Finite element-based design, construction and identification of a self-sensing radial hybrid magnetic bearing

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines sensorlosen radialen Hybrid-Magnetlagers. Dieses kommt als Komponente einer magneti¬schen Lagerungsarchitektur eines hochdrehenden elektrischen Motors zum Einsatz. Mit konventionellen Kugel- oder Gleitlagern tritt bei größeren Drehzahlen das Problem von hohem mechanischen Verschleiß auf. Systembedingt wird dieses Problem durch aktive Magnetlager gelöst, da die Rotorwelle einer stabilen Levitation ohne Kontakt zu Statorteilen unterliegt. Zu Beginn der Arbeit erfolgt die Konstruktion des Magnetlagers mithilfe von CAD-Software unter Verwendung der Ergebnisse vorangegangener Arbeiten. Das CAD-Modell wird mit Finite-Elemente-Methoden untersucht und das magnetostatische Verhalten näherungsweise berechnet. Danach folgt die Analyse der Auswirkungen von Geometrieänderungen auf die magnetischen Felder, um die Linearität der Kraft-Strom-Auslenkungs-Charakteristik des Magnetlagers zu erhöhen. Zusätzlich wird das, von der Rotorposition abhängige, Induktivitätsverhalten der Regelspulen ausgewertet, um die Anwendbarkeit der sensorlosen Positionsbestimmung zu überprüfen. Das Finite-Elemente-Modell unterliegt, aufgrund seiner hohen Komplexität, einigen Ein-schränkungen hinsichtlich seiner Einsetzbarkeit für Regelungsmethoden. Aus diesem Grund wird ein Permeanzmodell hergeleitet, welches das Verhalten des aktiven Magnet¬lagers approximiert. Nach der Modellierung erfolgt eine Parameteridentifikation zum Abgleich des Permeanzmodells mit den Ergebnissen der Finite-Elemente-Analyse. Auf Basis der finalen Konstruktion wird ein Prototyp der Lagerungsarchitektur aufgebaut, in Betrieb genommen und identifiziert. Nach dem Realabgleich folgt eine weitere Iteration der Finite-Elemente-Analyse mit angepassten Parametern und die entsprechende Parametrierung des Permeanzmodells wird ermittelt. Weiters wird eine umfangreiche Evaluierung der Positionsschätzung und der sensorlosen Regelung durchgeführt. Zum Abschluss der Ar¬beit wird ein Vergleich der Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse, des Permeanzmodells und der Messungen am Prototyp hinsichtlich der Kraft-Strom-Auslenkungs-Charakteristik präsentiert.

This diploma thesis deals with the development of a self-sensing radial hybrid magnetic bearing as a component of a magnetic suspension architecture for an electric motor. The rotor is intended to operate at high rotational speeds. The problem of increasing wear of conventional ball- or sliding bearings with rising rotational speeds is solved inherently with active magnetic bearings, as the rotor is levitating stably without contact with the stator parts. First, the active magnetic bearing is constructed by means of computer-aided design software, incorporating the results of previous work. After that, the construction model is examined with finite element methods and the approximate magnetostatic behavior is obtained. Different investigations of the impact of geometry changes on the magnetic fields are utilized, improving the linearity of the force-current-displacement characteristics. Additionally, the rotor displacement-dependent inductances of the control coils are evaluated, in order to check the usability of the sensorless position estimation. Due to the complexity of the finite element model, it is not usable for different purposes, such as a model-based control design. Therefore, a permeance model, approximating the behavior of the active magnetic bearing, is derived. After the mathematical modeling, a parameter identification is used to fit the permeance model to the finite element analysis results. Based on the final construction, a prototype of the suspension architecture is built, commissioned and identified. Another iteration of the finite element analysis is conducted with adjusted parameters derived from measurement results. Furthermore, a fitting parameterization of the permeance model is obtained. An extensive evaluation of the position estimation and the sensorless control of the active magnetic bearing follows. Finally, a comparison of the finite element analysis results, the parameterized permeance model and measurement results of the force-current-displacement characteristics is presented.