Konzeption und Simulation von Hybridmagnetlagern für energieeffiziente Schwungradspeicher

Abstract

Moderne Schwungradspeicher bestehen meist aus Verbundwerkstoffen, z.B. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe, und weisen hohe Maximaldrehzahlen, typischerweise 50000 U/min und mehr auf.<br />Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine möglichst energieeffiziente berührungsfreie magnetische Lagerung zu entwickeln, die den hohen Umdrehungszahlen solcher Schwungscheiben gerecht wird. Um dies zu erreichen wurden passive Lagerungen in Kombination mit Hybridmagnetlagerungen entwickelt. Die einzelnen Komponenten wurden zunächst isoliert voneinander entworfen, anschließend analysiert und in Matlab-Simulink modelliert.<br />Abschließend wurden aus diesen einzelnen Komponenten verschiedene Konzepte von Hybridmagnetlagern entworfen, simuliert und auf ihre Energieeffizienz hin verglichen. Durch den zusätzlichen Einsatz einer Regelung, die automatisch jene Rotorposition findet, die geringste Ansteuerleistung erfordert, konnte eine äußerst energieeffiziente Lagerung entwickelt werden, welche bei einem störungsfreien Betrieb praktisch keine Stellenergie benötigt.<br />Im letzten Teil der Arbeit wurde ein konkretes Konzept ausgewählt und mehrere Varianten dieses Konzeptes als technische Zeichnungen ausgearbeitet. Weiters wurden die konkreten Vor- und Nachteile der verschiedenen Varianten aufgezeigt.<br />

Modern flywheel energy storage consist mostly of composite material like carbon fiber enforced plastic and display high maximum revolutions per minute typically 50 000 RPM and more.<br />The aim of this master thesis is the development of a non contacting magnetic bearing with best energy efficiency which is applicable to flywheels with high revolution speed. To achieve this a combination of passive bearings and hybrid magnet bearings had to be developed.<br />Initially, the individual components were developed independently.<br />Thereupon, they have been analyzed and modelled using "Matlab-Simulink".<br />The individual components were used to develop a variety of concepts of hybrid magnet bearings. They were tested and compared for their energy efficiency. By employing an additional control which automatically finds the rotor position with minimum required energy a very energy efficient control could be realized which needs almost no energy during normal operation without disturbonces.<br />Within the last part of this thesis one hybrid bearing concept has been chosen and several variations of this concept have been worked out as technical drawings. These were used to compare the specific advantages and disadvantages of the various concept variations.