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Bibliographic Metadata

Title
Beiträge zur Auslegung von Rotorsystemen mit permanentmagnetisch passiv stabilisierten Radial- und Kippfreiheitsgraden / eingereicht von Dipl.-Ing. Edmund Marth
AuthorMarth, Edmund
CensorAmrhein, Wolfgang ; Bleuler, Hannes
Thesis advisorAmrhein, Wolfgang
PublishedLinz, 2017
Descriptionx, 199 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteUniversität Linz, Dissertation, 2017
LanguageGerman
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Permanentmagnetlager / passive Magnetlager
Keywords (EN)permanent magnetic bearings / passive magnetic bearings
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-17160 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Beiträge zur Auslegung von Rotorsystemen mit permanentmagnetisch passiv stabilisierten Radial- und Kippfreiheitsgraden [12.09 mb]
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Abstract (German)

Den großen industriellen Durchbruch haben magnetgelagerte Rotorsysteme noch nicht geschafft. Der Grund dafür ist im Bereich der aktiven Magnetlagerung vorrangig die hohe Komplexität und die damit verbundenen hohen Kosten. Sie finden also nur in nicht kostengetriebenen Nischenmärkten ihren Einsatz. Um die Magnetlagertechnik und ihre Vorteile für einen breiten Anwendungsbereich mit höherem Kostendruck wie Lüftern, Pumpen oder Spindeln nutzbar zu machen, sind besonders einfache Magnetlagersysteme notwendig. Solche Konzepte sind vor allem durch die Reduktion aktiver Komponenten möglich. Eine Gegenüberstellung der passiven Stabilisierungsmöglichkeiten zeigt, dass sich insbesondere permanentmagnetische Lagerstellen als Ersatz anbieten. Damit können bis zu vier Freiheitsgrade passiv stabilisiert werden. Die Problematik der Auslegung, Optimierung und insbesondere der Dämpfung magnetisch (teil)passiv gelagerter Systeme stellt den ersten Schwerpunkt der Arbeit dar. Dazu werden dynamische Grundkonzepte mit passiver Radial- und Kippstabilisierung sowie grundsätzliche Dämpfungsansätze untersucht. Als zentralem Element der Auslegung wird auch der Modellierung des rotordynamischen Verhaltens der entsprechende Platz eingeräumt. Schließlich wird das Zusammenspiel und die gegenseitige Beeinflussung von passiven Magnetlagern, aktivem Magnetlager (zur Stabilisierung des axialen Freiheitsgrades), Motor und Konstruktion untersucht sowie Spezifikations- und Zielgrößen für eine Systemoptimierung präsentiert.

Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die materialoptimierte Auslegung permanentmagnetischer Ringlager. Dazu wird eine auf der Interaktionsenergie magnetischer Elementardipole basierende Methode zur Berechnung der Radial- bzw. Axialsteifigkeit hergeleitet, mit deren Hilfe grundsätzlich beliebige Magnetisierungsformen abgebildet werden können. Ausgehend von Einzelringlagern wird durch gestapelte Anordnungen mit entsprechender Magnetisierung eine sukzessive Verbesserung der Materialausnützung erzielt, bis hin zu einer Lagerstelle mit kontinuierlich rotierender Magnetisierung. Für eine solche wird schließlich auch eine Realisierung vorgestellt. Ebenso wird ein auf Graphen basierendes Auslegungsverfahren für permanentmagnetische Lagerstellen präsentiert.

Abstract (English)

Although the advent of magnetic bearing technology was about 100 years ago, magnetically levitated systems are still limited to niche markets. This is mainly due to the high complexity of active magnetic bearings, comprising sensors, actuators, power electronics, and advanced signal processing leading to high-priced overall systems. To bring magnetic bearing technology and its advantages to a broader market subjected to high cost pressure, e.g., for blowers, pumps, or textile spindles, magnetic bearing systems showing reduced constructive complexity are necessary. This can be obtained by using passive stabilization techniques. Especially permanent magnetic bearings seem to be a good choice. Although it is not possible to stabilize all degrees of freedom by this method, systems with only one actively controlled (translational) degree of freedom can be realized. One major challenge in the development of magnetically passively stabilized systems is that it is basically not possible to tune the system after it is built up (what is possible with active magnetic bearings within certain limits). Thus, very detailed modeling of such a system and all its components is necessary. The difficulty of precise modeling of the whole system behavior including the interaction of the system components (passive bearings, active bearing, drive, ...) and the optimization of such systems is the first main topic of this work. Essential parts of this system-based investigations are the modeling of rotordynamic behavior and a study concerning damping injection methods.

The second main topic deals with optimal design of permanent magnetic bearings. More precisely, based on special magnetization patterns of the bearings rings, the ratio of stiffness to magnet volume is maximized. For this purpose, an analytical stiffness calculation method is developed, which is capable of dealing with arbitrary magnetization patterns. Outstanding material utilization is reached by a sinusoidal magnetization, for which also a realization is presented. Finally, a graph-based method is introduced to quickly find an optimal permanent magnetic bearing configuration.