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Titelaufnahme

Titel
Towards high-speed bearingless disk drives / submitted by Hubert Mitterhofer
AutorInnenMitterhofer, Hubert
Beurteiler / BeurteilerinAmrhein, Wolfgang ; Maslen, Eric
Betreuer / BetreuerinAmrhein, Wolfgang
ErschienenLinz, April 2017
Umfangxii, 179 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2017
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)lagerloser Hochgeschwindigkeitsantrieb / Magnetlager / Kippstabilisierung / Scheibenläufer
Schlagwörter (EN)bearingless high-speed drive / magnetic bearings / tilt stabilization / disk drive
Schlagwörter (GND)Scheibenläufer / Stabilisierung / Magnetlager / Lagerloser Motor
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-15137 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
Dateien
Towards high-speed bearingless disk drives [4.05 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Englisch)

Bearingless disk drives unite the functionality of magnetic bearings with electrical drives in a highly compact form with reduced mechanical complexity. The rotor field of a permanent magnet synchronous machine is used for passive stabilization in axial and tilt directions and, additionally, serves for the active creation of radial forces. This special magnetic levitation topology is being used in high-purity pumps in the pharmaceutical, medical, and the semiconductor industry which operate at low speeds. The research activities leading to this work proposed the use of bearingless disk drives for high rotational speeds for the first time. Many aspects of high-speed operation such as increased winding and stator core losses, or the special challenges in mechanical rotor design due to the high centrifugal forces are, therefore, being considered in this work. Equally, the ability to provide sufficient active radial forces and drive torque independently in an efficient fashion is a key specification for the bearingless operation. The design process includes the definition of suitable criteria which reflect the above-mentioned drive properties and demonstrates the advantageous application of multi- objective numerical optimization to the problem. Special attention is also given to the problem of tilting motion in a dedicated chapter since many possible applications involve high-speed impellers or turbines with tight housing tolerances. As tilt-triggered gyroscopic whirl can lead to the destruction of the system, a novel electrodynamic stabilization coil is proposed and documented based on a corresponding experiment. As a result of the design process, several prototypes have been constructed, each realizing either a 5-phase double coil or a 6-phase single coil toroid winding concept using litz-wire and a low-loss slotless stator core. The prototype rotors comprise diametrically magnetized, ring-shaped rotors with high-strength support bandages and have a total outer rotor diameter between 30mm and 32mm. The developed radial position and rotational speed control loop with an underlying current controller features several non-linear extensions for reducing either losses, undesired rotor motion, or computation time. Different experiments for demonstrating the operational behavior, including rotor orbits during run-up and input power measurements have been conducted using this control scheme which was implemented at a standard DSP which controls a 10 half-bridge power electronic module. The maximum rotational speed reached during these experiments was 115000rpm which corresponds to a surface speed of 192.6 m / s . To the knowledge of the author, this surface speed constitutes a world record for magnetically levitated disk drives. A detailed analysis of the losses provides analytic models for the iron losses, the eddy current winding losses, and the windage losses. Existing models have been matched to the loss measurements conducted at a customized test rig in order to allow an extrapolation of the expected losses at a speed of 200000rpm.

Zusammenfassung (Deutsch)

Lagerlose Scheibenläuferantriebe vereinen die Funktionalität von Magnetlagerung und elektrischer Maschine in einer hochkompakten, die mechanische Komplexität reduzierenden Form. Das Rotormagnetfeld einer permanenterregten Synchronmaschine wird für die passive Stabilisierung von axialen und Kippauslenkungen mitverwendet und dient zusätzlich der Erzeugung von aktiven Radialkräften. Diese spezielle Magnetlagertopologie wird in hochreinen Pumpen in der pharmazeutischen, medizinischen und der Halbleiterindustrie, mit Drehzahlen von 5000U/min bis 15000U/min eingesetzt. Im Rahmen der hier beschriebenen Forschungsarbeit wurde zum ersten Mal die Hochgeschwindigkeitseignung lagerloser Antriebe untersucht. Daher behandelt diese Arbeit Aspekte wie etwa Wicklungswirbelstrom- und Statorverluste oder spezielle Herausforderungen im mechanischen Rotordesign zufolge der auftretenden Zentrifugalkräfte. Gleichermaßen sind die ausreichende, effiziente und voneinander unabhängige Erzeugung von Radialkräften und Antriebsmoment wichtige Designvorgaben. Der Designprozess inkludiert die Definition von geeigneten Kriterien, die oben genannte Anforderungen widerspiegeln und demonstriert die Möglichkeiten von mehrkriterieller, numerischer Optimierung. Besonderes Augenmerk wird in einem eigenen Kapitel auch dem Problem des Rotorkippens gewidmet, da Verdichter oder Turbinen mit engen Gehäusespalten mögliche Anwendungen darstellen. Da solche Systeme durch gyroskopische Taumelbewegungen zerstört werden können, wird eine neuartige Stabilisierungsspule vorgestellt und ihr Einfluss anhand eines Experiments dokumentiert. Infolge des Designprozesses wurden mehrere Prototypen aufgebaut, die über nutenlose Statoren, Litzendraht-Toroidwicklungen und ein 5-strängiges Doppelspulen- oder ein 6-strängiges Einfachspulenkonzept verfügen. Die bandagierten Rotoren mit Außendurchmessern von 3032mm sind diametral magnetisiert. Zum Betrieb wurde eine Drehzahl- und eine Radialpositionsregelschleife mit unterlagertem Stromregelkreis und einigen nichtlinearen Erweiterungen umgesetzt, die einer Reduktion von Verlustleistung, unerwünschter Rotorbewegung oder benötigter Rechenzeit dienen. Unterschiedliche Messungen, etwa des Rotororbits oder der aufgenommenen Leistung beim Hochlauf wurden unter Einsatz dieses Regelschemas durchgeführt, das auf dem digitalen Signalprozessor der 10-Halbbrücken-Leistungselektronik implementiert wurde. Die bei diesen Versuchen erreichte Maximaldrehzahl von 115000rpm entspricht einer Oberflächengeschwindigkeit von 192.6 m / s , welche nach bestem Wissen des Autors einen Weltrekord für lagerlose Scheibenläufer darstellt. Eine detaillierte Verlustanalyse mündet in analytische Modelle für Eisen-, Luftreibungs- und Wicklungswirbelstromverluste. Dafür wurden bestehenden Modelle an die an einem speziellen Prüfstand gemessenen Verluste angepasst, um eine Verlustvorhersage bei einer Zieldrehzahl von 200000U/min zu ermöglichen.

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