Entwicklung eines selbstzentrierenden homopolaren Reluktanzmagnetlagers

Abstract

Die Entwicklung und prototypische Umsetzung eines selbstzentrierenden homopolaren Reluktanzmagnetlagers stellt das zentrale Thema der vorliegenden Dissertation dar. Neben der Erbringung des „Proof of Concept“ steht die umfassende Charakterisierung des Magnetlagers hinsichtlich seiner Eigenschaften im Vordergrund dieser Arbeit. Das Magnetlager wird in axialer Richtung aktiv geregelt, während der zweite bis fünfte Freiheitsgrad eine passive Stabilisierung aufweisen. Die sechste vorhandene Achse stellt die Rotationsachse des Systems dar. Es erfolgt weder eine aktive noch passive Stabilisierung der sechsten Achse. Der aus kosten- und produktionstechnischen Gründen einfach gehaltene Aufbau des Magnetlagers besitzt neben einem Permanentmagnetring eine Spule. Je nach aktueller axialer Spalthöhe kann das Magnetfeld der Permanentmagneten mit Hilfe der Spule geschwächt oder verstärkt werden. Der vertikal zu lagernde Rotor wird dadurch axial in Schwebe gehalten. Die Stabilisierung in radialer Richtung erfolgt durch eine Reluktanzkraft, die einer möglichen Auslenkung entgegenwirkt. Durch die Verwendung von zwei Lagern kann einer Verkippung des Rotors im rechten Winkel zur Drehachse entgegengewirkt werden. Unter Einbeziehung der Gravitationskraft als gegenwirkende Kraft kann auf eine vorgespannte Magnetlageranordnung verzichtet werden, wodurch die Energieeffizienz des Systems positiv beeinflusst wird. Auf Basis umfangreicher magnetostatischer Simulationen erfolgt eine genaue Begutachtung der unterschiedlichen wirkenden Kräfte und Steifigkeiten des Reluktanzlagers. Neben weiterführenden modalanalytischen Betrachtungen findet überdies eine thermische Betrachtung des gesamten Aufbaus statt. Die simulatorische Abbildung des gesamten mechatronischen sowie regelungs- und steuerungstechnischen Aufbaus schließt den theoretischen Teil der Arbeit ab. Die Wirkweise des Magnetlagers wird in einem eigens konzipierten Teststand ausführlich geprüft und der „Proof of Concept“ erbracht. Weiters wird der Teststand für die Verifizierung der durchgeführten Simulationen herangezogen. Beschleunigungsversuche zeigen, dass die kritischen Drehzahlen durchlaufen werden können und somit ein Betrieb im überkritischen Drehzahlbereich möglich ist. Die Ergebnisse der abschließenden Auslaufversuche sowie der äußerst geringe Strombedarf des Systems untermauern die Effizienz des Magnetlagers.

The development and prototypical testing of the self-centering homopolar reluctance magnetic bearing concept is the central topic of this dissertation. Besides the proof of concept, the comprehensive characterization of the magnetic bearing properties is a main task of the present thesis. The magnetic bearing is actively controlled in axial direction, while four other axes show a passive stabilization. The sixth existing axis represents the rotational axis of the system. The magnetic bearing mainly consists of a permanent magnetic ring, an electrical coil as well as core material. The design is kept simple for cost and manufacturing reasons. The actual gap size between the bearing and the rotor can be influenced by strengthen or weaken the magnetic field of the permanent magnets by energizing the coil. The vertical supported rotor, is thus hold in axial suspension. In case of a radial deflection a counteracting reluctance force occurs due to the geometry of the bearing. By using two identical magnetic bearings in one system an uncontrolled tilting of the rotor can be prevented. By using the force of gravitation, a magnetically preloaded bearing design can be neglected, which positively influences the energy efficiency.Based on extensive magnetostatic simulations, the stiffness of the magnetic bearing is examined in detail. In addition, the natural frequency response of the spinning system is simulated and a thermal analysis of the entire structure is performed. The theoretical part of the work is completed by the set-up of a simulation model which represents the entire mechatronic as well as the control engineering structure. The operability of the magnetic bearing is extensively tested in a specially designed test rig and the proof of concept is provided. Moreover, the test rig is used for the verification of the performed simulations. Extensive acceleration tests show that the critical speed range can be passed and thus operation at supercritical speed is possible. The results of the final run-out test and the extremely low power consumption of the system demonstrate the efficiency of the magnetic bearing.