EP2929197A1 - Lager- und antriebs-system - Google Patents

Lager- und antriebs-system

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Publication number
EP2929197A1
EP2929197A1 EP13811762.7A EP13811762A EP2929197A1 EP 2929197 A1 EP2929197 A1 EP 2929197A1 EP 13811762 A EP13811762 A EP 13811762A EP 2929197 A1 EP2929197 A1 EP 2929197A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bearing
control
drive system
rotor
machine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13811762.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Schulz
Harald Sima
Thomas HINTERDORFER
Johann Wassermann
Manfred Neumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
Publication of EP2929197A1 publication Critical patent/EP2929197A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0442—Active magnetic bearings with devices affected by abnormal, undesired or non-standard conditions such as shock-load, power outage, start-up or touchdown
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0489—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of five degrees of freedom, e.g. two radial magnetic bearings combined with an axial bearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0493—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor
    • F16C32/0497—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor generating torque and radial force
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2361/00—Apparatus or articles in engineering in general
    • F16C2361/55—Flywheel systems

Definitions

  • the invention relates to a storage and drive system with at least one electric machine including control, wherein the bearing force of the respective storage degree of freedom
  • Machine can be actively influenced, and with a non-contact, actively influenced storage including control.
  • Phase currents and a special control in addition to the drive torque can generate radial and / or axial bearing forces are used to dispense with a dedicated radial or axial magnetic bearing can.
  • the invention provides a storage and drive system as stated above, which is characterized in that the control of the machine has two operating modes, one of which operating mode minimizing the force influences of the electric machine on the respective Lagerissersgrade and the other operating ⁇ mode an active bearing force generation of the electrical
  • Machine (s) for bearing support causes, and that a detection and switching unit for switching between the two operating modes in case of exceeding or falling below a pregiven ⁇ limit value of at least one operating parameter is provided, with a control or control unit for the machine and the storage is connected.
  • Switching unit for detecting a deviation of the rotor or armature of the machine from a geometric center position
  • control or control unit provides an asymmetrical energization of the coils of the machine based on a stored map or model together with observers.
  • the deflection and / or the deflection speed of the rotor or armature and / or the acceleration of the housing of the machine are predetermined as operating parameters.
  • It can in principle be an operating parameter alone or else a weighted combination of several operating parameters when a predetermined or undershot value is exceeded
  • Switching unit (52 ⁇ , 52 ") is set up, the switching of the operating mode in the case of multiple operating parameters based on a weighted combination of operating parameters.
  • electrical machines is maximized; when the electric machines by means of the power distribution device be controlled in such a way that the overall efficiency of the electrical machines including control is maximized; or when the electrical machines are driven by the power sharing means to minimize the operating temperature of power converters driving the electrical machines.
  • Machine housing can be minimized.
  • the present system can rotatory or
  • the system is particularly advantageous if it is designed with a flywheel energy storage system (Flywheel Energy Storage System-FESS).
  • the invention enables optimal in terms of overall efficiency and storage precision with maximum immunity to power operation of systems that have at least one electric machine together with control and a non-contact, actively influenced storage including control, with an increase in the total energy efficiency of the storage and drive system by means of an automatic Detection and switching unit in conjunction with a control or
  • (automatic) detection and switching unit is to be understood generally and should not only refer to specific switches, but also others
  • Realizations e.g. include software solutions, fuzzy control solutions, etc.
  • the electric machine together with control is designed in such a way that an active influence on the bearing force of the
  • Control unit determine the operating mode - depending on the current operating point or condition of the storage and drive system - at least the electrical machine (s) in terms of "free of force” and “bearing force generating”; in the presence of a plurality of electrical machines, these units dictate the take-up power distribution between these electric machines. As switching condition, the deviation of the structure (rotor or armature) from the
  • the operating mode "force-free” causes energization of the individual coils of the electric machine (s) in such a way that the forces of the electric machine (s) are minimized despite deflection of the rotor from the geometric center position in the direction of the respective bearing degrees of freedom rotary bearing and drive system in its inertial main axis without
  • Another operating mode causes an active if necessary
  • Disturbance force rise rates possible without the additional use of the electric machine (s) as a bearing support would lead to strong deviations of the structure of the respective target position, or it is a weaker dimensioning of the dedicated storage possible, which in turn has lower losses.
  • the switching between the different modes of operation may, depending on the operating state of the storage and drive system, e.g. be accomplished as follows:
  • Switching unit and the control unit are carried out so that a power split between several electric machines. This can e.g. be executed with a higher-level separate controller module or with an integrated into the drive control module, which the manipulated variable as a function of
  • Pulse width The ratio of required output power to output power with maximum
  • Pulse width P e iS y S tem /
  • the division of the intake / delivery performance of the individual machines acting in the system is such that the sum total of the best possible
  • the function ⁇ ( ⁇ ⁇ ) can be adapted, for example, by a polynomial or by splines to measured curves or to simulation results, whereby the optimization can be carried out online.
  • the power sharing in advance can be adapted, for example, by a polynomial or by splines to measured curves or to simulation results, whereby the optimization can be carried out online.
  • a bearing function / bearing support of the drive with respect to the forces acting on the center of gravity requires the use of at least one storable electric machine which is arranged as close as possible to the center of gravity or optimally in the center of gravity.
  • the target position or the target orbit can either be in
  • a higher-level controller Pre-determined or predetermined by a higher-level controller.
  • This superordinate controller searches for a setpoint position or the desired orbit, which in sum the least required currents in the radial bearings and the / the electrical machine (s) results.
  • the currents of bearings and electrical machines can be detected for each operating point and the desired position or the target orbit can be found by means of minimization algorithm. For example, this small changes in the desired position or the target orbit can be performed, and the resulting change in the sum of the average currents can be used to optimize for each operating point.
  • Fig. 1 is a block diagram of a rotary bearing
  • FIG. 2 shows a block diagram of a unit for digital regulation and power electronics for the system according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows in a schematic cross section as an example a switched reluctance motor (SRM) with six stator poles and four rotor poles (short: 6/4 SRM), as provided in the system according to FIGS. 1 and 2;
  • SRM switched reluctance motor
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view similar to FIG. 3 showing the structure of an active radial magnetic bearing;
  • FIG. 5 shows an exemplary circuit diagram of a 2-quadrant converter of a DC link for controlling the SRM and magnetic coil coils;
  • Fig. 6 is a block diagram of a SRM phase control and energization unit as may be used in the machine control and drive of Fig. 7;
  • FIG. 7 is a block diagram of a machine control and control unit as shown in the digital control and power electronics unit of FIG. 2
  • Fig. 8 is a block diagram of a unit for the
  • Axialmagnetlager-control and -An suedung, as it can be used in the digital control and power electronics of FIG. 2;
  • FIG. 11 shows a force diagram comparable to FIG. 10, but at a constant one in contrast to FIG.
  • 12 is a diagram showing the required current correction A / 0 for various desired currents in order to achieve a force-free operation
  • 13 is a graph showing the force / current dependency of an exemplary SRM
  • Figure 14 is a schematic of a FESS similar to Figure 1, but in outer rotor design, with a conical magnetic bearing;
  • Fig. 15 is a block diagram of a unit for controlling and driving a conical magnetic bearing as shown in Fig. 14, wherein the illustration in Fig. 15 is similar to that in Figs. 6 and 7;
  • Fig. 16 is a diagram similar to that of Fig. 1, but now for a system with two switched reluctance motors;
  • 17 is a diagram illustrating the efficiency ⁇ of a switched reluctance motor as a function of the electric power P;
  • FIG. 18 shows a schematic view in axial section of an arrangement with a shaft which is radially supported at its upper end and lower end by means of active air bearings;
  • 19 is a perspective view of a magnetic
  • FIG. 20 shows an axial diagram of this linear drive according to FIG. 19, which is based on the reductant principle
  • FIGS. 19 and 20 are diagrams of a digital control and power electronics unit of FIGS. 19 and 20
  • FIG. 1 is shown schematically as an example of a rotary bearing and drive system 1, specifically in the form of a FESS 1 with active magnetic bearing and with an electric machine 2 in the form of an SRM motor 2, is shown.
  • the engine 2 together flywheel 3 is mounted within a container 4.
  • the shaft 5 carrying the flywheel 3, ie the rotor 5, is mounted at both ends in a respective radial active magnetic bearing 6, 7, which together define a non-contact, actively influenceable bearing 6-7 for the rotor 5.
  • Thrust bearing 9 Thrust bearing 9
  • a radial position sensor 10 and a
  • Stator carrier sleeve 12 and 13 illustrated. Moreover, usual fishing camps 14 and 15 are shown.
  • the Axialmagnetlagerung 8, 9 is also an active, non-contact storage.
  • downstream analog / digital converter 20 is provided.
  • the calculation and provision of the required currents is performed in the digital control and power electronics unit 17.
  • sensor signals concerning positions, Rotor angle, rotor speed and temperature of the unit 16 supplied from the machine part.
  • the flywheel 3 drives the rotor 5 and thus loads the system 1.
  • the radial electromagnet bearings 6, 7 and the two axial bearings 8, 9 are mounted in the upper and lower carrier sleeves 12, 13.
  • the fishing camp 14 is a mechanical bearing that at a
  • the flywheel 3 runs inside the evacuated housing 4; this housing 4 further serves as a carrier for the various sensors, such as
  • the radial and axial position sensors 10, 11 for example, the radial and axial position sensors 10, 11; on the representation of other conventional per se sensors, such as for the rotor speed, the rotor angle and the
  • Rotor 5 the electric machine 2 lead, whereby this generates additional forces in conventional energization, which in turn must be compensated by the magnetic bearings 6, 7, whereby their energy consumption would increase again.
  • the invention enables an operating mode of the electric machine 2 to minimize these forces, whereby the efficiency of the magnetic bearings 6, 7 increases and a longer storage period can be achieved.
  • the switched reluctance motor (SRM) 2 has, as shown in FIG. 3, a stator 25 to which coils are mounted, and the rotor 5, which has pronounced poles.
  • Fig. 3 shows an SRM 2 with six stator and four rotor poles. Due to the rotor shape, an angular dependence of the magnetic resistance (the reluctance) arises because the air gap changes with the angle of rotation of the rotor 5.
  • Coils la, lb; 2a, 2b; 3a, 3b an excitation field can thus be generated, which the rotor 5 follows synchronously, since this aims at an angular position having a minimal reluctance.
  • This 2-quadrant converter 26 has a left and a right half bridge 27 and 28, each with a diode D and a transistor T.
  • the converter 26 supplies a load 29 which is a coil of the electric motor 2 or the magnetic bearings 6, 7.
  • the transistors T are driven by a pulse width modulation (PWM) (not illustrated in detail in FIG. 5).
  • PWM pulse width modulation
  • Rotor speed (by bar marks on the rotor and optical detection or by tooth profile and eddy current sensor or inductive sensor)
  • Rotor angle position ⁇ (either via absolute encoders, for example based on the Hall principle, or incrementally from the speed signal). With incremental acquisition, the current angular position is calculated
  • DSP Signal processor
  • ⁇ micro-controller
  • the actuator i. the respective bearing, e.g. 6, is designed as a Y-arrangement (three electromagnets with separate flux density paths in 120 ° pitch, see FIG. 4), which is the minimum number of electromagnets for the
  • Fig. 4 shows by way of example a structure of a radial active magnetic bearing, e.g. It consists of a rotor, namely the rotor 5, and a stator 31, which in turn is constructed with three electromagnets. On each electromagnet, a coil (coil 6.1, coil 6.2 and coil 6.3) is mounted, which over both
  • the scheme operates according to, for example, Betschon F.: Design Principles of Integrated Magnetic Bearings, Diss. ETH No. 13643, Dissertation, ETH Zurich, 2000; or Schweitzer G., Maslen E.H .: Magnetic Bearings Theory, Design and Application to Rotating Machinery, Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 2009; described "unbalance control", which rotates the rotor 5 in its inertial main axis, whereby the
  • filter 32 with adaptive coefficients (see Fig. 8) is used to filter the portion of the position sensor signal caused by the imbalance of the rotor 5, whereby the
  • Downstream position controller 33 here designed as a simple digitally implemented PID controller, not on the Deviation due to imbalance reacts, but only on the remaining signal component.
