Self-Sensing-Spindel

Die Self-Sensing-Spindel dient im Bereich der Magnetlagertechnik zur Untersuchung von Positionsschätzverfahren für selbstsensierende Magnetlager. Im Fokus steht hierbei die allgemeine Anwendbarkeit des entwickelten Schätzverfahrens für verschiedenste Bauformen und Lagervarianten.

CAD-Modell der Spindel

Der Prüfstand besteht aus den mechanischen Komponenten der Spindel sowie der Leistungselektronik in Form des Magnetlagerverstärkers sowie des Motorumrichters. Der Rotor des Prüfstands ist aus vergütetem Stahl gefertigt. Die Sensorspur und die Blechpakete der Magnetlager sind auf diesen aufgeschrumpft und bilden somit eine Einheit. Der Stator besteht aus den Magnetlagern, den Positionssensoren und der Antriebseinheit. Durch den modularen Aufbau können verschiedene Lagervarianten in Form von Differenzansteuerung und Differenzwicklung sowie verschiedene Magnetlagermaterialien in dem Prüfstand für die Eignung zur Selbstsensierung untersucht werden.

Aufbau der Radiallager in Differenzwicklung und Differenzansteuerung

Angesteuert werden die Magnetlager mittels Pulsweitenmodulation. Dazu hat die Magnetlagerendstufe 10 Leistungsverstärker, die jeweils eine Ausgangsspannung von 48V und einen Ausgangsstrom von bis zu 12 A stellen können. Die Berechnung der Pulsweite wird über ein FPGA durchgeführt. Für die Selbstsensierung ist an den Endstufen zusätzlich ein Signaltransformator verbaut, über den die Stromsteigung in den Magnetlagerspulen, die zur Schätzung der Position notwendig ist, in ein Spannungssignal gewandelt wird. Dadurch ist auch der Betrieb ohne Positionssensoren möglich. Um die Güte des geschätzten Positionssignals zu bestimmen sind dennoch Positionssensoren verbaut. Mit diesen können Vergleiche zwischen einer konventionellen Positionserfassung und dem selbstsensierenden Betrieb durchgeführt werden. Als Antriebseinheit ist ein permanenterregter Synchronmotor verbaut, mit dem kurzzeitig bis zu 16.000 U/min und dauerhaft 10.000 U/min erreicht werden.

Aufbau des Magnetlagerverstärkers

Durch den modularen Aufbau der Spindel sowie der eigens entwickelten Magnetlagerendstufe können Untersuchungen zu verschiedenen Lagervarianten und Materialien durchgeführt werden. Ziel ist es, die Güte des Schätzsignals zu verbessern sowie Einflussfaktoren auf das Schätzsignal durch Verwendung verschiedener Materialien zu bestimmen. Neben den mechanischen Komponenten kann auch das Schätzverfahren untersucht und Parameter angepasst werden, um das Schätzsignal zu verbessern. Durch die vorhandenen Vergleichssensoren können zudem neue Regelungsansätze sowohl für konventionelle Lager als auch für selbstsensierende Lager erprobt werden.

  • Entwicklung selbstsensierender Magnetlager, KoREV
  • Verbesserung der Genauigkeit des Positionsschätzsignals, KoREV II
Spindel
Rotor Material Vergütungsstahl
Durchmesser 65 mm
Länge 408 mm
Radiallager Materialien M270-35A
NO10
NO20
Lagervarianten Differenzwicklung
Differenzansteuerung
Maximalkraft 150 N
Maximalstrom 6 A
Lagerluftspalt 0,5 mm
Axiallager Lagervariante Zweiseitiges Reluktanzlager
Materialien Vergütungsstahl
SMC (soft-magnetic-composite)
Maximalkraft 160 N
Maximalstrom 6 A
Lagerluftspalt 0,5 mm
Motor Variante Permanenterregter Synchronmotor
Hersteller ATE
ATE DC 90/20/4
Max Drehmoment 0,3 Nm
Max Drehzahl 16.000 U/min
Umrichter Sieb & Meyer SD2S
Magnetlagerverstärker
FPGA Hersteller National Instruments
Typ NI USB-7856R OEM
Taktfrequenz 160 MHz
Analoge Ein-/Ausgänge 8
Digitale Ein-/Ausgänge 48
Signalerfassung Analog-Digital-Wandler 12
Auflösung 18 bit
Max. Abtastfrequenz 1 MHz
Leistungsendstufe Anzahl Module 5
Zwischenkreisspannung 18 V – 72 V
Max. Ausgangsspannung 2 A
Anzahl Leistungsverstärker je Modul 2
Schaltfrequenz 20 kHz
Systemsoftware LabVIEW
Positionssensoren Hersteller Balluf
Typ BAW0052
Messprinzip Induktiv
Messbereich 0,5 mm – 2 mm
Ausgangsspannung 0 V – 10 V
Max Temperatur 60 °C
Stromsensoren Hersteller SENSITEC
Typ CMS3005
Messsprinzip Anisotroper magnetoresistiver Effekt
Messbereich -20 A – 20 A
Bandbreite 2 MHz
Ausgangsspannung -10 V – 10 V
Temperaturbereich -40 °C – 105 °C
Signaltransformator Windungszahl Primärspule 24
Windungszahl Sekundärspule 36
Induktivität Primärspule 80 μH
Relative Induktivitätsänderung Primärspule 0,5%
Kerntyp und Material PQ32/20 aus N87
Luftspalt Kernmitte 1,4 mm