Aktive verlustarme Magnetlager hoher Steifigkeit und Präzision mit integrierter Induktionsmessung und schneller Leistungselektronik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wilfried Hofmann; Professor Dr. Oliver G. Schmidt; Professor Dr.-Ing. Thomas Zerna
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 221322256

Aktive Magnetlager verzeichnen aufgrund der Berührungsfreiheit mit einstellbarer Positionierungsmöglichkeit allgemein und speziell in der Fertigungstechnik eine wachsende Akzeptanz. Die vergleichsweise geringe Steifigkeit führt bei hochgenauen Positionierungs- und Präzisionsbearbeitungsanforderungen zu Einschränkungen. Zur Verbesserung der dynamischen Steifigkeit und der Präzision der Rotorpositionierung aktiver Magnetlager wurden mehrfach flussbasierte Regelstrategien vorgeschlagen. Dabei besteht für einen Großteil der magnetgelagerten Antriebe die Schwierigkeit, konventionelle Magnetfeldsensoren in den kleinen Luftspalten von typischerweise 500 Mikrometer zu integrieren. Extrem dünne Sensorelemente zur Flussdichtemessung mit höchsten Zuverlässigkeits- und Lebensdaueranforderungen gilt es zu realisieren. Im Rahmen des Projekts werden flexibel verformbare Bismut-Hall-Sensoren mit einer Gesamtbauhöhe < 150 Mikrometer entwickelt und deren Leistungsfähigkeit zur Messung zeitveränderlicher Magnetfelder untersucht. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse werden direkt genutzt, um ein Demonstrationslager mit Hilfe der integrierten Flussdichtesensorik flussbasiert geregelt zu betreiben. Die präzise Rotorpositionierung erfordert einerseits bei permanentmagnetisch vormagnetisierten Lagern schnell schaltende Vollbrücken zur Regelung geringer Steuerströme, und andererseits ebenso eine hohe Pulsfrequenz, um ein Brückenfrequenzmesssystem zur Rotorpositionserfassung hoher Dynamik zu betreiben zu können. Dazu wird der Ansatz eines schnell schaltenden Leistungsstellers auf Basis von Gallium-Nitrid-Bauelementen (GaN) mit sehr kurzen Totzeiten und deutlich reduzierten Durchlassverlusten für aktive Magnetlager verfolgt, um eine Regelung der magnetischen Flussdichte bzw. des Steuerstroms höherer Güte mit Pulsfrequenzen von bis 50 kHz zu realisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Manfred Albrecht; Professor Dr.-Ing. Martin Kaltenbrunner; Dr.-Ing. Michael Löser; Dr. Denys Makarov