  • the static zero position is determined by the integral part of a superordinate controller 71, which is the middle one
  • Unbalance proportion reduced position sensor signal used, but the actual signal (actual position), whereby the rotor 5, as well as possible with the available bearing forces and the control, in the target position (here: center position) is brought.
  • the position controller 33 calculates a desired force in the x and y directions.
  • the desired current of each of the three electromagnets of the respective radial bearing actuator (6 or 7) is determined by interpolation from a map (s.
  • Block 34 in Fig. 8 "map" lAMBij, is intended to determine (F x , AMBij ⁇ F y AMB ij, s X A M Bij ⁇ s y, AMBij))
  • the target current of each electromagnet is dependent on the rotor displacement and The required currents are stored by means of
  • subordinate current regulators 56 which may be designed as a proportional controller for simplicity, signal limiters 57, pulse width modulators 58 and 2-quadrant converters 26 (see Fig. 5) in the individual coils of the actuator 6 and 7 embossed.
  • the coil currents are measured by means of current sensors and fed to the regulators digitized.
  • the electric machine 2 also has two operating modes
  • FIG. 6 shows the control concept of one phase of the SRM 2.
  • the SRM phase control and control 35 are shown in detail in Fig. 6.
  • the controller specifications are indicated by a higher-level controller 50, which is shown in FIG shown in Fig. 7.
  • the current correction ⁇ ⁇ is calculated in a unit 36, which is added or subtracted from the desired current IsRMij, soii the switch-on and switch-off angle ⁇ o or 6 0 are determined by the setpoint power PsRMij, which is likewise predetermined by the higher-order controller 50 (see FIG.
  • the target power is determined by an angular velocity (w) -dependent map in
  • a switching logic 38 then specifies whether the respective phase is to be energized if the current angle is within the on and off angle.
  • the current control error e SRM jj a of the coil yes and e SRM jjb the coil jb (with j l, 2, 3 ...) formed and the current controller 39 and 40, respectively.
  • the current control error is the difference between the sensor signal IsRMija or IsRMijb of the current flowing current
  • the output of the current regulator 39 or 40 is limited to the permissible PWM range (see limiter 41, 42) and fed to the associated pulse width modulator (PWM) 43 or 44, which activates the power converters 26 (see FIG.
  • PWM pulse width modulator
  • the power amplifiers 26 are thus controlled via pulse width modulation 43, 44 whose duty cycle through the
  • the current controller 39, 40 is usually designed as a P or PI controller, wherein the control parameters, if enough computing power of the motor controller 50 is available, adaptive as a function of the
  • the "switching logic" block 38 in FIG. 6 specifies at which angular positions the respective phase, with the currents predetermined separately for the two coils, should be excited.
  • the current specification of the current controller consists of two parts.
  • "offline" determined maps are stored, which include the necessary power and on and off angle depending on the target power and the current speed. This current is added or subtracted to a correction current calculated in the "current correction” block 36.
  • the function of this block 36 as well as the calculations contained therein will be described in more detail below.
  • FIG. 2 (and also FIG. 14) schematically illustrates the desired intermediate voltage specification 26.
  • Control 50 shown.
  • the current translational position of the electric machine 2 or i in the x and y direction, s x SRM j or s y SRM j, and the corresponding setpoint positions s x SRM i , SO n and s y, SRM j, respectively , are supplied SO n as well as the current one
  • Position controller 51 provides a force to bring the rotor 5 in the target position, and by a force distribution, the target force F SRM jj is formed for the respective phase.
  • an operation mode switching unit 52 may be interposed by a higher-level controller shown in FIG.
  • Coordinate transformation unit 53 converts the force vector into the local coordinate system of the respective phase.
  • a power controller 54 From the voltage regulation error e y, a power controller 54 forms a setpoint power for the respective phase PsRMij / which is necessary in order to maintain the required DC link voltage at its desired value with appropriate dynamics.
  • the desired powers and forces are the SRM phase control and -an Kunststoffung 35, s. Fig. 6, supplied.
  • Input variables are the current rotor position at the bearing point i in the x and y direction, s x AMB j or s y AMB i, and their desired values s X, AMB i, S oll or Sy , AMB i, S oll and the predetermined by the controller shown in Fig. 2 operating mode.
  • Input variables are the current rotor position at the bearing point i in the x and y direction, s x AMB j or s y AMB i, and their desired values s X, AMB i, S oll or Sy , AMB i, S oll and the predetermined by the controller shown in Fig. 2 operating mode.
  • Operation mode is supplied to the position controller 33, which sets the target force of the magnetic bearings, F x AMB j and F y AMB j, the actual rotor position or the reduced by means of the adaptive FIR filter 32 by the unbalance position signal.
  • the required nominal current I A MBij, soll of the electromagnet j of the magnetic bearing i is calculated via the map unit 34.
  • FIG. 9 also shows the control / activation 60 of the axial magnetic bearing 8, 9 (FIG. 1).
  • the position control error e AxB Pos formed from the current axial position s z and its setpoint is minimized by a position controller 61.
  • the output of this regulator 61 is the setpoint force in the axial direction, F z so u, which is converted by a map unit 62 in a corresponding desired current AXBI, SO11 or AXB2, SO11 and power regulators 63 is supplied.
  • the control error e I AxB j of the respective current regulator 63 is formed from the desired current and the measured value AxB j of the flowing current.
  • Index j designates the respective coil (see also Fig. 2).
  • the outputs of the current regulator 63 are limited (limiter 64) and supplied to the PWM 65, which controls the power electronics.
  • FIG. 2 illustrates in detail the digital control and power electronics 17 of the Flywheel Energy Storage System 1 (FESS) shown in FIG. It is a
  • the target positions of the thrust bearing AxB (or 8, 9 in Fig. 1), the radial magnetic bearing AMB1 and AMB2 (or 6, 7 in Fig. 1) and for the electric machine SRM1 (or 2 in FIG 1). These target positions as well as the operating mode dependent on the current system behavior are sent to the subordinate controller structures 60:
  • Fig. 11 shows the radial forces F (N) at constant
  • the required current correction AI 0 (i4) as a function of the angle for different nominal current specifications can be seen in FIG. 12.
  • the current eccentricity is from the
  • Position sensors e.g. 10, 11, and the center of the respective electric machine taken into account.
  • the necessary correction of the desired current is calculated in the current correction block 36 (see FIG. 6) and added or subtracted in accordance with the desired value.
  • Position controller 51 which may be designed as a PID controller determined, and divided into the individual phases (see Fig. 7).
  • a favorable arrangement for the electric machine is at the center of gravity of the rotor 5, as this allows the dedicated bearings to be substantially relieved in the "stored" mode
  • An arrangement of the electric machine outside of the center of gravity reduces the bearing effect and it becomes one
  • Operating mode an operating state-dependent switching between the operating modes of both the storage 6, 7 and the electric machine.
  • Switching occurs when the limits of one or more operating parameters are exceeded or fallen below.
  • the acceleration of the FESS housing 4 or the deflection of the rotor 5 from the desired position can be used in the following way:
  • the generation of force is effected only by means of non-contact storage in the "unbalance control" mode, i.e. by means of the bearing of the rotor 5 in its main axis of inertia.
  • the electric machine 2 is operated without force in order to influence the magnetic bearings 6, 7 as little as possible.
  • Weighting factor a Weighting factor a
  • weighting factor b deflection speed
  • Non-contact storage in the "unbalance control" operation that is, the storage of the rotor 5 in its inertia main axis.
  • the electric machine 2 is again operated free of force to the magnetic bearings 6, 7 as little as possible to influence.
  • the required total electrical power of the system 1 is based on the deviation of the actual
  • the DC link voltage is galvanically isolated by means of an isolation amplifier, filtered and digitized and fed to the power regulator.
  • This can for example be designed as a PID controller and in the microcontroller 30 of the control 17 of the electrical
  • the axial magnetic bearing is according to the prior art, as shown in Fig. 9, executed.
  • the operation is analogous to the radial magnetic bearing, except that no unbalance control is performed.
  • reference is again made to the illustration of the digital control and power electronics 17 according to FIG. 2, where the input side units 70 (for the axial setpoint position calculation) and 71 (for the radial setpoint position calculation) are illustrated.
  • the radial bearings 6, 7 - AMB1, AMB2 (AMB - Active Magnet Bearing - active magnetic bearing) - to the thrust bearings 8, 9 (or AxB) and the machine 2 or SRM 1, the in Figs. 8, 9 and 6, blocks 55, 60 and 35, respectively, are shown.
  • Figs. 14 and 15 illustrate the control
  • Control is provided for three electromagnets which are arranged offset by 120 ° on the stator (see Fig. 14).
  • Fig. 14 shows a FESS 1 similar to Fig. 1, but in outer rotor design and with the cited conical
  • PMSM Permanent magnet-excited synchronous machine
  • Permanent magnets are supported by the composite material of the rotor 5 ⁇ .
  • Electromagnets (three per rotor end) a complete
  • magnetically magnetic material produced magnetic bearings.
  • the rotor position is in this embodiment by means of four, each also inclined arranged
  • Eddy current sensors detected At each end of the rotor, two of these sensors 10 ⁇ , 11 ⁇ are placed, wherein the planes are spanned by the respective sensor axis and the central axis of the flywheel 3 ⁇ , each normal to each other.
  • the "conical bearing control and control" 80 (see also Fig. 15, except Fig. 14) is analogous to the radial magnetic bearing control and -an horrung 55 in Fig. 8.
  • an active magnetic bearing type FESS system 1 is similar to that shown in Fig. 1, except that now several - e.g. two - electric machines 2.1, 2.2 are provided in the form of SRMs. Accordingly, two control and drive blocks 35, one for each of the two electrical machines 2.1, 2.2, are provided. Otherwise, the embodiment corresponds to that according to FIGS. 1 and 2, so that reference may be made to the description there.
  • the associated controller can, for example, again be embodied as a PI controller and be integrated in the microcontroller (see, for example, ⁇ 17 in FIG. 1) of the regulation of the electrical machines (blocks 35).
  • the above-described power distribution between the electric machines 2.1, 2.2 by means of pulse width modulation of the drive power can, for example, again be embodied as a PI controller and be integrated in the microcontroller (see, for example, ⁇ 17 in FIG. 1) of the regulation of the electrical machines (blocks 35).
  • Machines are arranged coaxially with each other.
  • An advantage of providing two or more electric machines is that - as mentioned above - an independent one
  • Power control can be provided, in which case a device for dividing the power is provided on the machines, which can be realized for example in accordance with FIG. 16 by the units 17 and 35. With the aid of this power distribution, the machines, e.g. 2.1, 2.2, are controlled such that a maximum
  • Machines including control is achieved. Furthermore, it is conceivable to monitor the power converters (26 in FIG. 5) with regard to their operating temperature, wherein the device for power distribution then controls the machines in such a way that the lowest possible operating temperature of the
  • the rotor 5 is in its first operating mode
  • the electrical machines 2.1, 2.2 are operated in this operating mode "without force.”
  • the deflections of the rotor 5 are determined by the geometric relationship of
  • Position sensor 10 to electrical machine 2.1 or 2.2 or bearing 6, 7 determined. Again, there is a switch to the second mode of operation (bearing force generation of
  • Fig. 17 is generally complementary to the efficiency ⁇ of an SRM motor 2 in response to the electrical
  • a rotor shaft 5 is shown, which is supported at the upper and lower ends respectively by means of an active air bearing 6 ⁇ and 7 ⁇ . Furthermore, in turn, two electric machines 2.1, 2.2 for driving the rotor shaft fifth
  • These electric machines 2.1, 2.2 may in turn be SRM or PMSM machines, or any other suitable machines.
  • FIG. 18 The representation of an axial bearing has been omitted in FIG. 18 for the sake of simplicity; it may be embodied, for example, as shown in FIG. 1 or as shown in FIG. 16. If in the fourth embodiment, as shown in FIG. 18, a rotary bearing and drive system with air bearing and two electric machines is shown, could
  • Air bearing whereby the machine or machines 2.1, 2.2 are operated "force-free".
  • FIGS. 19 to 21 as a further exemplary embodiment, a translational bearing and drive system with active magnetic bearing and an electrical machine (SRM) is shown.
