Auslegung lässt den Steuerstrom im unbelasteten Fall verschwinden, was zu einer signifikanten Erhöhung des Wirkungsgrades beiträgt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Magnetlagersystemen wird statt mehrerer Spulenpaare ein Spulentripel verwendet, das es ermöglicht einen handelsüblichen, günstigen Drei-Phasen-Umrichter einzusetzen und auf Spezialkonstruktionen zu verzichten.<br />Die vorhandene PSM-Maschine ist sehr kompakt gebaut, was Auslegung und Dimensionierung wesentlich erschwerte: Die Abmessungen sollten die des originalen Lagers nicht überschreiten. Besonders die Konstruktion des Rückschlusses vom Permanentmagnetkreis erwies sich als relativ komplex, da das Rückschlussjoch im Inneren der Maschine verläuft.<br />Die INFORM-Sequenzen erlauben es, durch Anlegen eines speziellen Spannungsmusters und Messen der Phasenströme, die Induktivität der Spulen und in weiterer Folge die Position der Welle zu bestimmen. Das verrauschte Signal wird mit Hilfe eines Luenberger Beobachters für die Regelung geglättet. Um das Ableiten der Rotorlage für den D-Anteil des Reglers zu vermeiden, wird die Geschwindigkeit der Welle geschätzt und direkt für die Regelung herangezogen. Der Luenberger Beobachter wird im letzten Schritt um einen Lastenschätzer erweitert, dessen Schätzwert als Vorsteuerung verwendet wird, um die bekannte Regelabweichung des PD-Reglers zu eliminieren.<br />