Josef Passenbrunner,
"Beiträge zur Berechnung und Optimierung passiv magnetisch gelagerter Rotorsysteme"
, 4-2021
Original Titel:
Beiträge zur Berechnung und Optimierung passiv magnetisch gelagerter Rotorsysteme
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
Der Anwendungsbereich von rotierenden Systemen ist heutzutage enorm. Generell sind diese Systeme konventionell über Kugellager oder Gleitlager gelagert. Diese weisen jedoch Nachteile in der Verwendung von Schmiermitteln, dem Auftreten von Reibung und den dadurch entstehenden Abrieb auf. Die Magnetlagertechnik ist ein relativ junges Forschungsgebiet und findet meist Verwendung in Bereichen wo hohe Reinheit oder hohe Drehzahlen gefordert sind, wie z.B. in der Vacuumtechnologie als Turbomolekularpumpen oder auch in der Medizintechnik in Blutpumpen. Basierend auf den relativ hohen Kosten dieser Technologie ist ein kommerzieller Einsatz schwierig. Durch die Verwendung von passiv magnetgelagerten Systemen können die Komplexität und dadurch die Systemkosten reduziert werden, wodurch das Anwendungsgebiet erweitert werden kann. Problematisch in der Anwendung von passiven Magnetlagern ist die geringe Dämpfung. Diese muss über externe Dämpfungsmethoden in das System eingebracht werden. Als kostengünstiges Dämpfungsmedium bieten sich Elastomere an, welche jedoch ein sehr temperatur- und frequenzabhängiges Verhalten aufweisen. Für die Systembetrachtung werden zuerst die Eigenschaften und Bauformen permanentmagnetischer
Ringlager zusammengefasst. Eine allgemeine Betrachtung der Systemoptimierung, basierend auf einem analytischen Ansatz, veranschaulicht die
generellen Zusammenhänge des gewählten Dämpfungskonzepts. Den Hauptteil dieses Kapitels bildet jedoch die Beschreibung und Modellierung des Verhaltens viskoelastischer Materialien, basierend auf den theoretischen Ansätzen und deren Verifikation anhand messtechnisch ermittelter Werte.
Da bei passiv magnetgelagerten Systemen im Design die Dynamik festgelegt wird und diese später nicht mehr beeinflusst werden kann, beschäftigt sich ein weiterer Punkt der Arbeit mit der Beschreibung und Herleitung der Systemdynamik. Beginnend mit der Beschreibung des Systems über seine Bewegungsgleichungen, unter Berücksichtigung elastischer Effekte, wird die Einbindung des frequenzabhängigen Verhaltens der viskoelastischen Dämpfungselemente vorgenommen. Das dadurch entstehende Modell kann schlussendlich für die Bewertung der Systembewegungen herangezogen werden. Grundsätzlich können nicht alle Freiheitsgrade eines Systems passiv gelagert werden. Zumindest ein Freiheitsgrad muss aktiv stabilisiert werden. Dies erfordert eine Positionsmessung als Rückkopplung für die Regelung und stellt für aktiv magnetgelagerte Freiheitsgrade eine essentielle Komponente dar. Kommerzielle Wegmesssysteme, welche der erforderlichen Genauigkeit genügen, sind meist sehr teuer und stehen dem Gedanken der Kostenminimierung entgegen. Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit bildet daher die Entwicklung und Untersuchung eines "low-cost? Sensorsystems auf Basis von Wirbelströmen. Ausgehend von der Beschreibung des allgemeinen Sensorprinzips, basierend auf einer Oszillatorschaltung, wird das angewandte Demodulationsverfahren beschrieben und auf die Möglichkeiten der Signalverarbeitung eingegangen. Eine analytische Untersuchung der Funktionsgrenzen und die Betrachtung des Sensorverhaltens, durch gekoppelte elektromagnetische und schaltungsbezogene Simulationen, geben Aufschluss über das Verhalten des Sensorsystems und ermöglichen ein optimierte Auslegung. Die Betrachtung der grundlegenden Aspekte des Systementwurfs und die Verifikation des entwickelten Modells, anhand eines optimierten Funktionsmusters, bilden den Abschluss der Arbeit. Hierbei zeigt sich, trotz sehr komplexem Systemverhaltens, eine hinreichend genaue Vorhersagbarkeit der Bewegungen des magnetgelagerten Systems durch das vorgestellte dynamische Modell.
Forschungs-