  • SRM electrical machine
  • Fig. 19 is a diagrammatic view of a magnetically supported linear drive unit 90; the associated digital control and power electronics 91 is illustrated in FIG. 21; Fig. 20 shows in detail schematically a linear machine 92, which is based on the reluctance principle, as a drive, with a rotor or armature 95.
  • the representation of distance sensors, etc. has been omitted for reasons of clarity.
  • the magnetic storage takes place by means of electromagnets according to the prior art.
  • four bearing magnets are combined according to an axis.
  • the drive (92 in Fig. 20) has a left stator 98 and a right stator 97, see. except Fig. 19 also Fig. 20.
  • the vertical bearing axis Axl operates independently with the magnets AxlA, AxlB.
  • the axis Ax2, with the magnets Ax2A, Ax2B, Ax2C and Ax2D performs the upper bearing of the plate-shaped rotor 95;
  • the axis Ax3, with the magnets Ax3A, Ax3B, Ax3C and Ax3D (Ax3B is hidden in FIG. 19), realizes the lower bearing of the disk rotor 95.
  • excitation coils la, lb; 2a, 2b; and 3a, 3b are attached to form the electromagnets 99.
  • stator 97, 98 By in Fig. 20 in particular apparent stator (stator 97, 98) is formed as mentioned a
  • Fig. 21 the digital control and power electronics 91 is illustrated in an abstracted block diagram. Similar to the previous embodiments, which relate to rotary systems, the sub-blocks are also executed according to FIG. 21 for the control of the bearing axes and the electric machine, with the difference that
  • Block 91 in Fig. 21 analogous to the preceding embodiments a
  • a detection and switching unit 52 ⁇ , 52 ⁇ ⁇ again serves to detect the overshoot or undershoot of a predetermined limit for at least one

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Abstract

Lager- und Antriebs-System (1) mit mindestens einer elektrischen Maschine (2) samt Ansteuerung (50), wobei die Lagerkraft des jeweiligen Lagerfreiheitsgrades der Maschine (2) aktiv beeinflussbar ist, und mit einer berührungsfrei arbeitenden, aktiv beeinflussbaren Lagerung (6, 7) samt Ansteuerung (55), wobei die Ansteuerung (56) der Maschine (2) zwei Betriebsmodi aufweist, von denen der eine Betriebsmodus eine Minimierung der Krafteinflüsse der elektrischen Maschine (2) auf die betreffenden Lagerfreiheitsgrade und der andere Betriebsmodus eine aktive Lagerkraftgenerierung der elektrischen Maschine (2) zur Lagerunterstützung bewirkt, und wobei eine Detektions- und Schalteinheit (52', 52'') zur Umschaltung zwischen den zwei Betriebsmodi bei Über- bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts von zumindest einem Betriebsparameter vorgesehen ist, mit der eine Regel- oder Steuereinheit (35) für die Maschine (2') und die Lagerung (6, 7) verbunden ist.

Description

Lager- und Antriebs-System
Die Erfindung betrifft ein Lager- und Antriebs-System mit mindestens einer elektrischen Maschine samt Ansteuerung, wobei die Lagerkraft des jeweiligen Lagerfreiheitsgrades der
Maschine aktiv beeinflussbar ist, und mit einer berührungsfrei arbeitenden, aktiv beeinflussbaren Lagerung samt Ansteuerung.
Bei bekannten elektrischen Maschinen, d.h. Motoren und/oder Generatoren, vgl. z.B. M. Ooshima, S. Kobayashi, and H.
Tanaka, "Magnetic Suspension Performance of a Bearingless Motor/Generator for Flywheel Energy Storage Systems", IEEE, 2010; Charpentier J.F., Lemarquand G.: A comparative analysis of permanent magnet-type bearingless synchronous motors for fully magnetically levitated rotors, Journal of Applied
Physics, vol. 83, no . 11, 1998; und Yanbo Lv, Wenquan Zuo, Xiaoyan Diao and Huangqiu Zhu, Modeling and digital control System for bearingless permanent magnet synchronous motor based on magnetic energy equation, 1 Aug 2011; ist häufig eine Trennung der Aufgaben Lagerung und Antrieb vorgesehen.
Beispielsweise werden bei rotierenden Lager- und Antriebs- Systemen mit magnetischer Lagerung spezielle Regelungen, sog. „Unbalance Control", dazu verwendet, um den Rotor um seine Trägheitshauptachse rotieren zu lassen, wodurch die
erforderlichen Lagerkräfte - und damit die Leistungsaufnahme der Lagerung - minimiert werden (vgl. z.B. Betschon F.: Design Principles of Integrated Magnetic Bearings, Diss. ETH
Nr.13643, Dissertation, ETH-Zürich, 2000; oder Schweitzer G., Maslen E.H.: Magnetic Bearings Theory, Design, and Application to Rotating Machinery, Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 2009) . Diese einfache Maßnahme kann vorteilhaft eingesetzt werden, solange keine elektrische Maschine (Motor und/oder Generator) in Kombination mit „Unbalance Control" der Lagerung eingesetzt wird, da die elektrische Maschine aufgrund des dadurch exzentrischen Laufs des Rotors im Bereich der elektrischen Maschine systembedingt zusätzliche Radialkräfte generiert, wodurch sich ein zusätzlicher, zum Teil stark ansteigender Energiebedarf für die Lagerung ergibt.
Lagerlose elektrische Maschinen, die entweder mit Hilfe zusätzlicher Wicklungen und/oder durch Separation der
Phasenströme und einer speziellen Ansteuerung zusätzlich zum Antriebsmoment radiale und/oder axiale Lagerkräfte generieren können, werden eingesetzt, um auf eine dedizierte radiale oder axiale magnetische Lagerung verzichten zu können. Abhängig vom Typ der eingesetzten elektrischen Maschine (n) besteht
beispielsweise nicht in jeder Winkelstellung die Möglichkeit, Lagerkräfte einzubringen (z.B. bei einem 6/4 „Switched
Reluctance" Motor - geschaltete Reduktanzmaschine ) , und/oder der resultierende Wirkungsgrad bei der Generierung von
Lagerkräften ist gegenüber einer dedizierten magnetischen Lagerung geringer.
Daraus ergibt sich das Problem einer optimalen Betriebsführung eines kombinierten Lager-Antrieb-Systems durch die
funktionelle Kombination von Lager- und Motorkomponenten zur Maximierung des Gesamtwirkungsgrades, und dies bei der
gleichzeitigen Gewährleistung der erforderlichen
Lagerpräzision und höchster Störkraftresistenz.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Lager- und Antriebs-System wie eingangs angegeben vor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ansteuerung der Maschine zwei Betriebsmodi aufweist, von denen der eine Betriebsmodus eine Minimierung der Krafteinflüsse der elektrischen Maschine auf die betreffenden Lagerfreiheitsgrade und der andere Betriebs¬ modus eine aktive Lagerkraftgenerierung der elektrischen
Maschine (n) zur Lagerunterstützung bewirkt, und dass eine Detektions- und Schalteinheit zur Umschaltung zwischen den zwei Betriebsmodi bei Über- bzw. Unterschreiten eines vorgege¬ benen Grenzwerts von zumindest einem Betriebsparameter vorgesehen ist, mit der eine Regel- oder Steuereinheit für die Maschine und die Lagerung verbunden ist.
Vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
So ist es insbesondere günstig, wenn die Detektions- und
Schalteinheit zur Erfassung einer Abweichung des Läufers bzw. Ankers der Maschine aus einer geometrischen Mittellage
eingerichtet ist.
Vorzugsweise sieht die Regel- oder Steuereinheit eine auf einem gespeicherten Kennfeld oder Modell samt Beobachter basierende asymmetrische Bestromung der Spulen der Maschine vor .
Weiters ist es von Vorteil, wenn als Betriebsparameter die Auslenkung und bzw. oder die Auslenkungsgeschwindigkeit des Läufers bzw. Ankers und bzw. oder die Beschleunigung des Gehäuses der Maschine vorgegeben sind.
Es kann grundsätzlich ein Betriebsparameter allein oder aber eine gewichtete Kombination von mehreren Betriebsparametern bei Überschreiten bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen
Grenzwerts die Umschaltung des Betriebsmodus bewirken. So ist insbesondere vorgesehen, wenn die Detektions- und
Schalteinheit (52 λ, 52") eingerichtet ist, der Umschaltung des Betriebsmodus im Fall von mehreren Betriebsparametern eine gewichtete Kombination von Betriebsparametern zugrundezulegen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn mehrere elektrische Maschinen vorhanden sind, die eine unabhängige Leistungsregelung sowie eine Einrichtung zur Leistungsaufteilung aufweisen. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die elektrischen Maschinen mittels der Einrichtung zur Leistungsaufteilung dahingehend
angesteuert werden, dass der Gesamtwirkungsgrad der
elektrischen Maschinen maximiert wird; wenn die elektrischen Maschinen mittels der Einrichtung zur Leistungsaufteilung dahingehend angesteuert werden, dass der Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Maschinen samt Ansteuerung maximiert wird; oder wenn die elektrischen Maschinen mittels der Einrichtung zur Leistungsaufteilung dahingehend angesteuert werden, dass die Betriebstemperatur von Leistungskonvertern, die die elektrischen Maschinen ansteuern, minimiert wird.
Auch ist es günstig, wenn die elektrischen Maschinen mittels der Einrichtung zur Leistungsaufteilung dahingehend
angesteuert werden, dass die Verluste innerhalb des
Maschinengehäuses minimiert werden.
Das vorliegende System kann dabei rotatorisch oder
translatorisch sein.
Von Vorteil ist das System besonders dann, wenn es mit einem Schwungradspeicher zur Speicherung von elektrischer Energie (Flywheel Energy Storage System-FESS) ausgeführt ist.
Die Erfindung ermöglicht eine hinsichtlich Gesamtwirkungsgrad und Lagerpräzision bei höchster Störkraftresistenz optimale Betriebsführung von Systemen, die mindestens eine elektrische Maschine samt Ansteuerung und eine berührungsfrei arbeitende, aktiv beeinflussbare Lagerung samt Ansteuerung aufweisen, wobei eine Erhöhung der Gesamtenergieeffizienz des Lager- und Antriebs-Systems mittels einer automatischen Detektions- und Schalteinheit in Verbindung mit einer Steuer- bzw.
Regeleinheit erzielt wird.
Die Bezeichnung „(automatische) Detektions- und Schalteinheit" ist dabei allgemein zu verstehen und soll dabei nicht nur konkrete Schalter betreffen, sondern auch andere
Realisierungen, z.B. Software-Lösungen, Fuzzy Control-Lösungen etc. mit einbeziehen.
Die elektrische Maschine samt Ansteuerung ist so ausgeführt, dass eine aktive Einflussnahme auf die Lagerkraft des
jeweiligen Lagerfreiheitsgrades zumindest bei gewissen Betriebszuständen des Lager- und Antriebs-Systems möglich ist. Dies kann auch im Fall von mehreren elektrischen Maschinen samt Ansteuerung realisiert werden. Die automatische
Detektions- und Schalteinheit und die Steuer- bzw.
Regeleinheit bestimmen den Betriebsmodus - abhängig vom aktuellen Betriebspunkt bzw. Zustand des Lager- und Antriebs- Systems - zumindest der elektrischen Maschine (n) hinsichtlich „kräftefrei" und „lagerkraftgenerierend" ; bei Vorhandensein mehrerer elektrischer Maschinen geben diese Einheiten die Aufnahme- bzw. Abgabe-Leistungsaufteilung zwischen diesen elektrischen Maschinen vor. Als Umschaltbedingung kann hierbei die Abweichung der Struktur (Läufer bzw. Anker) von der
Solllage und bzw. oder die Abweichungsgeschwindigkeit und bzw. oder eine gewichtete Kombination dieser beiden Parameter oder beispielsweise auch die Beschleunigung des Gehäuses
herangezogen werden.
Der Betriebsmodus „kräftefrei" bewirkt eine Bestromung der einzelnen Spulen der elektrischen Maschine (n) dahingehend, dass die Kräfte der elektrischen Maschine (n) trotz Auslenkung des Läufers aus der geometrischen Mittellage in Richtung der betreffenden Lagerfreiheitsgrade minimiert werden. Hierdurch wird beispielsweise ein Betrieb eines rotatorischen Lager- und Antriebs-Systems in seiner Trägheitshauptachse ohne
zusätzliche, von der dedizierten Lagerung zu generierenden Lagerkräfte ermöglicht, wodurch der Energiebedarf für die Lagerung minimiert wird.
