In Vakuumanwendungen, wie Molekularpumpen oder Schwungradenergiespeichern, treffen oftmals hohe Drehzahlen auf schwierige Kühlbedingungen. Es besteht daher der Bedarf nach aktiven Magnetlagern mit einem besonders geringem Leistungsbedarf sowie geringen Ummagnetisierungsverlusten im Rotor. Die zur Verlustminimierung prädestinierten Pulververbundwerkstoffe (SMC - Soft Magnetic Composites) finden aufgrund ihrer geringen mechanischen Festigkeit bisher keine Anwendung in industriellen Hochgeschwindigkeitsanwendungen. In diesem Artikel wird das DFG-Projekt „Verlustarme magnetische Radial-/Axiallagerung unter Verwendung von Pulververbundwerkstoffen“ zusammengefasst sowie abschließend der experimentelle Nachweis erbracht, dass die neu entwickelte dreipolige Lagerstruktur mit kombiniertem Radial- und Axiallager den Einsatz von SMC auch bei Drehzahlen von bis zu 30 000 U/min erlaubt. Eine Projizierung der Messergebnisse auf verlustoptimierte industrielle SMC-Sorten verspricht zudem ein Reduzierungspotential der Ummagnetisierungsverluste von mindestens 23 – 44%, wobei insbesondere kompakte und hochausgenutzte Geometrien im Vorteil sind.

Der lagerlose reluktante Rotations-Linear-Motor (BRLRM) ermöglicht die aktive Kontrolle eines schwebenden ferromagnetischen Rotors in allen 6 Bewegungs-Freiheitsgraden. Durch eine zweidimensionale Rotorverzahnung sind axiale Verschiebungen und Verdrehungen über beliebig lange Verfahrwege möglich. Es lassen sich zwei Verzahnungsarten unterscheiden, deren Krafterzeugung theoretisch modelliert und analysiert wird. Für eine Grundbauform aus zwei Statoren, deren gegenüberliegende Pole gleichartigen Versatz zur Rotorverzahnung aufweisen, erfolgt für beide Verzahnungsarten der Nachweis der Steuerbarkeit. Für den jeweiligen Fall ist eine Mindestanzahl an Polpaaren nötig. Die Versetzungen der Verzahnungen müssen Steuerbarkeitsbedingungen erfüllen. Die optimalen Versetzungsanordnungen, welche diese erfüllen, werden mit Hilfe eines speziell entwickelten Algorithmus ermittelt. Für ausgewählte Motorbauformen erfolgt eine Analyse der theoretisch erreichbaren Gesamtkräfte des Motors. Der Betrieb des BRLRM erfordert ein 6-Achs-Lagemesssystem, wofür eine differenzielle kapazitive Sensoranordnung und Auswerteelektronik entwickelt werden. Ein messtechnischer Nachweis zeigt, dass damit eine wirksame Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen möglich ist. Für die Lageregelung wird eine einfache Struktur vorgestellt sowie ein effizienter Algorithmus zur Ermittlung der Sollströme entwickelt. Zu einer ausgewählten Motorbauform wird ein Versuchsstand entwickelt und aufgebaut. Durch analytische Betrachtungen, numerische Simulationen und Messungen erfolgt der Nachweis der Stabilität des Gesamtsystems. Mittels Simulationen sowie mit Messungen am Versuchsaufbau werden das dynamische Verhalten des BRLRM charakterisiert sowie einige theoretische Aspekte verifiziert. Ein Schwerpunkt ist die Betrachtung von Verkopplungseffekten aufgrund von Nichtlinearitäten und parasitären Effekten des Lagemesssystems. / The bearingless rotary linear reluctance motor (BRLRM) enables active control of a levitating ferromagnetic rotor in all 6 degrees of freedom of movement. Two-dimensional rotor toothing allows axial translation and rotation over any length of travel. Two types of toothing can be distinguished, and their force generation is theoretically modelled and analysed. For a basic design consisting of two stators, where the opposite poles have the same offset with respect to the rotor toothing, the controllability is verified for both types of toothing. A minimum number of pole pairs is required for each case. The offsets of the toothings must fulfil controllability conditions. The optimal offset arrangements that fulfil these conditions are determined using a specially developed algorithm. For several motor designs, an analysis of the theoretically achievable total forces of the motor is carried out. The operation of the BRLRM requires a 6-axis position measurement system, for which a differential capacitive sensor configuration and evaluation electronics are developed. A metrological proof shows that an effective suppression of electromagnetic disturbances is achieved. A simplified structure is presented for the position control and an efficient algorithm is developed for determining the setpoint currents. An experimental setup is constructed and built for a selected motor design. Analytical considerations, numerical simulations as well as measurements are used to prove the stability of the overall system. The dynamic behaviour of the BRLRM is characterised and some theoretical aspects are verified using simulations and measurements on the experimental setup. One focus is on the consideration of coupling effects due to non-linearities and parasitic effects of the position measurement system.

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Twist plays an important role to impart tensile strength in yarn during the spinning process. In the most widely used ring-spinning machine for short staple yarn production, a combination of ring and traveler is used for inserting twist and winding the yarn on cops. The main limitation of this twisting mechanism is the friction between the ring and traveler, which generates heat at higher speed and limits the productivity. This limitation can be overcome by the implementation of a magnetic bearing system based on superconducting technology, which replaces completely the existing ring/traveler system of the ring-spinning machine. This superconducting magnet bearing consists of a circular superconductor and permanent magnet ring. After cooling the superconductor below its transition temperature, the permanent magnet ring levitates and is free to rotate above the superconductor ring according to the principles of superconducting levitation and pinning. Thus the superconducting magnetic bearing (SMB) ensures a friction-free operation during spinning and allows one to increase spindle speed and productivity drastically. The yarn properties using the SMB system have also been investigated and they remain nearly identical to those of conventional ring yarns.

The fundamental research work about the superconducting magnetic bearing (SMB) twisting system provides huge potential to eliminate the most important limitation of productivity, that is, the friction in the ring traveler system of the existing ring spinning process. As a continuity of the research work, the functionality of the SMB spinning has been carried out with different angular spindle speeds, yarn counts, and materials in order to determine the influence of the SMB technology. The current paper presents a comparative investigation of the yarn properties, such as yarn tenacity, yarn elongation, yarn evenness, microscopic views, etc., between conventional and SMB ring spun yarn. The intensive analysis confirms that the SMB system enables one to produce satisfactory yarn quality similar to that of conventional ring spun yarn up to 15,000 rpm. The influence of conventional and SMB spinning processes on yarn properties has been further analyzed statistically using an analysis of variance.

zweimal im Jahr erscheinende Zeitschrift über aktuelle Themen der TU Chemnitz, ergänzt von Sonderheft(en)

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