Aktive Lagerung

Rotoren sind aufgrund von Fertigungstoleranzen stets mit Unwuchten behaftet, die im Betrieb die Strukturen zu Schwingungen anregen. Aktive Lager bieten die Möglichkeit, einen Rotor mittels einer geeigneten Regelung ohne auftretende Unwuchtkräfte zu betreiben.

Aktive Lager können die Rotationsachse des Rotors dynamisch verändern und somit den starren Rotor so ausrichten, dass sich dessen Unwuchten gegenseitig aufheben. Bei den aktiven Lagern kann abhängig vom verwendeten Aktorprinzip eine Unterteilung in aktive Magnetlager oder aktive Piezolager vorgenommen werden. Die Aktoren sind hierbei direkt im Lastpfad platziert und können somit direkt an der Quelle die Schwingungserregung verhindern.

Piezolager

Bild: IMS
Aufbau eines aktiven Piezolagers

Bei Piezolagern kommen Piezoaktoren zum Einsatz, welche ein Wälzlager dynamisch verschieben können und somit Einfluss auf die Eigenschaften des Rotorsystems nehmen. Der generelle Aufbau eines aktiven Piezolagers ist in der seitlichen Abbildung dargestellt. Die Aktoren werden hierbei durch Vorspannfedern an ihren Positionen fixiert. Die aufgrund des Betriebes entstehenden Kräfte werden mit Sensoren direkt am Aktor (kollokiert) erfasst und für verschiedene Regelungsansätze verwendet.

Am IMS untersuchen wir unterschiedliche Regelungsverfahren zur Ansteuerung der Aktoren. Die Herausforderung hierbei ist die Veränderung der Systemeigenschaften im Betrieb aufgrund von ausgeprägten gyroskopischen Effekten.

Bislang wurden verschiedenste Regelungsansätze wie

  • PDT1, Integral Force Feedback (PT1)
  • H2, H∞ und gain scheduled H∞
  • Adaptive Strörgrößenaufschaltungen wie der FxLMS

simulativ und experimentell untersucht. Hierzu stehen am IMS drei Prüfstände zur Verfügung.

Unser Hauptfokus lag bisher auf der Untersuchung verschiedener Regelungsansätze. Um Piezolager unter Realbedingungen auch außerhalb des Labors nutzbar zu machen, muss nun der Aspekt der Hardware verstärkt berücksichtigt werden. So erforschen und entwickeln wir aktuell ein neues Piezolager, das wie ein Standalone-Maschinenelement – ohne erforderliche Kenntnisse über dessen Technologie – eingesetzt werden kann. Zusätzlich sollen die Kosten stark gesenkt werden, indem bisherige regelungstechnische Aspekte in Hardwarefunktionen überführt werden.

Magnetlager

Prinzipskizze eines aktiven Magnetlagers.

Bei aktiven Magnetlagern werden Elektromagnete verwendet, um den Rotor berührungslos zu Lagern. Dadurch haben diese im Vergleich zu konventionellen Wälz- und Gleitlagern den Vorteil, dass sie reibungs-, verschleiß- und schmiermittelfrei arbeiten, einen geringen Wartungsaufwand aufweisen und für sehr hohe Drehzahlen geeignet sind. Der Aufbau solcher Lager besteht im Wesentlichen aus einem Elektromagneten, dem zu lagernden Rotor, der Sensorik zur Positionserfassung sowie der Regel- und Leistungselektronik. Um Beschädigungen des Systems im Versagensfall des Lagers zu verhindern, werden zusätzlich Fanglager benötigt.

Magnetlager haben durch ihre geringere Tragfähigkeit im Vergleich zu konventionellen Lagern, die notwendige Positionserfassung sowie die Fanglager und Peripherie – einen großen Platzbedarf und hohe Anschaffungskosten. Rotordynamisch bieten Magnetlager viele interessante Einflussmöglichkeiten, wie aktive Unwuchtkompensation, Anpassung der Systemdynamik an den Betriebszustand, Bestimmen des Wuchtzustandes des Rotors sowie Fehlerdiagnose des Systems.

Am IMS werden sensorlose Magnetlager erforscht. Dabei wird aus den Systemparametern des Magnetlagers die Position des Rotors geschätzt. Dadurch kann auf die Positionssensorik verzichtet werden, wodurch ein erhebliches Einsparpotential bei den Kosten entsteht und der benötigte Bauraum für die Sensoren entfällt. Zusätzlich wird durch die Integration der Positionserfassung in das Magnetlager die regelungstechnisch wichtige Eigenschaft der Kollokation gegeben.

Fokus der bisherigen Forschung lag auf der Umsetzung eines Schätzverfahrens, welches für verschiedene Magnetlagergeometrien eingesetzt werden kann. Dieses Schätzverfahren ist aufgrund der Nichtlinearität der Magnetmaterialien auf kleine Lagergrößen begrenzt. Ziel der weiteren Forschung ist es, die Güte des Schätzverfahrens zu verbessern, sodass die Verwendung des Verfahrens nicht mehr von der Lagergröße eingeschränkt wird.