Ein anderer Betriebsmodus bewirkt bei Bedarf eine aktive
Lagerkraftgenerierung der elektrischen Maschine (n) , um die dedizierte Lagerung zu unterstützen, beispielsweise um
außergewöhnlich große Störkräfte auf eine Struktur (z.B.
Läufer) abzustützen oder bei Ausfall der dedizierten Lagerung als redundantes Lager zu fungieren. Dadurch ist entweder eine höhere Lagerpräzision, selbst bei großen Störkräften bzw.
Störkraftanstiegsgeschwindigkeiten, möglich, die ohne den zusätzlichen Einsatz der elektrischen Maschine (n) als Lagerunterstützung zu starken Abweichungen der Struktur von der jeweiligen Sollposition führen würden, oder es ist eine schwächere Dimensionierung der dedizierten Lagerung möglich, die dadurch wiederum geringere Verluste aufweist.
Die Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Betriebsmodi kann abhängig vom Betriebszustand des Lager- und Antriebs- Systems z.B. wie folgt bewerkstelligt werden:
(1) Solange z.B. der Rotororbit und/oder die translatorische Geschwindigkeit des Rotormittelpunkts und/oder die
Beschleunigung des Maschinen-Gehäuses innerhalb
vorgeschriebener Grenzen bleibt bzw. bleiben, erfolgt
o die Kraftgenerierung nur mittels der
berührungsfreien Lagerung im bekannten „Unbalance Control"-Betrieb, d.h. für rotatorische Systeme vorteilhafterweise die Lagerung des Rotors in dessen Trägheitshauptachse, und
o die Bestromung der Spulen der elektrischen
Maschine (n) dahingehend, dass auch bei einer Lage des Rotors (Läufers) außerhalb des geometrischen Mittelpunkts die Einflüsse auf die betreffenden Lagerfreiheitsgrade minimiert werden
(= "kräftefreier Lauf") .
(2) Sobald eine Verletzung der obigen Bedingung für den Rotor auftritt (z.B. wenn sich der Rotormittelpunkt außerhalb einer vordefinierten Schranke (z.B. für Rotoren ein vordefinierter Orbit und/oder eine zu hohe Auslenkungsgeschwindigkeit) befindet) , erfolgt eine automatische Umschaltung des
Betriebsmodus, wobei o die dedizierte Lagerung eine anteilige Rückführung der Struktur (des Läufers) in deren Sollposition bzw. deren Soll-Orbit für rotatorische Systeme bewirkt, o die elektrische Maschine so angesteuert wird, dass sie Lagerkräfte generieren kann (= "Lagerbetrieb") und somit die dedizierte Lagerung dabei unterstützt, die Struktur wieder in deren Sollposition bzw. deren Soll-Orbit für rotatorische Systeme zu bringen.
Um eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades zu erzielen, können die automatische Detektions- und
Schalteinheit und die Steuer- bzw. Regeleinheit dahingehend ausgeführt werden, dass eine Leistungsaufteilung zwischen mehreren elektrischen Maschinen erfolgt. Diese kann z.B. mit einer übergeordneten separaten Reglerbaugruppe oder mit einer in die Antriebsregelung integrierten Baugruppe ausgeführt sein, welche die Stellgröße in Abhängigkeit vom
Betriebszustand für die jeweilige Antriebsregelung vorgibt.
Wenn das Gesamtwirkungsgrad-Optimum im Teillastbereich liegt, kann die Betriebsführung der elektrischen Maschine (n) wie folgt realisiert werden:
■ Bei Lager- und Antriebs-Systemen mit einer elektrischen Maschine :
° P ei,sy stem ^ Ρη,τηαχ ( System-Aufnahme-/Abgabe-Leistungen unterhalb der Leistung, die zum maximalen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine führt) : Es erfolgt eine Modulation oder Pulsation der Ansteuerbzw. Abgabeleistung, d.h. eine modulierte oder gepulste Ansteuerung der elektrischen Maschine im Arbeitspunkt mit optimalem Gesamtwirkungsgrad, wobei beispielsweise eine Pulsweitenmodulation für die Leistung eingesetzt werden kann, bei der die
Pulsweite dem Verhältnis aus erforderlicher Abgabeleistung zu Abgabeleistung mit maximalem
Gesamtwirkungsgrad entspricht: Pulsweite = PeiiSyStem/
1 p η,πιαχ · o Pei,system ^ Ρη,τηαχ (Aufnahme-/Abgabe-Leistungen gleich oder oberhalb der Leistung für maximalen
Gesamtwirkungsgrad) : Es erfolgt ein durchgehender (ungepulster ) Betrieb mit der erforderlichen
Aufnahme-/Abgabe-Leistung .
Bei Rotoren mit n elektrischen Maschinen:
Die Aufteilung der Aufnahme-/Abgabe-Leistungen der einzelnen im System wirkenden Maschinen erfolgt so, dass sich in Summe der bestmögliche
Gesamtwirkungsgrad ergibt:
° "el,system /n < Ρη,τηαχ '· Betrieb von m elektrischen Maschinen mit jener Leistung, welche zum optimalen
Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen führt, d.h. el,system
m = floor ) ,
mit der Funktion floor(), die nach unten rundet, und einer elektrischen Maschine , die wie oben
beschrieben gepulst betrieben wird, und im Mittel die Leistung
P ~ Pel,system Ρη,πιαχ ' · liefert .
ei,sy stem / n Ρη,τηαχ '· es werden die Leistungen der n
Maschinen so aufgeteilt, dass der Gesamtwirkungsgra maximiert wird. Dieser ist gegeben durch
Die optimale Leistungsaufteilung erhält man aus dem GleichungsSystem dP; 0; i = 1, , 71
Die Funktion η(Ρ{) kann beispielsweise durch ein Polynom oder durch Splines an gemessene Kurven oder an Simulationsergebnisse angepasst werden, wodurch die Optimierung online durchgeführt werden kann. Ebenso kann die Leistungsaufteilung im Vorfeld
(offline) berechnet und in einem Kennfeld abgespeichert werden.
Beim Einsatz von elektrischen Maschinen mit der
Funktionsmöglichkeit als lagerndes Element kann je nach
Anwendungsfall zwischen unterschiedlichen Ausprägungen
unterschieden werden:
• Eine Lagerfunktion/Lagerunterstützung des Antriebs hinsichtlich auf den Schwerpunkt wirkender Kräfte erfordert den Einsatz von mindestens einer lagerfähigen elektrischen Maschine, die möglichst nahe dem Schwerpunkt bzw. optimaler Weise im Schwerpunkt angeordnet ist.
• Eine Lagerfunktion/Lagerunterstützung des Antriebs hinsichtlich auf den Schwerpunkt wirkender Kräfte sowie
Momente erfordert den Einsatz von mindestens zwei lagerfähigen elektrischen Maschinen, die idealerweise weit außerhalb des Schwerpunktes angeordnet sind.
Es sei erwähnt, dass außer der oben angeführten „Unbalance Control" selbstverständlich auch andere Regelalgorithmen, wie z.B. „Active Vibration Control", im Rahmen der Erfindung anwendbar sind.
Die Sollposition bzw. der Soll-Orbit kann entweder im
Vorhinein festgelegt oder mittels eines übergeordneten Reglers vorgegeben werden. Dieser übergeordnete Regler sucht ene Sollpositionen bzw. jenen Soll-Orbit, der in Summe die geringsten erforderlichen Ströme in den Radialllagern und der/den elektrischen Maschine (n) ergibt. Hierzu können die Ströme von Lager und elektrischen Maschinen für jeweils einen Arbeitspunkt erfasst werden und die Sollposition bzw. der Soll-Orbit kann mittels Minimierungs-Algorithmus gefunden werden. Beispielsweise können hierzu kleine Änderungen in der Sollposition bzw. dem Soll-Orbit durchgeführt werden, und die resultierende Änderung in der Summe der mittleren Ströme kann zur Optimierung für den jeweiligen Arbeitspunkt herangezogen werden .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 ein Blockschema eines rotatorischen Lager- und
Antriebs-Systems mit Schwungrad (FESS - Flywheel Energy
Storage System-Schwungrad-Energiespeichersystem) mit
Hybridmagnetlager-Regelung und -AnSteuerung;
Fig. 2 in einem Blockschaltbild eine Einheit zur digitalen Regelung und Leistungselektronik für das System gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 in einem schematischen Querschnitt als Beispiel einen geschalteten Reluktanzmotor (SRM) mit sechs Statorpolen und vier Rotorpolen (kurz: 6/4-SRM) , wie er im System gemäß Fig. 1 und 2 vorgesehen ist;
Fig. 4 in einer schematischen Querschnittsdarstellung ähnlich Fig. 3 den Aufbau eines aktiven radialen Magnetlagers; Fig. 5 ein beispielhaftes Schaltbild eines 2-Quadranten- Konverters eines Zwischenkreises zur Ansteuerung der SRM- und Magnetlägerspulen;:
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Einheit für die SRM- Phasenregelung und -Ansteuerung, wie sie in der Maschinen- Regelung und -Ansteuerung gemäß Fig. 7 eingesetzt werden kann;
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Einheit für die Maschinen- Regelung und -Ansteuerung, wie sie in der Einheit für die digitale Regelung und Leistungselektronik gemäß Fig. 2
eingesetzt werden kann;
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Einheit für die
Radialmagnetlager-Regelung und -Ansteuerung, wie sie in der digitalen Regelung und Leistungselektronik gemäß Fig. 2 eingesetzt werden kann;
Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Einheit für die
Axialmagnetlager-Regelung und -Ansteuerung, wie sie in der digitalen Regelung und Leistungselektronik gemäß Fig. 2 eingesetzt werden kann;
Fig. 10 in einem Diagramm die in einem SRM erzeugten Kräfte bei verschiedenen Exzentrizitäten in Abhängigkeit vom
Rotorwinkel Θ;
Fig. 11 ein zu Fig. 10 vergleichbares Kräfte-Diagramm, im Gegensatz zur Fig. 10 jedoch bei einer konstanten
Exzentrizität und bei verschiedenen Strömen;
Fig. 12 in einem Diagramm die erforderliche Stromkorrektur A/0für verschiedene Sollströme, um einen kräftefreien Betrieb zu erreichen; Fig. 13 in einem Diagramm die Kraft/Strom-Abhängigkeit eines beispielhaften SRM;
Fig. 14 ein Schema eines FESS ähnlich wie Fig. 1, jedoch in Außenläuferausführung, mit einer konischen Magnetlagerung;
Fig. 15 ein Blockschaltbild einer Einheit für die Regelung und Ansteuerung eines konischen Magnetlagers, wie gemäß Fig. 14, wobei die Darstellung in Fig. 15 ähnlich jener in den Fig. 6 und 7 ist;
Fig. 16 ein Schema ähnlich jenem gemäß Fig. 1, nun jedoch für ein System mit zwei geschalteten Reluktanzmotoren;
Fig. 17 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Wirkungsgrads η eines geschalteten Reduktanzmotors in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung P;
Fig. 18 schmematisch in einem Axialschnitt einer Anordnung mit einer Welle, die an ihrem oberen Ende und unteren Ende mit Hilfe von aktiven Luftlagern radial gelagert ist;
Fig. 19 eine schaubildliche Ansicht einer magnetisch
gelagerten Linearantriebseinheit ;
Fig. 20 ein axiales Schema dieses Linearantriebs gemäß Fig. 19, der auf dem Reduktanzprinzip basiert; und
Fig. 21 ein Schema einer Einheit für eine digitale Regelung und Leistungselektronik der in Fig. 19 und 20
veranschaulichten Linearantriebseinheit . In Fig. 1 ist schematisch als Beispiel ein rotatorisches Lager- und Antriebs-System 1, konkret in Form eines FESS 1 mit aktiver Magnetlagerung und mit einer elektrischen Maschine 2 in Form eines SRM-Motors 2, dargestellt. Der Motor 2 samt Schwungrad 3 ist innerhalb eines Behälters 4 angebracht. Die das Schwungrad 3 tragende Welle 5, d.h. der Rotor 5, ist an beiden Enden in einem jeweiligen radialen aktiven Magnetlager 6, 7 gelagert, die zusammen eine berührungsfrei arbeitende, aktiv beeinflussbare Lagerung 6-7 für den Rotor 5 definieren. Weiters sind ein oberes Axiallager 8 und ein unteres
Axiallager 9, ein Radialpositionssensor 10 und ein
Axialpositionssensor 11 sowie eine obere und eine untere
Stator-Trägerhülse 12 bzw. 13 veranschaulicht. Überdies sind übliche Fanglager 14 bzw. 15 gezeigt. Die Axialmagnetlagerung 8, 9 ist ebenfalls eine aktive, berührungsfreie Lagerung.
