Optimierung eines sensorlosen Magnetlagers mittels variabler Raumzeigermodulation

Abstract

Magnetlager sind von großer Bedeutung für die reibungsfreie Lagerung von Rotoren. Aufgrund der berührungsfreien Lagerung entstehen weder Verschleiß noch Schmierbedarf des Lagers. Aus diesem Grund können Magnetlager in Bereichen mit hohen Anforderungen an Prozesskontaminierung, wie in der Medizintechnik oder Vakuumtechnik, eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein radiales Magnetlager untersucht, welches ohne Positionssensoren aufgebaut ist. Die Position der Rotorwelle wird mittels des sogenannten INFORM (Indirect Flux Detection by Online Reactance Measurement) Verfahrens erfasst. In vorausgehenden Arbeiten konnte bereits die Funktion der sensorlosen Positionsregelung an einem Prototyp gezeigt werden. Bislang ist die Positionserfassung jedoch mit unerwünschten Lagerverlusten verbunden. Die Ursache liegt in der Verwendung einer hohen Zwischenkreisspannung des Umrichters, welche für eine hinreichende Positionsauflösung des sensorlosen Verfahrens erforderlich ist. Die Zielsetzung dieser Arbeit besteht darin, die Verlustleistung im Magnetlager zu senken ohne die Lagerperformance zu verringern. Daraus resultiert die Fragestellung, mit welcher Methode die Zwischenkreisspannung gesenkt werden kann, ohne an Positionsauflösung und Regeldynamik zu verlieren. Der Ausgangspunkt zur Lösung dieser Problematik liegt in einer Anpassung der Raumzeigermodulation im Betrieb des Magnetlagers. Die Idee besteht darin, die Raumzeigermodulation so zu gestalten, dass in Abhängigkeit der erforderlichen Lagerkraft eine maximale Positionsauflösung erreicht wird. Dazu erfolgt eine Kombination unterschiedlicher INFORM-Pulsmuster, welche sich hinsichtlich der Regeldynamik und Anzahl der Positionsmessungen unterscheiden. Zur Verifikation der entworfenen Raumzeigermodulation wird diese am Prototyp implementiert und Messungen unterzogen. Das Augenmerk der Messungen liegt auf dem Vergleich der INFORM-Pulsmuster in Hinblick auf die erreichbare Performance des sensorlosen Verfahrens. Zudem wird der Einfluss unterschiedlicher Materialien zur magnetischen Flussführung hinsichtlich der Lagerverluste untersucht.

Magnetic bearings are of great significance for contactless stabilization of rotors. Due to the levitation of the rotor no wear occurs and a lubrication of the bearing is not required. For this reason, magnetic bearings can be used in areas with high demands on process contamination, such as medical technology or in vacuum applications. The focus of this diploma thesis is set on a self-sensing radial magnetic bearing. The rotor is levitating without the use of separate position sensors. The position of the rotor is detected by means of the so-called INFORM (Indirect Flux Detection by Online Reactance Measurement) method. In previous work, the function of the sensorless position control could already be shown on a prototype. The sensorless position detection of this prototype has been associated with undesirable bearing losses. The reason for this disadvantage is the use of a high intermediate circuit voltage of the inverter, which is necessary for a sufficient position resolution of the sensorless method. The aim of this thesis is a reduction of the bearing losses without a loss of bearing performance. Therefore, the question is to proof, if the intermediate circuit voltage can be reduced without losing position resolution and actuator dynamics. To solve this problem, an adaptation of the space vector modulation is performed during the operation of the magnetic bearing. This theory is based on designing the space vector modulation in a way, which enables a maximum position resolution as a function of the required bearing force. For this purpose, different INFORM pulse patterns are combined which differ concerning the actuator dynamics and the number of position measurements. In order to verify this theory, the designed space vector modulation is implemented on a prototype and confirming measurements are performed. The measurements emphasize the correlation of INFORM pulse patterns regarding the achievable performance of the sensorless method. Furthermore, the influence of different magnetic flux leading materials is investigated with respect to bearing losses.