Aktive Lagerung

Die Verwendung von Aktoren bietet die Möglichkeit, manuelle Tätigkeiten zu automatisieren und passive Mechanismen zu elektrifizieren. Hierdurch kann beispielsweise die Effizienz der Anwendung erhöht bzw. emittierter Lärm verringert werden. Im Fokus unserer Gruppe steht das Gesamtsystemverständnis, um aktuierte Systeme zu entwickeln, deren Leistungsfähigkeit weit über die von rein passiven Systemen hinausgeht.

Ein Teilbereich dieser Forschung stellt die effiziente Integration von Aktoren unter Einbeziehung des Wissens über das passive System dar. Wenn aktive Maßnahmen bereits am Anfang der Produktentwicklung berücksichtigt werden, besitzen diese nicht nur das Potential die passiven Maßnahmen zu ersetzen, sondern erlauben insgesamt auch einen besseren Betrieb des Gesamtsystems. Dies kann sich beispielsweise auf Kosten, Gewicht und Effizienz beziehen: Einerseits entfallen die passiven Maßnahmen und andererseits erfüllen die aktiven Ansätze ihre Aufgaben effektiv, so dass geringere Anforderungen an die Auslegung des passiven Grundsystems entstehen.

Bei der Entwicklung des aktiven Gesamtsystems ist das Verständnis über das passive Grundsystem von entscheidender Bedeutung, um eine optimale Lösung für ein spezifisches Problem zu generieren. Daher beschäftigt sich die Forschungsgruppe neben den aktiven Maßnahmen mit übergeordneten Grundlagenfragen, um ein tieferes Systemverständnis zu erlangen. Hierunter zählt beispielsweise die allgemeine Beschreibung von Schwingungen und Anregungsmechanismen in Getrieben und Rotoren sowie die Auswirkung auf deren Tragfähigkeit. Durch das gezielte Einbeziehen des gewonnen Gesamtsystemverständnisses in den Entwicklungsprozess kann ein effizienteres und leistungsfähigeres System erhalten werden.

Piezolager

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.