Eine diesem System 1 zugehörige Einheit 16 für eine
hocheffiziente, zuverlässige Hybridmagnetlager-Regelung und Ansteuerung ist schematisch in einem Block 16 in Fig. 1 gezeigt, und sie verfügt über eine Einheit 17 für eine
digitale Regelung und Leistungselektronik, die nachfolgend näher anhand der Fig. 2 erläutert werden wird. Weiters sind ein Modul für eine digitale Signalaufbereitung 18 sowie ein Modul für eine analoge Signalaufbereitung 19 samt
nachgeschaltetem Analog/Digital-Wandler 20 vorgesehen.
Schematisch sind weiters eine Fehlererkennungseinheit 21 sowie ein Zwischenkreis 22 gezeigt, über den der mit einem
Doppelpfeil angedeutete Energietransfer zum Motor 2
stattfindet .
Die Berechnung und Bereitstellung der benötigten Ströme, in Fig. 1 allgemein mit I bezeichnet, wird in der Einheit 17 für die digitale Regelung und Leistungselektronik durchgeführt. Dabei werden bei 23 Sensorsignale betreffend Positionen, Rotorwinkel, Rotordrehzahl und Temperatur der Einheit 16 vom Maschinenteil zugeführt.
Das Schwungrad 3 treibt den Rotor 5 und lädt somit das System 1. Zur radialen und axialen Stabilisierung sind in den oberen und unteren Trägerhülsen 12, 13 die radialen Elektromagnet- Lager 6, 7, sowie die beiden Axiallager 8, 9 montiert. Das Fanglager 14 ist ein mechanisches Lager, das bei einem
Systemausfall in Funktion tritt. Das Schwungrad 3 läuft im Inneren des evakuierten Gehäuses 4 um; dieses Gehäuse 4 dient weiters als Träger für die verschiedenen Sensoren, wie
beispielsweise die Radial- und Axial-Positionssensoren 10, 11; auf die Darstellung weiterer, an sich herkömmlicher Sensoren, wie etwa für die Rotordrehzahl, den Rotorwinkel und die
Temperatur, wurde aus Gründen einer übersichtlichen
Darstellung verzichtet.
Um eine möglichst lange Speicherzeit ( Stand-by-Zeit ) zu erzielen, wird der Rotor 5 durch die Magnetlager 6, 7 in seiner Trägheitshauptachse mittels einer sog. „Unbalance
Control" geführt. Dadurch werden minimale Radiallagerkräfte erforderlich, wodurch der Lager-Energiebedarf minimiert wird. Dies kann jedoch zu einer Exzentrizität des Läufers, d.h.
Rotors 5, der elektrischen Maschine 2 führen, wodurch diese bei konventioneller Bestromung zusätzliche Kräfte generiert, die wiederum durch die Magnetlager 6, 7 kompensiert werden müssen, wodurch deren Energiebedarf wiederum steigen würde. Die Erfindung ermöglicht einen Betriebsmodus der elektrischen Maschine 2, um diese Kräfte zu minimieren, womit die Effizienz der Magnetlager 6, 7 steigt und eine längere Speicherdauer erzielt werden kann.
Der geschaltete Reluktanzmotor (SRM) 2 weist gemäß Fig. 3 einen Stator 25, an dem Spulen angebracht sind, und den Rotor 5 auf, der ausgeprägte Pole aufweist. Fig. 3 zeigt einen SRM 2 mit sechs Stator- und vier Rotorpolen. Aufgrund der Läuferform entsteht eine Winkelabhängigkeit des magnetischen Widerstandes (der Reluktanz), da sich der Luftspalt mit dem Drehwinkel des Läufers 5 ändert. Durch ein sequentielles Beschälten der
Spulen la, lb; 2a, 2b; 3a, 3b, kann somit ein Erregerfeld erzeugt werden, dem der Rotor 5 synchron folgt, da dieser eine Winkelstellung anstrebt, die eine minimale Reluktanz aufweist.
Der Vorteil dieses elektrischen Motors 2 ist, dass keine
Permanentmagnete erforderlich sind, ein vernachlässigbares Schleppmoment verursacht wird und zur Ansteuerung die gleiche Konvertertopologie wie für die aktiven Magnetlager eingesetzt werden kann. Durch eine separate Regelung der einzelnen Spulen jeder Phase la, lb oder 2a, 2b oder 3a, 3b werden aktiv beeinflusste radiale Kräfte generiert. Die Ansteuerung jeder Spule erfolgt über eigene 2-Quadranten-Konverter 26 (eine Stromrichtung, positive und negative Spannung) , wie
beispielhaft in Fig. 5 gezeigt:
Dieser 2-Quadranten-Konverter 26 weist eine linke und eine rechte Halbbrücke 27 bzw. 28 mit je einer Diode D und einem Transistor T auf. Der Konverter 26 versorgt eine Last 29, die eine Spule des elektrischen Motors 2 oder der Magnetlager 6, 7 ist. Die Transistoren T werden von einer (in Fig. 5 nicht näher veranschaulichten) Pulsweitenmodulation (PWM)
angesteuert, deren Pulsweite vom jeweiligen Stromregler vorgegeben wird. Angelegt ist die Zwischenkreisspannung UZK .
Um eine optimale Betriebsführung zu erzielen, werden folgende Signale erfasst:
■ Ströme der einzelnen Magnetlagerspulen sowie die Ströme der Spulen jeder Motorphase IsRMij > mittels
Stromsensoren, die beispielsweise nach dem Kompensationsprinzip auf Hall-Basis arbeiten, wobei allgemein i die Nummer bzw. Anzahl der Magnetlager AMB bzw. der Motoren SRM und j die Nummer bzw. Anzahl der jeweiligen Spulen angibt
■ Rotordrehzahl (durch Strichmarken am Rotor und optischer Erfassung oder mittels Zahnprofil und Wirbelstromsensor oder induktivem Sensor)
■ Rotorwinkelstellung Θ (entweder über Absolutwertgeber, beispielsweise basierend auf dem Hall-Prinzip, oder inkrementell aus dem Drehzahlsignal) . Bei inkrementeller Erfassung errechnet sich die aktuelle Winkelstellung
Θ = dAkt dEnd mit dem aktuellen Zählerstand dAkt eines laufend aufwärts zählenden Zählers, der jeweils bei Durchfahren einer Nullmarke in dEnd gespeichert und daraufhin auf Null gesetzt wird. Nachdem in diesem Fall bei Rotorstillstand der Absolutwinkel nicht erfasst bzw. errechnet werden kann, ist eine spezielle Anlaufprozedur erforderlich, bis sich der Rotor 5 so schnell dreht, dass die PLL
einrastet; beispielsweise wird dabei der Rotor 5 durch eine Bestromung einer Phase, z.B. la, lb, in eine
definierte Stellung gebracht und dann, zu Folge Kenntnis von Drehmoment und Trägheitsmoment, durch eine zeitlich vorgegebene Bestromung in Rotation versetzt.
■ Rotorposition (mittels Wirbelstromsensoren)
■ Zwischenkreisspannung mittels Isolationsverstärker zur galvanischen Trennung zwischen Leistungskreis und Regler- Kleinsignalelektronik.
Alle analogen Signale werden nach einer Anti-Aliasing- Filterung durch den Analog/Digital-Konverter 20 (Fig. 1) in die digitale Domäne gewandelt und einem digitalen
Signalprozessor (DSP) oder Mikro-Controller (μθ) zugeführt. Die digital vorliegenden Signale (z.B. Drehzahl) werden diesem Signalprozessor bzw. μθ direkt zugeführt. Die aktive magnetische Radiallagerung 6, 7 weist (vgl. Fig. 8) eine spezielle Regelung auf, die zwei Betriebsmodi hat, zwischen denen je nach Rotorlage und -geschwindigkeit
umgeschaltet wird. Das Stellglied, d.h. das jeweilige Lager, z.B. 6, ist als Y-Anordnung (jeweils drei Elektromagneten mit getrennten Flussdichtepfaden in 120° Teilung, siehe Fig. 4) ausgeführt, was die minimale Elektromagnetanzahl für das
Radiallager 6 bzw. 7 ergibt.
Im Einzelnen zeigt Fig. 4 beispielhaft einen Aufbau eines radialen aktiven Magnetlagers, z.B. des Magnetlagers 6 (oder 7) gemäß Fig. 1. Es besteht aus einem Rotor, nämlich dem Rotor 5, und einem Stator 31, der wiederum mit drei Elektromagneten aufgebaut ist. Auf jedem Elektromagneten ist eine Spule (Spule 6.1, Spule 6.2 und Spule 6.3) angebracht, die über beide
Schenkel des Elektromagneten gewickelt ist. Diese Anordnung mit drei um 120° versetzten Elektromagneten wird wie erwähnt Y-Anordnung genannt.
Lagerbetriebsmodus 1 :
Die Regelung arbeitet nach der beispielsweise in Betschon F. : Design Principles of Integrated Magnetic Bearings, Diss. ETH Nr.13643, Dissertation, ETH-Zürich, 2000; oder Schweitzer G., Maslen E.H.: Magnetic Bearings Theory, Design, and Application to Rotating Machinery, Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 2009; beschriebenen „Unbalance Control", die den Rotor 5 in seiner Trägheitshauptachse rotieren lässt, wodurch die
erforderlichen Lagerkräfte und damit auch der Energiebedarf der Lagerung minimiert werden. Hierbei wird ein, im digitalen Regler 55 (Fig. 8) implementiertes FIR (Finite Impulse
Response ) -Filter 32 mit adaptiven Koeffizienten (vgl. Fig. 8) benützt, um den Anteil am Positionssensorsignal, der durch die Unwucht des Rotors 5 entsteht, zu filtern, wodurch der
nachgeschaltete Positionsregler 33, hier als einfacher digital implementierter PID-Regler ausgeführt, nicht auf die Abweichung aufgrund der Unwucht reagiert, sondern nur auf den restlichen Signalanteil.
Die statische Nullposition wird durch den integralen Anteil eines übergeordneten Reglers 71, der die mittleren
Spulenströme der Lager minimiert, festgelegt. Damit führen auch fertigungs- oder zusammenbaubedingte Abweichungen
zwischen der Lagermittellage und der geometrischen
Nullposition zu keinem zusätzlichen Kräftebedarf und damit Leistungsbedarf für die Lagerung.
Lagerbetriebsmodus 2 :
Zur Positionsregelung mit dem PID-Regler 33 wird in diesem Betriebsmodus nicht das gefilterte und damit um den
Unwuchtanteil reduzierte Positionssensorsignal herangezogen, sondern das tatsächliche Signal (Ist-Position), wodurch der Rotor 5, so gut wie mit den verfügbaren Lagerkräften und der Regelung möglich, in die Sollposition (hier: Mittellage) gebracht wird.
In beiden Lagerbetriebsmodi errechnet der Positionsregler 33 eine Sollkraft in x- und y-Richtung. Der Sollstrom jedes der drei Elektromagneten des jeweiligen Radiallager-Stellgliedes (6 bzw. 7) wird mittels Interpolation aus einem Kennfeld (s.
