In dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, durch die Messung magnetischer Streuflüsse und unter Berücksichtigung der durch die Steuerströme hervorgerufenen Durchflutung, auf die Position des Rotors im Magnetlager zu schließen. Die Streuflüsse werden in der Regel vernachlässigt, stehen aber im unmittelbaren Zusammenhang zur Luftspaltlänge, wie theoretische Betrachtungen zeigen. Anhand von analytischen und numerischen Modellen, welche durch Messungen verifiziert werden, ist eine Linearisierung und Kompensation des Einflusses der Durchflutung möglich. Auf dieser Basis wird ein Messsystem entwickelt, mit dem die streuflussbasierte Positionsregelung eines Testlagers realisiert wird. Hierfür kommen Hall-Sensoren zum Einsatz, die auf Leiterplatten sitzen, welche anstelle der konventionellen Nutverschlüsse in das Magnetlager eingebracht werden. Aufgrund der direkten Nähe der Sensoren zu den Lagerspulen und der gepulsten Steuerströme weisen die Messsignale jedoch ein erhebliches Rauschen auf. Um dem entgegenzuwirken, kommt ein Kalman-Filter zum Einsatz, mit dem eine deutliche Verbesserung der Signalqualität erreicht werden kann.:Verzeichnis der Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen vii 1 Einleitung 1 1.1 Exkurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Systematik magnetischer Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Sensoren für Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Sensorlose Magnetlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Motivation und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.1 Motivation und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.2 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Theoretische Betrachtungen zu magnetischen Streuflüssen 17 2.1 Magnetische Streuflüsse in Magnetlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.1 Heteropolarlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Homopolarlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.3 Dreischenkliges Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Verallgemeinertes Reluktanzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Zusammenhang zwischen Luftspaltlänge und Streuflussdichte . . . . . . . . 28 2.3.1 Intrapolarer Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.2 Interpolarer Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4 Betrachtung der magnetischen Streuflüsse mit Hilfe numerischer Rechnungen 33 2.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3 Magnetische Streuflüsse im realen Magnetlager 39 3.1 Auswahl eines geeigneten Lagertyps und möglicher Messpositionen . . . . . 39 3.1.1 Streuflüsse bei Rotorverschiebung entlang der x- und y-Achse . . . . 41 3.1.2 Streuflüsse bei Rotorverschiebung entlang der a- und b-Achse . . . . 43 3.1.3 Änderung der Streuflüsse bei Querverschiebung des Rotors . . . . . 45 3.2 Nutzbarkeit der intra- und interpolaren Streuflüsse als Lagemesssystem . . 48 3.3 Vergleich gemessener und berechneter Streuflusswerte . . . . . . . . . . . . 52 3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 Realisierung des Messsystems 57 4.1 Erstellung von Kennfeldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 v Inhaltsverzeichnis 4.3 Messsystem zur Messung der magnetischen Streuflussdichte . . . . . . . . . 60 4.3.1 Auswahl geeigneter Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.2 Sensordesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.3 Kalibrierung der Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4 Statische und dynamische Eigenschaften des streuflussbasierten Messsystems 69 4.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 Betrachtungen zur Verbesserung der Signalqualität 75 5.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1.1 Übertragungsverhalten der Messsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.1.2 Elektromagnetisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1.3 Mechanisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.1.4 Modellierung variabler Induktivitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1.5 Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.2 Kalman-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6 Zusammenfassung und Ausblick 115 6.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A Mathematische Überlegungen zu Streuflussfunktionen 121 A.1 Grenzwerte für den intrapolaren Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A.2 Anstieg intrapolare Streuflussfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 A.3 Maximum des interpolaren Streuflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 B Tabellen 127 B.1 Gemessene Streuflüsse an verschiedenen Rotorpositionen und unterschiedlichen resultierenden Steuerströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 B.2 Ströme und Positionen nach Streuflussmesswerten sortiert . . . . . . . . . . 128 C Schaltpläne, technische Zeichnungen und Blockschaltbilder 129 C.1 Schaltplan Streuflusssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 C.2 Kalibrierschaltung des Messkonverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 C.3 Beispielgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 C.4 Magnetlagerrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 C.5 Blockschaltbild des Modells eines Stromrichters . