Balanceakt in der Schwebe

Chemnitzer Elektrotechniker entwickeln neuartige Sensoren für berührungsfreie aktive Magnetlager

Wo herkömmliche Wälz- oder Gleitlager an ihre Grenzen stoßen, erschließt sich das Einsatzpotential von Magnetlagern. Diese Technik erlaubt aufgrund der berührungsfreien Lagerung von Körpern mittels Magnetfelder Drehzahlen jenseits von 100.000 min-1 ohne mechanische Reibung und sogar den Einsatz im Hochvakuum. So sind Magnetlager beispielsweise in teuren Präzisions-Werkzeugmaschinen, medizinischen Zentrifugen oder Schwungrädern zur Energiespeicherung zu finden.

Seit mehr als zwei Jahrzehnten wird an der TU Chemnitz Grundlagenforschung auf dem Gebiet der aktiven Magnetlagertechnik betrieben. Derzeit befassen sich Wissenschaftler der Professur Elektrische Maschinen und Antriebe um Prof. Dr. Wilfried Hofmann mit neuartigen Lagesensoren für magnetisch gelagerte Wellen. Diese Sensoren sind notwendig, da ein magnetisch gelagerter Körper ein höchst instabiles System darstellt und daher ständiger Lagemessung und -korrektur bedarf.

Thomas Schuhmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur, greift bei seiner Forschung ein seit langem bekanntes und erfolgreich eingesetztes Messprinzip auf – die Lageerfassung mittels kapazitiver Sensoren. Dabei wird die Kapazität zwischen einer Sensorelektrode und einer auf der im Magnetfeld schwebenden Welle angeordneten Gegenelektrode erfasst und ausgewertet. Damit sind Auflösungen von bis zu 50 Nanometer, was etwa dem Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht, realisierbar. Die Besonderheit des neu entwickelten Verfahrens ist die vollständige Integration des Messsystems in das aktive Magnetlager. Als Gegenelektrode dient dabei das Blechpaket der schwebenden Welle selbst. Durch den Wegfall externer Sensoren verringert sich der Raumbedarf des Lagers erheblich, wodurch Wellen wiederum kürzer ausgeführt werden können. „Der relativ einfache konstruktive Aufbau der Sensorik könnte dazu führen, dass die bisher hohen Kosten für magnetische Lager deutlich gesenkt und weitere Anwendungsfelder erschlossen werden“, so Schuhmann.

Parallel dazu entwickelt sein Kollege Marco Schramm ein in der Magnetlagertechnik neuartiges Sensorenkonzept. Dieses basiert auf einer Idee des ehemaligen Mitarbeiters der TU Chemnitz, Prof. Dr. Ralf Werner (jetzt Hochschule Mittweida). Magnetische Lagesensoren auf der Basis von Kompensationsstromwandlern erfassen die Rotorlage einer ferromagnetischen Welle und deren Auslenkgeschwindigkeit. Das erübrigt eine externe Differentiation des Lagesignals und verringert somit den Rechenaufwand und Rauschpegel im Regelkreis deutlich. Da die Sensoren in Differentialanordnung betrieben werden, verbessern sich zudem die Messempfindlichkeit und Linearität. Dieses System erfüllt die hohen Anforderungen der Magnetlagertechnik und ist zudem robust und kostengünstig produzierbar. Zumal das Prinzip nicht nur in aktiven Magnetlagern, sondern auch in einer breiten Palette mechatronischer Systeme sowie bei der Maschinenüberwachung und -diagnose anwendbar sein wird.

Weitere Informationen erteilen Dipl.-Ing. Thomas Schuhmann, Telefon (03 71) 5 31 – 33 79, E-Mail thomas.schumann@etit.tu-chemnitz.de und Dipl.-Ing. Marco Schramm, Telefon (03 71) 5 31 – 33 77, E-Mail marco.schramm@etit.tu-chemnitz.de

(Autor: Ronny Oehme)