Block 34 in Fig. 8, „Kennfeld" lAMBij,soll (Fx,AMBij< Fy AMBij, sX AMBij< sy,AMBij ) ) bestimmt. Hierin ist der Sollstrom jedes Elektromagneten in Abhängigkeit von der Rotorauslenkung und der erforderlichen Kraft gespeichert. Diese Sollströme werden mittels
unterlagerten Stromreglern 56, die der Einfachheit halber als Proportionalregler ausgeführt sein können, Signal-Begrenzern 57, Pulsweitenmodulatoren 58 und 2-Quadranten-Konvertern 26 (s. Fig. 5) in die einzelnen Spulen des Stellglieds 6 bzw. 7 eingeprägt. Die Spulenströme werden mittels Stromsensoren gemessen und den Reglern digitalisiert zugeführt. Auch die elektrische Maschine 2 weist zwei Betriebsmodi
(„kräftefrei"/"lagernd" ) auf: Fig. 6 zeigt das Regelkonzept einer Phase des SRM 2. Dabei sind in Fig. 6 im Detail die SRM- Phasenregelung und Ansteuerung 35 gezeigt. Die Reglervorgaben werden durch einen übergeordneten Regler 50, der in Fig. 7 dargestellt ist, berechnet. FSRMjj bezeichnet in Fig. 6 (und 7) die erforderliche Kraft der Phase j der elektrischen Maschine 2 bzw. i (mit i=l, 2...), die für den kräftefreien Betrieb Null ist. In Abhängigkeit von der translatorischen Position sx SRMjj bzw. Sy;SRMjj und dem Drehwinkel Θ wird in einer Einheit 36 die Stromkorrektur ΔΙ^ berechnet, die zum Sollstrom IsRMij,soii addiert oder subtrahiert wird. Der Sollstrom und auch der Ein- und Ausschaltwinkel θοη bzw. 60 werden durch die Sollleistung PsRMij bestimmt, die ebenfalls durch den übergeordneten Regler 50 (s. Fig. 7) vorgegeben wird.
Im Block 37 (Betriebsparameter) wird die Sollleistung durch ein Winkelgeschwindigkeits (w) -abhängiges Kennfeld in
Sollstrom sowie Ein- und Ausschaltwinkel umgerechnet. Eine Schaltlogik 38 gibt dann vor, ob die jeweilige Phase bestromt werden soll, falls der aktuelle Winkel innerhalb von Ein- und Ausschaltwinkel liegt.
Für die Stromregelung, s. Stromregler 39, 40 in Fig. 6, wird der Stromregelfehler eSRMjja der Spule ja bzw. eSRMjjb der Spule jb (mit j =l, 2, 3...) gebildet und dem Stromregler 39 bzw. 40 zugeführt. Der Stromregelfehler wird aus der Differenz vom Sensorsignal IsRMija bzw. IsRMijb des aktuell fließenden Stroms
IsRMija bzw . IsRMijb und dem entsprechenden Sollstrom berechnet. Der Ausgang des Stromreglers 39 bzw. 40 wird auf den zulässigen PWM-Bereich (s. Begrenzer 41, 42) begrenzt und dem zugehörigen Pulsweitenmodulator (PWM) 43 bzw. 44 zugeführt, welcher die Leistungskonverter 26 (s. Fig. 5) ansteuert. Die Leistungsverstärker 26 werden somit über Pulsweitenmodulation 43, 44 angesteuert, deren Einschaltdauer durch den
Stromregler 39 bzw. 40 bestimmt wird. Der Stromregler 39 ,40 ist üblicherweise als P- oder PI-Regler ausgeführt, wobei die Regelparameter, wenn genügend Rechenleistung des Motorreglers 50 zur Verfügung steht, adaptiv in Abhängigkeit von der
Winkelstellung angepasst werden, um die starke Nichtlinearität der Induktivität zu berücksichtigen. Der „Schaltlogik"-Block 38 in Fig. 6 gibt vor, bei welchen Winkelstellungen die jeweilige Phase, mit den für die beiden Spulen getrennt voneinander vorgegebenen Ströme, erregt werden soll.
Die Stromvorgabe des Stromreglers setzt sich aus zwei Anteilen zusammen. Im „Betriebsparameter"-Block 37 sind „offline" ermittelte Kennfelder abgelegt, die den nötigen Strom sowie Ein- und Ausschaltwinkel in Abhängigkeit von der Sollleistung und der aktuellen Drehzahl beinhalten. Dieser Strom wird zu einem im „Stromkorrektur"-Block 36 berechneten Korrekturstrom addiert bzw. subtrahiert. Die Funktion dieses Blocks 36 sowie die enthaltenen Berechnungen werden im Folgenden noch näher beschrieben .
Im Übrigen ist in Fig. 2 (und auch Fig. 14) schematisch die Soll-Zwischenspannungsvorgabe 26 λ veranschaulicht.
In Fig. 7 ist die elektrische Maschinen-Regelung und
-Ansteuerung 50 dargestellt. Zugeführt werden die aktuelle translatorische Position der elektrischen Maschine 2 bzw. i in x- und y-Richtung, sx SRMj bzw. sy SRMj , und die entsprechenden Sollpositionen sx SRMi;SOn bzw. sy;SRMj;SOn sowie die aktuelle
Zwischenkreisspannung UZK und deren Sollwert UZK sou . Ein
Positionsregler 51 gibt eine Kraft vor, um den Rotor 5 in die Sollposition zu bringen, und durch eine Kraftaufteilung wird die Sollkraft FSRMjj für die jeweilige Phase gebildet. Durch eine Betriebsmodus-Schalteinheit 52 kann durch einen übergeordneten Regler, dargestellt in Fig. 1, zwischen
lagerndem und kräftefreiem Betrieb umgeschaltet werden. Im kräftefreien Betrieb ist die Sollkraft gleich Null. Eine
Koordinatentransformations-Einheit 53 rechnet den Kraftvektor in das lokale Koordinatensystem der jeweiligen Phase um.
Ein Leistungsregler 54 bildet aus dem Spannungsregelfehler ey eine Sollleistung für die jeweilige Phase PsRMij / die nötig ist, um mit entsprechender Dynamik die geforderte Zwischenkreis- spannung auf ihrem Sollwert zu halten.
Die Sollleistungen und Sollkräfte werden der SRM- Phasenregelung und -Ansteuerung 35, s. Fig. 6, zugeführt.
Fig. 8 zeigt die Radialmagnetlager-Regelung und -Ansteuerung 55. Eingangsgrößen sind die aktuelle Rotorposition an der Lagerstelle i in x- und y-Richtung, sx AMBj bzw. sy AMBi , und deren Sollgrößen sX;AMBi,Soll bzw. Sy;AMBi,Soll sowie der durch den in Fig. 2 dargestellten Regler vorgegebene Betriebsmodus. Je nach
Betriebsmodus wird dem Positionsregler 33, der die Sollkraft der Magnetlager, Fx AMBj bzw. Fy AMBj , vorgibt, die tatsächliche Rotorposition oder das mittels des adaptivem FIR-Filters 32 um die Unwucht verringerte Positionssignal zugeführt. Über die Kennfeld-Einheit 34 wird der notwendige Sollstrom IAMBij,soll des Elektromagneten j des Magnetlagers i berechnet. Ein
Stromregler 56 regelt dann das jeweilige Sensorsignal IAMBij des aktuellen Stroms I^Bij auf den Sollstrom und minimiert damit den Stromregelfehler eI AMBjj . Der Ausgang des jeweiligen
Stromreglers 56 wird auf den zulässigen PWM-Bereich begrenzt (Begrenzer 57) und einem Pulsweitenmodulator (PWM) 58
zugeführt, welcher die Leistungskonverter 26 (s. Fig. 5) ansteuert . In Fig. 9 ist weiters die Regelung/Ansteuerung 60 des Axialmagnetlagers 8, 9 (Fig. 1) dargestellt. Der aus der aktuellen axialen Position sz und deren Sollwert gebildete Positionsregelfehler eAxB Pos wird durch einen Positionsregler 61 minimiert. Der Ausgang dieses Reglers 61 ist die Sollkraft in axialer Richtung, Fz sou , die durch eine Kennfeld-Einheit 62 in einen entsprechenden Sollstrom AXBI,SO11 bzw. AXB2,SO11 umgewandelt und Stromreglern 63 zugeführt wird. Der Regelfehler eI AxBj des jeweiligen Stromreglers 63 wird aus dem Sollstrom und dem gemessenen Wert AxBj des fließenden Stroms gebildet. Der
Index j bezeichnet dabei die jeweilige Spule (vgl. auch Fig. 2) . Die Ausgänge der Stromregler 63 werden begrenzt (Begrenzer 64) und der PWM 65 zugeführt, welche die Leistungselektronik ansteuert .
In Fig. 2 ist die digitale Regelung und Leistungselektronik 17 des in Fig. 1 gezeigten Flywheel Energy Storage Systems 1 (FESS) näher veranschaulicht. Es handelt sich um einen
übergeordneten Regler, der die Sollpositionen der Axiallager AxB (bzw. 8, 9 in Fig. 1), der radialen Magnetlager AMB1 und AMB2 (bzw. 6, 7 in Fig. 1) sowie für die elektrische Maschine SRM1 (bzw. 2 in Fig. 1) vorgibt. Diese Sollpositionen sowie der vom aktuellen Systemverhalten abhängige Betriebsmodus werden an die untergeordneten Reglerstrukuren 60:
„Axialmagnetlager Regelung und Ansteuerung" (s. Fig. 9); 55: „Radialmagnetlager Regelung und Ansteuerung" (s. Fig. 8); und 50: „Elektrische Maschine Regelung und Ansteuerung" (s. Fig. 7) übergeben.
Für den im Weiteren beschriebenen Motor 2 wurden beispielhaft die Daten laut der nachfolgenden Tabelle 1 verwendet. Tabelle 1: Motordaten
Fig. 10 zeigt die radial wirkenden Kräfte F(N) eines solchen SRM 2 bei gleicher Bestromung der beiden Spulen einer Phase mit 20 A und bei verschiedenen Exzentrizitäten sySRMij von 0,1 mm bis 0,5 mm, jeweils über dem Drehwinkel Θ.
Fig. 11 zeigt die Radialkräfte F(N) bei konstanter
Exzentrizität von sySRMjj = 0,5 mm und einem Strom in Spule b von 20A, jedoch unterschiedlichen Strömen in Spule a, von 0A bis 20A, ebenfalls abhängig von Θ. Erkennbar ist, dass sich die radialen Kräfte deutlich reduzieren lassen und bei
entsprechender Stromführung ein kräftefreier Betrieb in allen Winkelstellungen möglich ist. Die dazu erforderliche Stromkorrektur AI0(i4) als Funktion des Winkels für verschiedene Sollstromvorgaben ist in Fig. 12 zu sehen. Man erkennt die lineare Abhängigkeit der Stromkorrektur von der Sollstromvorgabe ( 0A bis 20A) . Des Weiteren ist diese auch linear von der Exzentrizität sySRMjj abhängig.
Die aktuelle Exzentrizität wird aus den
Positionssensorsignalen mittels Umrechnung, welche die
geometrischen Verhältnisse der Platzierung der
Positionssensoren, z.B. 10, 11, und den Mittelpunkt der jeweiligen elektrischen Maschine berücksichtigt, erfasst.
Die nötige Korrektur des Sollstroms wird im Stromkorrektur- Block 36 (s. Fig. 6) berechnet und entsprechend dem Sollwert addiert bzw. subtrahiert.
Das Regelkonzept für den „lagernden" Betrieb ist gleich dem obigen Fall („kräftefrei"), allerdings muss die Differenz der beiden Spulenströme noch weiter vergrößert werden, um aktiv Kräfte zu generieren. Die geforderte Kraft wird in einem
Positionsregler 51, der als PID-Regler ausgeführt sein kann, ermittelt, und auf die einzelnen Phasen aufgeteilt (s. Fig. 7) .
Eine günstige Anordnung für die elektrische Maschine ist im Schwerpunkt des Rotors 5, da dadurch im „lagernden" Betrieb die dedizierten Lager wesentlich entlastet werden können. Eine Anordnung der elektrischen Maschine außerhalb des Schwerpunkts (s. Fig. 1) reduziert die Lagerwirkung und es wird ein
zusätzliches Drehmoment durch die Radialkräfte der
elektrischen Maschine eingebracht, das von der dedizierten Lagerung zu kompensieren ist.
Aus dem quadratischen Zusammenhang zwischen Strom und
Magnetkraft ergibt sich für die kräfteerzeugende
Stromkorrektur mit der in Fig. 13 dargestellten Steifigkeit Κ(Θ) (Ν/Α2) . Die
Sollgröße der beiden Stromregler ist dann
IsRMija.soll = RMi),soll ~ (ΔΙ0 + AIF) RMi)b,soll = RMi),soll + (ΔΙ0 + A/F).
