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A. Schulz:
"Entwicklung eines aktiven Magnetlagers mit hoher Betriebssicherheit";
Supervisor, Reviewer: J. Wassermann, W. Ahmrein; Inst. für Mechanik und Mechatronik, 2006; oral examination: 2006-07-12.

Active magnetic bearings (AMB) allow a lubricant and friction free support of structures, e.g.
rotors. Important advantages of this ecologically friendly technology are that there is no systematical
requirement for maintenance as well as the possibility to adjust bearing parameters to
various operating conditions. The most significant drawback of AMB-technology is that even
a single failure within one sub-assembly (digital controller, magnetic actuator, amplifier, position
sensors and signal converters) causes a break down of the bearing load capacity. The
risk of an unintentional machine standstill combined with the resulting costs is one major reason
that the broad industrial acceptance of active magnetic bearings is quite low at the time.
Known concepts from the literature for increasing the reliability of active magnetic bearings
are mainly based on a more or less multiple redundancy and a global error detection ("global
voter"). These concepts show some significant drawbacks: Higher costs, higher weight and
higher space requirements in spite of the remaining risk of a failure due to a defective "global
voter" or a malfunctioning coupling of working subassemblies or decoupling of defect ones.
Within this PhD-thesis an alternative concept considering economical aspects has been developed,
built and tested to increase the overall reliability of active magnetic bearings. The main
goals, which have been achieved, are:
. Reduced costs, weight and space requirements due to a modular redundancy only for the
. switching amplifiers, which usually are the most endangered components in industrial ap-
. plications,
. automatic and decentralized recognition of a module failure by a so-called "local voter",
. automatic and reliable decoupling of a defect module,
. replacement of defect modules during operation (hot-swap),
. high noise immunity and signal quality by a spatial and electrical isolation of the controller
. from electromagnetic stray fields combined with a highly integrated and fully digitized ac-
. tuator control.
First, a detailed simulation model of the module-based switching amplifier has been developed.
With this simulation model effects of component failures have been analyzed with regard to a
reliable and uninterruptible control of the magnetic actuator. Measurements of an AMB test
rig equipped with this new technology show no reduction in bearing load capacity despite of
manually induced component errors. These errors would cause a complete break down of the
bearing, if conventional switching amplifiers were used. Also the hot-swap procedure of a
redundant module has no influence on the bearing load capacity. A reliability analysis of the
switching amplifier shows, that using this new concept the reliability could be increased by a
factor of up to 21.

Aktive Magnetlager (Active Magnetic Bearing, AMB) ermöglichen eine reibungs- und schmiermittelfreie
Lagerung von Strukturen, z.B. von Rotoren. Die wichtigsten Vorteile dieser umweltfreundlichen
Technologie sind die Wartungsfreiheit sowie die Möglichkeit einer Lagerparameteranpassung
für verschiedene Betriebszustände. Der wesentlichste Nachteil dieser
Technologie ist, dass bereits der Ausfall einer einzigen Baugruppe (digitaler Regler, Elektromagnet,
Verstärker, Positionssensoren, Signalkonverter) zum Verlust der Lagertragfähigkeit
führt. Die Gefahr eines nicht geplanten Maschinenstillstandes und die damit verbundenen Kosten
sind Hauptursachen dafür, dass trotz der Vorteile dieser Technologie die breite industrielle
Akzeptanz derzeit nicht gegeben ist. Aus der Fachliteratur bekannte Konzepte zur Erhöhung
der Betriebssicherheit von aktiven Magnetlagern basieren imWesentlichen auf einer mehr oder
weniger vollständigen Redundanz und einer globalen Fehlererkennung. Diese Konzepte haben
folgende wesentliche Nachteile: Höhere Kosten, höheres Gewicht und größerer Platzbedarf
trotz Restrisiko eines Fehlentscheids oder Ausfalls der globalen Fehlererkennung oder einer
Fehlfunktion aufgrund von Defekten in der Einkopplung funktionierender oder der Abkopplung
defekter Baugruppen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein alternatives Konzept für eine möglichst
hohe Betriebssicherheit unter Beachtung ökonomischer Aspekte entwickelt, gebaut und
getestet. Die wichtigsten erreichten Ziele sind:
. Kosten-, Platz- und Gewichtsersparnis durch modulare Redundanz nur der, aus industriel-
. len Anwendungen heraus, bekanntermaßen ausfallkritischen Schaltverstärker,
. automatisches, dezentrales Erkennen einer Modul-Fehlfunktion ("lokaler Voter"),
. automatisches und zuverlässigesWegschalten eines defekten Moduls,
. Austauschmöglichkeit defekter Module während des Betriebes (Hot-Swap),
. hohe Störsicherheit und Signalqualität durch räumliche und galvanische Trennung der
. Regelung von Bereichen elektromagnetischer Störfelder sowie einer hoch integrierten, voll
. digitalisierten Ansteuerung.
Der in Modultechnik ausgeführte Schaltverstärker wurde zunächst als Simulationsmodell nachgebildet.
Mit Hilfe dieses Modells wurden die Auswirkungen von Störfällen im Hinblick auf
eine zuverlässige, unterbrechungsfreie Funktion untersucht. Messergebnisse mit dieser neuen,
in einem Magnetlagerversuchsstand integrierten Technologie bestätigen, dass trotz händisch
eingebrachter schwerwiegender Bauteilfehler, die bei Verwendung eines konventionellen
Schaltverstärkers mit Sicherheit zu einem Totalausfall des Magnetlagers führen würden, keine
Beeinträchtigung der Lagerfunktion auftritt. Auch der Tausch eines redundanten Moduls
während des Betriebs zeigt keine Auswirkung auf das Lagerverhalten. Eine vergleichende Analyse
der Ausfallwahrscheinlichkeiten vom neuen Schaltverstärkerkonzeptmit einer industriellen
Standardausführung ergab eine bis zu 21-fache Erhöhung der Zuverlässigkeit.

Project Head Johann Wassermann:
Konzept für ein ausfallsicheres Magnetlager