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Literaturverzeichnis 133 Thesen 141 / In this work, the possibility of inferring the position of the rotor in magnetic bearings by measuring magnetic leakage fluxes is investigated. These are usually neglected, but are directly related to the air gap length, as theoretical considerations show. In addition, the magnetic flux caused by the control currents must be taken into account. By means of analytical and numerical models, which are verified by measurements, a linearization and compensation of the influence of the magnetic flux is possible. Based on this, a measurement system is developed to realize a flux leakage-based position control of a test bearing. For this purpose, Hall-sensors are used, which are located on printed circuit boards that are inserted into the magnetic bearing instead of the conventional slot locks. However, due to the direct proximity of the sensors to the bearing coils and the pulsed control currents, the measurement signals exhibit considerable noise. To counteract this, a Kalman-filter is used to achieve a significant improvement in signal quality.:Verzeichnis der Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen vii 1 Einleitung 1 1.1 Exkurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Systematik magnetischer Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Sensoren für Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Sensorlose Magnetlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Motivation und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.1 Motivation und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.2 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Theoretische Betrachtungen zu magnetischen Streuflüssen 17 2.1 Magnetische Streuflüsse in Magnetlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.1 Heteropolarlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Homopolarlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.3 Dreischenkliges Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Verallgemeinertes Reluktanzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Zusammenhang zwischen Luftspaltlänge und Streuflussdichte . . . . . . . . 28 2.3.1 Intrapolarer Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.2 Interpolarer Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4 Betrachtung der magnetischen Streuflüsse mit Hilfe numerischer Rechnungen 33 2.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3 Magnetische Streuflüsse im realen Magnetlager 39 3.1 Auswahl eines geeigneten Lagertyps und möglicher Messpositionen . . . . . 39 3.1.1 Streuflüsse bei Rotorverschiebung entlang der x- und y-Achse . . . . 41 3.1.2 Streuflüsse bei Rotorverschiebung entlang der a- und b-Achse . . . . 43 3.1.3 Änderung der Streuflüsse bei Querverschiebung des Rotors . . . . . 45 3.2 Nutzbarkeit der intra- und interpolaren Streuflüsse als Lagemesssystem . . 48 3.3 Vergleich gemessener und berechneter Streuflusswerte . . . . . . . . . . . . 52 3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 Realisierung des Messsystems 57 4.1 Erstellung von Kennfeldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 v Inhaltsverzeichnis 4.3 Messsystem zur Messung der magnetischen Streuflussdichte . . . . . . . . . 60 4.3.1 Auswahl geeigneter Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.2 Sensordesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.3 Kalibrierung der Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4 Statische und dynamische Eigenschaften des streuflussbasierten Messsystems 69 4.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 Betrachtungen zur Verbesserung der Signalqualität 75 5.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1.1 Übertragungsverhalten der Messsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.1.2 Elektromagnetisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1.3 Mechanisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.1.4 Modellierung variabler Induktivitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1.5 Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.2 Kalman-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6 Zusammenfassung und Ausblick 115 6.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A Mathematische Überlegungen zu Streuflussfunktionen 121 A.1 Grenzwerte für den intrapolaren Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A.2 Anstieg intrapolare Streuflussfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 A.3 Maximum des interpolaren Streuflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 B Tabellen 127 B.1 Gemessene Streuflüsse an verschiedenen Rotorpositionen und unterschiedlichen resultierenden Steuerströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 B.2 Ströme und Positionen nach Streuflussmesswerten sortiert . . . . . . . . . . 128 C Schaltpläne, technische Zeichnungen und Blockschaltbilder 129 C.1 Schaltplan Streuflusssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 C.2 Kalibrierschaltung des Messkonverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 C.3 Beispielgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 C.4 Magnetlagerrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 C.5 Blockschaltbild des Modells eines Stromrichters . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Literaturverzeichnis 133 Thesen 141