Durch die automatische Detektions- und Schalteinheit 52 λ (s. Fig. 2) erfolgt nun im Block 52 λ λ („Umschaltung
Betriebsmodus") eine betriebszustandsabhängige Umschaltung zwischen den Betriebsmodi sowohl der Lagerung 6, 7 als auch der elektrischen Maschine 2.
Die Umschaltung erfolgt bei Über- bzw. Unterschreitung von Grenzwerten eines oder mehrerer Betriebsparameter.
Beispielsweise kann die Beschleunigung des FESS-Gehäuses 4 oder die Auslenkung des Rotors 5 aus der Sollposition in folgender Weise herangezogen werden:
Solange die Beschleunigung des FESS-Gehäuses 4, AaGehäuse / unterhalb eines Grenzwerts liegt, d.h.
Δθ-Gehäuse < LimitAa ,
erfolgt die Kraftgenerierung nur mittels der berührungsfreien Lagerung im „Unbalance Control"-Betrieb, d.h. mittels der Lagerung des Rotors 5 in dessen Trägheitshauptachse. Die elektrische Maschine 2 wird kräftefrei betrieben, um die Magnetlager 6, 7 geringstmöglich zu beeinflussen.
Solange die Auslenkung Ar des Rotors 5 an den Rotorenden unterhalb eines Grenzwertes liegt, d.h.
Ar < Limit A,r
d&r
und die Auslenkungsgeschwmdigkeit -^- an den Rotorenden unterhalb eines Grenzwertes liegt, d.h. dAr
< Limitdr/dt und solange die gewichtete Beziehung für die Auslenkung
(Gewichtungsfaktor a) und für die Auslenkungsgeschwindigkeit (Gewichtungsfaktor b) an den Rotorenden unterhalb eines
Grenzwertes liegt, also α■ Ar + b■— < Limitnh ,
dt aD '
(wobei a, b im Vorhinein durch Tests bestimmt werden können) erfolgt die Kraftgenerierung ebenfalls nur mittels der
berührungsfreien Lagerung im „Unbalance Control"-Betrieb, d.h. der Lagerung des Rotors 5 in dessen Trägheitshauptachse. Die elektrische Maschine 2 wird wiederum kräftefrei betrieben, um die Magnetlager 6, 7 geringstmöglich zu beeinflussen.
Ist die jeweilige Bedingung verletzt, erfolgt eine Umschaltung in den anderen Betriebsmodus - „lagerkraftgenerierend" .
Die erforderliche elektrische Gesamtleistung des Systems 1 wird basierend auf der Abweichung der tatsächlichen
Zwischenkreisspannung und deren Sollwert errechnet. Ein
Spannungsanstieg der Zwischenkreisspannung ergibt sich, wenn von extern kommende, im FESS 1 zu speichernde Energie in den Zwischenkreis eingebracht wird. Ein Spannungsabfall ergibt sich, wenn Energie aus dem Zwischenkreis entnommen wird und somit das FESS 1 entladen wird. Die Zwischenkreisspannung wird hierzu mittels Isolationsverstärker galvanisch getrennt, gefiltert und digitalisiert dem Leistungsregler zugeführt. Dieser kann beispielsweise als PID-Regler ausgeführt sein und im MikroController 30 der Regelung 17 der elektrischen
Maschine 2 integriert sein.
Die axiale magnetische Lagerung ist laut Stand der Technik, wie in Fig. 9 dargestellt, ausgeführt. Die Funktionsweise ist analog der radialen magnetischen Lagerung, abgesehen davon, dass keine Unwuchtregelung ausgeführt ist. Der Vollständigkeit halber wird nochmals auf die Darstellung der digitalen Regelung und Leistungselektronik 17 gemäß Fig. 2 verwiesen, wo eingangsseitig Einheiten 70 (für die Axial- Sollpositionsberechnung) und 71 (für die Radial- Sollpositionsberechnung) veranschaulicht sind. Weiters sind in Zuordnung zu den Radiallagern 6, 7 - AMB1, AMB2 (AMB - Active Magnet Bearing - aktives Magnetlager) -, zu den Axiallagern 8, 9 (bzw. AxB) und zur Maschine 2 bzw. SRM 1 die in den Fig. 8, Fig. 9 und Fig. 6 gezeigten Blöcke 55, 60 bzw. 35 gezeigt.
Die Fig. 14 und 15 veranschaulichen die Regelung und
Ansteuerung eines Magnetlagers ähnlich Fig. 8 und 9,
allerdings für ein konisches Magnetlager, das Kräfte in allen drei Koordinatenrichtungen erzeugen kann. Die gezeigte
Regelung ist für drei Elektromagnete vorgesehen, die um 120° versetzt am Stator angeordnet sind (s. Fig. 14) .
Konkret zeigt Fig. 14 ein FESS 1 ähnlich wie Fig. 1, jedoch in Außenläuferausführung und mit der angeführten konischen
Magnetlagerung. Im Vergleich zu Fig. 1 ist hier die
elektrische Maschine eine im Schwerpunkt liegende
Permanentmagnet-erregte Synchronmaschine (PMSM) , die ebenfalls lagernd und kräftefrei betrieben werden kann.
Die Außenläuferform bietet sich hier an, weil die
Permanentmagnete durch das Composite-Material des Rotors 5λ gestützt werden.
Auch bei PMSM-Maschinen treten bei exzentrischem Lauf radiale Kräfte auf, die je nach Läufertopologie auch eine
Winkelabhängigkeit aufweisen können (vgl. Charpentier J.F., Lemarquand G.: A comparative analysis of permanent magnet-type bearingless synchronous motors for fully magnetically
levitated rotors, Journal of Applied Physics, vol. 83, no . 11, 1998) . Durch eine entsprechende Ausführung der Magnetpole und des Windungssystems sowie eine separate Regelung der Spulen je Phase oder durch eigene Lagerwindungen (s. beispielsweise Yanbo Lv, Wenquan Zuo, Xiaoyan Diao and Huangqiu Zhu, Modeling and digital control system for bearingless permanent magnet synchronous motor based on magnetic energy equation, 1 Aug 2011) können PMSM, ebenso wie die SRM gemäß Fig. 1 bis 13, „kräftefrei" oder „lagernd" betrieben werden. Der Unterschied in der Ansteuerung von PMSM im Vergleich zur, im
vorhergehenden Ausführungsbeispiel eingesetzten SRM liegt darin, dass bei PMSM Standard-Motoransteuer-Konverter
eingesetzt werden können, die Stand der Technik sind.
Weiters sind in diesem Ausführungsbeispiel konische
Magnetlager 6λ, 7λ zur Lagerung des Rotors 5λ vorhanden, wie beispielsweise auch in Mohamed et al . , Conical Magnetic
Bearins with Radial and Thrust Control, IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL, 37 (12) (1992) : 1859-1868, beschrieben. Diese bieten den Vorteil, dass mit bereits sechs
Elektromagneten (drei je Rotorende) eine vollständige
magnetische Lagerung des Rotors 5λ möglich ist, wodurch ein kompakter Aufbau resultiert. Weiters ergibt sich ein
reduzierter Aufwand in der Ansteuerelektronik. Durch diese Ausführung kann der komplette weichmagnetische Zweig geblecht realisiert werden, wodurch sich geringere
Ummagnetisierungsverluste ergeben als bei aus
weichmagnetischem Vollmaterial hergestellten Magnetlagern.
Die Rotorposition wird in diesem Ausführungsbeispiel mittels vier, jeweils ebenfalls geneigt angeordneter
Wirbelstromsensoren erfasst. An jedem Rotorende sind zwei dieser Sensoren 10 λ, 11 λ platziert, wobei die Ebenen, die durch die jeweilige Sensorachse sowie die Mittelachse des Schwungrads 3λ aufgespannt werden, jeweils aufeinander normal stehen . Die „konische Lager-Regelung und -Ansteuerung" 80 (s. außer Fig. 14 auch Fig. 15) ist analog zur Radialmagnetlager- Regelung und -Ansteuerung 55 in Fig. 8 ausgeführt. Der
Unterschied liegt lediglich darin, dass dem Kennfeld, aus dem die Sollströme der Elektromagneten errechnet werden (Block 34 λ
„Kennfeld" IAMBI) ,soü i x,AMBi) > Fy,AMBij> sx,AMBij> sy,AMBij> sz,AMBij) ) SOWOhl die Sollkräfte in x- und y-Richtung aus dem Radial- Positionsregler 33 λ als auch die in z-Richtung aus dem Axial- Positionsregler 61 λ zugeführt werden. Hierzu erfolgt im Block 53 λ „Koordinatentransformation" eine Umrechnung der
Abstandssensorsignale in Radial- und Axialrichtung. Die
Berechnung des Kennfelds (Block 34 λ) erfolgt in an sich bekannter Weise über die geometrischen Beziehungen und die Nichtlinearität des magnetischen Kreises.
Die dem Kennfeld-Block 34 λ nachgeschalteten drei
Stromregelungs-Blöcke entsprechen enen gemäß Fig. 8, so dass sich eine neuerliche Beschreibung erübrigen kann.
In Fig. 16 ist ein FESS-System 1 mit aktiver Magnetlagerung ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt, mit dem Unterschied, dass jetzt mehrere - z.B. zwei - elektrische Maschinen 2.1, 2.2 in Form von SRMs vorgesehen sind. Dementsprechend sind auch zwei Regelungs- und Ansteuerungs-Blöcke 35, je einer für eine der beiden elektrischen Maschinen 2.1, 2.2, vorgesehen. Im Übrigen entspricht die Ausführung jener gemäß Fig. 1 und 2, so dass auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann.
Von Bedeutung ist bei diesem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16, dass dann, wenn zwei elektrische Maschinen 2.1, 2.2 eingesetzt werden, diese auch als unterstützende Lagerung bei großen externen Störungen eingesetzt werden können, wobei aufgrund der in Fig. 16 gewählten Platzierung an den Wellenenden auch eine alleinige Lagerung mit den im Betriebsmodus „lagernd" betriebenen elektrischen Maschinen 2.1, 2.2 möglich ist (redundante Lagerung, z.B. falls die dedizierte magnetische Lagerung, gemäß Fig. 1 bis 9, wird die erforderliche elektrische Gesamtleistung des Systems 1 basierend auf der Abweichung der tatsächlichen
Zwischenkreisspannung und auf deren Sollwert errechnet. Der zugehörige Regler kann beispielsweise wiederum als PI-Regler ausgeführt sein und im MikroController (s. z.B. μθ 17 in Fig. 1) der Regelung der elektrischen Maschinen (Blöcke 35) integriert sein. Zusätzlich erfolgt die oben beschriebene Leistungsaufteilung zwischen den elektrischen Maschinen 2.1, 2.2 mittels Pulsweitenmodulation der Antriebsleistung.
Selbstverständlich können auch mehr als zwei elektrische
Maschinen koaxial zueinander angeordnet sein. Ein Vorteil bei dem Vorsehen von zwei oder mehr elektrischen Maschinen ist der, dass - wie oben erwähnt - eine unabhängige
Leistungsregelung vorgesehen werden kann, wobei dann auch eine Einrichtung zur Aufteilung der Leistung auf die Maschinen vorgesehen wird, die beispielsweise gemäß Fig. 16 durch die Einheiten 17 und 35 realisiert sein kann. Mit Hilfe dieser Leistungsaufteilung können die Maschinen, z.B. 2.1, 2.2, derart angesteuert werden, dass ein maximaler
Gesamtwirkungsgrad der Maschinenkombination erhalten wird. Andererseits kann auch die Ansteuerung der Maschinen so erfolgen, dass ein maximaler Gesamtwirkungsgrad für die
Maschinen samt Ansteuerung erzielt wird. Weiters ist es denkbar, die Leistungskonverter (26 in Fig. 5) hinsichtlich ihrer Betriebstemperatur zu überwachen, wobei die Einrichtung zur Leistungsaufteilung dann die Maschinen derart ansteuert, dass eine möglichst geringe Betriebstemperatur der
Leistungskonverter 26, die die Maschinen ansteuern,
sichergestellt wird. Schließlich ist es auch noch denkbar, die Innentemperatur des Maschinengehäuses 4 zu überwachen und die Leistungsaufteilung für die Maschinen, z.B. 2.1, 2.2, derart vorzusehen, dass durch die Ansteuerung der Maschinen die
Verluste innerhalb des Gehäuses minimiert werden.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel wird im Übrigen gemäß Fig. 16 der Rotor 5 im ersten Betriebsmodus in seiner
Trägheitshauptachse mittels der magnetischen Lagerung
gelagert. Die elektrischen Maschinen 2.1, 2.2 werden in diesem Betriebsmodus „kräftefrei" betrieben. Die Auslenkungen des Rotors 5 werden über die geometrische Beziehung von
Positionssensor 10 zu elektrischer Maschine 2.1 bzw. 2.2 bzw. Lager 6, 7 ermittelt. Auch hier erfolgt eine Umschaltung in den zweiten Betriebsmodus (Lagerkraftgenerierung der
elektrischen Maschinen) entsprechend den zum ersten
Ausführungsbeispiel beschriebenen Umschaltbedingungen.
