Gastkommentar

Eine neue Regelungstechnik sucht ihre Anwendungen

| Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Manfred Schrödl / Gerd Kucera

Univ.Prof. Dr. Manfred Schrödl: Er ist seit 1988 an der TU Wien tätig und leitet heute dort das Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe.
Univ.Prof. Dr. Manfred Schrödl: Er ist seit 1988 an der TU Wien tätig und leitet heute dort das Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe. (Bild: TU Wien/Wilke)

„Ohne fehleranfällige Sensorik in der elektrischen Antriebstechnik auszukommen, ist in vielen Anwenderbranchen und Bereichen des täglichen Lebens ein deutlicher Zugewinn.“

In elektrischen Antrieben muss alles rund laufen und leichtgängig sein. Jede Reibung verschwendet wertvolle Energie. Bei vielen rotatorisch angetriebenen Maschinen kommen daher beispielsweise Magnetlager zum Einsatz, die den Rotor berührungslos schweben lassen, sodass er reibungsfrei in seiner Position festgehalten wird.

Allerdings muss man dann mit ausgefeilter elektronischer Regelungstechnik dafür sorgen, dass der Rotor auch bei hohen Drehzahlen genau dort bleibt, wo er sein soll und nicht mit dem umgebenden Motorgehäuse im Lauf der Zeit möglicherweise kollidiert. Durch unsere Erfindung lässt sich die dazu nötige Information nun vollständig ohne zusätzliche Sensoren auf eine viel einfachere Weise elektrisch auslesen. Bisher war das nur mit komplizierten Sensor-Systemen möglich. Solche schwebende Rotoren in Elektromotoren sparen viel Energie im Antrieb. Mit dieser Entwicklung ist jetzt die sensorlose Steuerung von Magnetlagern praktikabel.

Es gibt unterschiedliche Arten von rotierenden Wellen, bei denen ein berührungsfreies Lager besonders wichtig ist. Solche als Flywheels bezeichnete Wellen sind beispielsweise auch dafür gedacht, Rotationsenergie über Stunden hinweg zu speichern und sie dann nach Bedarf in elektrische Energie umzuwandeln. Das ist aber nur sinnvoll, wenn die Reibungsverluste minimal sind. Auch bei Vakuumpumpen soll jede Reibung, die Abrieb verursachen könnte, unbedingt vermieden werden, und bei Antriebswellen, die eine besonders hohe Drehzahl erreichen müssen, führt an Magnetlagern oft ebenfalls kein Weg vorbei.

Das Problem bei Magnetlagern ist, dass man die Position des Rotors elektronisch fixieren muss. Lässt man den schwebend gelagerten Rotor ungeregelt rotieren, würde er bald in eine Richtung driften, mit dem Lager kollidieren und die Maschine zerstören. Daher misst man mit speziellen Sensoren kontinuierlich die Position des Rotors und steuert mit Elektromagneten dagegen, sodass er trotz seiner sehr schnellen Rotationsbewegung immer am selben Ort bleibt.

Doch solche Sensoren in elektrischen Antrieben bringen immer wieder Probleme mit sich. Beispielsweise verursachen sie Kosten, benötigen ausreichend Bauraum und sind immer besonders ausfallkritisch. Dünne Drähte und feine Lötstellen bei den Sensoren gehen leicht kaputt und sind für viele Motorenausfälle verantwortlich.

An der Technischen Universität Wien gingen wir daher einen ganz anderen Weg. Die Elektromagneten, die man zum Nachjustieren der Rotor-Position verwendet, nutzen wir gleichzeitig auch als Sensoren. Durch das Magnetfeld sind der Rotor und die elektromagnetische Spule miteinander gekoppelt. Wenn man nun die zeitliche Veränderung des Stroms misst, die in der Spule auftritt, lässt sich daraus die Position des Rotors ganz genau berechnen.

Die mathematische Methode dafür entwickelte unser Team; die grundlegende Idee dazu wurde patentiert. Nun steht ein funktionsfähiger Prototyp zur Verfügung, der in der Praxis erprobt werden kann. Die entwickelte Technik ist ausgereift, jetzt suchen wir nach Industriepartnern, die davon profitieren möchten (manfred.schroedl@tuwien.ac.at). Während der Hannover Messe zeigten wir dieses Magnetlager erstmals der Öffentlichkeit – das Interesse war beeindruckend.

Eine sensorlose Antriebstechnik hat für viele Anwendungen ganz entscheidende Vorteile. So stellte unser Team auf der Hannover Messe auch eine sensorlose Drehzahlregelungsmethode für Elektromotoren vor. Viele Applikationen können vorteilhaft mit sensorlosen Verfahren wie etwa EMK-Modelle und der INFORM-Methode betrieben werden, die eine Geberersatzinformation über mathematische Modelle und mittels Erfassung elektrischer Größen bereitstellen. Solche neue Technik wird bereits mit großem Erfolg in Industrie- und Medizinapplikationen eingesetzt. Mit diesen und anderen Innovationen sind effiziente und sichere Lösungen möglich.

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