In Fig. 17 ist zur Ergänzung allgemein der Wirkungsgrad η eines SRM-Motors 2 in Abhängigkeit von der elektrischen
Leistung P dargestellt, wobei auch das Wirkungsrad-Maximum r\ma gezeigt ist. Der Zusammenhang zwischen η und P ist im übrigen bei PMSM-Maschinen ähnlich.
In Fig. 18 ist eine Rotorwelle 5 gezeigt, die am oberen und unteren Ende jeweils mit Hilfe eines aktiven Luftlagers 6λ bzw. 7λ gelagert ist. Weiters sind wiederum zwei elektrische Maschinen 2.1, 2.2 für den Antrieb der Rotorwelle 5
vorgesehen. Diese elektrischen Maschinen 2.1, 2.2 können wiederum SRM- oder PMSM-Maschinen sein, oder jede andere
Motortechnologie aufweisen, die es ermöglicht, aktiv radiale Kräfte zu erzeugen.
Die Darstellung einer axialen Lagerung wurde in Fig. 18 der Einfachheit halber weggelassen, sie kann beispielsweise so wie in Fig. 1 bzw. wie bei Fig. 16 gezeigt ausgeführt sein. Wenn im vierten Ausführungsbeispiel, gemäß Fig. 18, ein rotatorisches Lager- und Antriebs-System mit Luftlagerung und zwei elektrischen Maschinen gezeigt ist, so könnte
selbstverständlich auch nur eine elektrische Maschine 2 vorgesehen sein. Die Lagerung des Rotors 5 erfolgt wiederum im normalen oder ersten Betriebsmodus einfach mittels der
Luftlagerung, wobei die Maschine oder Maschinen 2.1, 2.2 „kräftefrei" betrieben werden.
Sobald, wie im ersten Ausführungsbeispiel, die
Umschaltbedingung erfüllt ist, wird der SRM 2 bzw. werden die SRMs 2.1, 2.2 wiederum, wie beschrieben, vom „kräftefreien" Betriebsmodus in den „lagernden" Betriebsmodus umgeschaltet, wodurch größere Störkräfte oder der Ausfall der Luftlager nicht zu einem Anschlagen des Rotors 5 am Stator führen können .
In den Figuren 19 bis 21 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein translatorisches Lager- und Antriebs-System mit aktiver Magnetlagerung und einer elektrischen Maschine (SRM) gezeigt.
Im Einzelnen ist Fig. 19 eine schaubildliche Ansicht einer magnetisch gelagerten Linearantriebseinheit 90; die zugehörige digitale Regelung und Leistungselektronik 91 ist in Fig. 21 veranschaulicht; Fig. 20 zeigt im Einzelnen schematisch eine Linearmaschine 92, die auf dem Reluktanzprinzip basiert, als Antrieb, mit einem Läufer bzw. Anker 95. Auf die Darstellung von Abstandssensoren etc. wurde aus Gründen der Übersicht verzichtet .
Die magnetische Lagerung erfolgt mittels Elektromagneten nach Stand der Technik. Dabei sind jeweils vier Lagermagnete gemäß einer Achse zusammengefasst . Wie dabei aus Fig. 19 ersichtlich ist, gibt es obere Lagermagnete (Elektromagnete ) 93, die für eine vertikale Stabilisierung sorgen. Weiters sind Lagermagnete (Elektromagnete ) „rechts" 94 und Lagermagnete (Elektromagnete ) „links" 96 für die horizontale Stabilisierung vorgesehen. Der Antrieb (92 in Fig. 20) weist einen linken Stator 98 und einen rechten Stator 97 auf, vgl. außer Fig. 19 auch Fig. 20.
Was die vorerwähnten Lagerungs-Achsen betrifft, so arbeitet die vertikale Lagerung-Achse Axl mit den Magneten AxlA, AxlB unabhängig. Die Achse Ax2, mit den Magneten Ax2A, Ax2B, Ax2C und Ax2D führt die obere Lagerung des plattenförmigen Läufers 95 aus; die Achse Ax3, mit den Magneten Ax3A, Ax3B, Ax3C und Ax3D (Ax3B ist in Fig. 19 verdeckt) realisiert die untere Lagerung des Platten-Läufers 95.
Gemäß Fig. 20 sind am Läufer 95 Erregerspulen la, lb; 2a, 2b; und 3a, 3b zur Bildung der Elektromagneten 99 angebracht.
Durch die aus Fig. 20 im besonderen ersichtliche Statorform (Statorteile 97, 98) entsteht wie erwähnt eine
positionsabhängige Reluktanz, die für den Vorschub des Läufers 95 genützt wird.
In Fig. 21 ist die digitale Regelung und Leistungselektronik 91 in einem abstrahierten Blockschaltbild veranschaulicht. Ähnlich wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, die rotatorische Systeme betreffen, sind auch gemäß Fig. 21 für die Regelung der Lagerachsen sowie der elektrischen Maschine die Unterblöcke ausgeführt, mit dem Unterschied, dass
(natürlich) keine Unbalance-Control zur Anwendung kommt und statt des Drehwinkels der elektrischen Maschine 2 die
Verschiebung des Läufers 95 Verwendung findet.
Durch bewegungsrichtungsabhängige Bestromung der Spulenpaare Spule la bis Spule 3a (linke Spulen) sowie Spule lb bis Spule 3b (rechte Spulen) der Antriebseinheit wird die Antriebskraft generiert. Wie beim rotatorischen System 1 entstehen auch beim translatorischen System 90 abhängig vom Abstand zwischen feststehendem Stator 97, 98 und beweglichem Läufer 95 Kräfte normal auf die Platte. Durch unterschiedliche Bestromung der linken und rechten Läuferspulenpaare la bis 3a bzw. lb bis 3b können auch hier Asymmetrien ausgeglichen werden, d.h. ein „lagerkräftefreier" Lauf kann erzielt werden, und durch die Umschaltung des Betriebsmodus in den „Lagerbetrieb" können auch starke externe Störkräfte, die mit der magnetischen
Lagerung allein nicht zu handhaben sind, abgestützt werden.
Im Einzelnen sind in der Einheit für die digitale Regelung und Leistungselektronik, s. Block 91 in Fig. 21, analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen eine
Sollpositionsberechnungseinheit 70 λ für die Lagerachse 1 und eine Sollpositions-Berechnungseinheit 71 λ für die Lagerachsen 2, 3 vorgesehen. Eine Detektions- und Schalteinheit 52 λ, 52 λ λ dient wiederum zur Erkennung der Über- bzw. Unterschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts für zumindest einen
Betriebsparameter, und zur Umschaltung von einem Betriebsmodus in den anderen.
Schließlich sind in Fig. 21 analog zu Fig. 2 eine elektrische Maschinen-Regelung-Ansteuerung 35 λ sowie weiters drei
Regelungs-Ansteuerungs-Blöcke 55.1 (für die Magnetlagerachse Axl), 55.2 (für die Magnetlagerachse Ax2) und 55.3 (für die Magnetlagerachse Ax3) gezeigt. Schließlich sind die
angesteuerten Blöcke SRM1 (vgl. auch Fig. 20) sowie die
Lagermagnete für die Achsen Axl, Ax2 und Ax3 veranschaulicht.

Claims

Patentansprüche :
1. Lager- und Antriebs-System (1) mit mindestens einer
elektrischen Maschine (2) samt Ansteuerung (50), wobei die Lagerkraft des jeweiligen Lagerfreiheitsgrades der Maschine (2) aktiv beeinflussbar ist, und mit einer berührungsfrei arbeitenden, aktiv beeinflussbaren Lagerung (6, 7) samt
Ansteuerung (55), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung
(50) der Maschine (2) zwei Betriebsmodi aufweist, von denen der eine Betriebsmodus eine Minimierung der Krafteinflüsse der elektrischen Maschine (2) auf die betreffenden
Lagerfreiheitsgrade und der andere Betriebsmodus eine aktive Lagerkraftgenerierung der elektrischen Maschine (2) zur
Lagerunterstützung bewirkt, und dass eine Detektions- und Schalteinheit (52 λ, 52 λ λ) zur Umschaltung zwischen den zwei Betriebsmodi bei Über- bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts von zumindest einem Betriebsparameter vorgesehen ist, mit der eine Regel- oder Steuereinheit (35) für die
Maschine (2) und die Lagerung (6, 7) verbunden ist.
2. Lager- und Antriebs-System nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Detektions- und Schalteinheit (52 λ, 52 λ λ) zur Erfassung einer Abweichung des Läufers (5, 5λ) bzw. Ankers (95) der Maschine aus einer geometrischen Mittellage eingerichtet ist.
3. Lager- und Antriebs-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- oder Steuereinheit (35) eine auf einem gespeicherten Kennfeld (34, 62) oder Modell samt Beobachter basierende asymmetrische Bestromung der Spulen (la- 3b) der Maschine (2) vorsieht.
4. Lager- und Antriebs-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter die Auslenkung und bzw. oder die Auslenkungsgeschwindigkeit des Läufers (5, 5λ) bzw. Ankers (95) und bzw. oder die Beschleunigung des Gehäuses (4) der Maschine (2) vorgegeben sind .
5. Lager- und Antriebs-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektions- und
Schalteinheit (52 52") eingerichtet ist, der Umschaltung des Betriebsmodus im Fall von mehreren Betriebsparametern eine gewichtete Kombination von Betriebsparametern zugrundezulegen.
6. Lager- und Antriebs-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Maschinen (2.1, 2.2) vorhanden sind, die eine unabhängige
Leistungsregelung sowie eine Einrichtung (17, 35; Fig. 16) zur Leistungsaufteilung aufweisen.
7. Lager- und Antriebs-System nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17, 35; Fig.16) zur Leistungsaufteilung eingerichtet ist, die elektrischen
Maschinen (2.1, 2.2) im Sinne einer Maximierung des
Gesamtwirkungsgrads der elektrischen Maschinen anzusteuern.
8. Lager- und Antriebs-System nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die die Einrichtung (17, 35; Fig.16) zur Leistungsaufteilung eingerichtet ist, die elektrischen
Maschinen (2.1, 2.2) im Sinne einer Maximierung des
Gesamtwirkungsgrads der elektrischen Maschinen samt
Ansteuerung anzusteuern.
9. Lager- und Antriebs-System nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17, 35; Fig.16) zur Leistungsaufteilung eingerichtet ist, die elektrischen
Maschinen (2.1, 2.2) im Sinne einer Minimierung der
Betriebstemperatur von Leistungskonvertern (26), die die elektrischen Maschinen ansteuern, anzusteuern.
10. Lager- und Antriebs-System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (2.1, 2.2) mittels der Einrichtung zur Leistungsaufteilung dahingehend angesteuert werden, dass die Verluste innerhalb des Gehäuses minimiert werden.
11. Lager- und Antriebs-System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem
Schwungradspeicher (3) zur Speicherung von elektrischer
Energie (Flywheel Energy Storage System-FESS) ausgeführt ist.
12. Lager- und Antriebs-System nach einem der Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es als rotatorisches System ausgeführt ist.
13. Lager- und Antriebs-System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es als translatorisches System (92) ausgeführt ist.
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