Generatorforschung Generator mit Radialkraftregelung optimiert Luftfahrttechnik

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Im EU-Projekt MAGLEV entwickeln Forscher des WZL der RWTH Aachen mit der Universität Nottingham und der Romax Technology Ltd. einen neuen, kompakten und leistungsfähigen Generator.

Mit einem zunehmenden Energiebedarf von On-Bord-Systemen in der Luftfahrt wird eine Steigerung der Leistungsdichte und Effizienz der Generatoren, die das elektrische Bordnetz speisen, notwendig [MADO18]. Ein Beispiel für einen On Bord Generator ist der Integrated Drive Generator (kurz IDG), der im Betrieb über einen hydraulischen Drehzahlwandler die variierenden Drehzahlen des Triebwerks auf eine konstante Drehzahl übersetzt (Constant Speed Drive , kurz: CSD) [BRÄU15]. Durch Vibrationen der Maschine, gyroskopische Momente bei Start- und Landemanövern, Unwuchten der Welle und Unstetigkeiten im Magnetfeld kommt es zu erhöhten Belastungen der Lager, die zu einem Ausfall des Generators führen können. Zur Unterdrückung dieser Störkräfte kann eine Radialkraftregelung (kurz RKR) über das elektromagnetische Feld des Generators genutzt werden [KHOO11].

Radialkraftregelung soll Generator entlasten

In [BOZH17] wurde ein sechspoliger Permanentmagnetgenerator mit einer solchen Regelung und einer maximalen Leistung von 150 kW entwickelt. Ein kompaktes Design und der Einsatz von leichten Aluminiumlegierungen sorgen für eine hohe Energiedichte. Der Generator wurde thermisch und dynamisch für einen Drehzahlbereich bis 32.000 min^-1 ausgelegt [XURO15]. Zur Minimierung der Windungsverluste wird der Stator über einen konstanten Ölvolumenstrom gekühlt. Die aktuelle Radialkraftregelung ermöglicht, unwuchtbedingte Vibrationen für Drehzahlen bis 3000 min^-1 und Unwuchtkräfte bis 300 N zu unterdrücken [VALE17]. Anhand von Positionssignalen wird die Exzentrizitätslage der Welle bestimmt und durch im elektrischen Generator induzierte Radialkräfte ausgeglichen.

Das Ziel des Projekts MAGLEV ist es, die Radialkraftregelung des Generators für Drehzahlen oberhalb von 20.000 min^-1 und radialen statischen Lasten oberhalb von 300 N weiterzuentwickeln. Mithilfe der Radialkraftregelung sollen zum einen die Lager hinsichtlich im Betrieb wirkender Störkräfte entlastet werden und zum anderen deren Reibungsverluste gesenkt werden. Die Erprobung und die Validierung der Radialkraftregelung erfolgt an einem Generatorprüfstand.

Mehr zum MAGLEV-Generatorprüfstand

Der modifizierte Generator mit seinem Prüfaufbau ist in der nächsten Abbildung dargestellt (durch Klicken kann jedes Bild vergrößert werden). Der Antrieb erfolgt durch einen Synchronmotor mit einer maximalen Drehzahl von 34.000 min^-1. Das über den gesamten Antriebsstrang übertragene Moment wird über einen Drehmomentsensor gemessen. Durch den Einsatz zweier Belastungseinheiten an beiden Wellenenden des Generators können gyroskopische Momente aufgebracht werden, die Störkräfte aus dem Betrieb simulieren. Mittels der gemessenen radialen Wellenverlagerung können anhand bekannter Last-Verlagerungszustände die Lagerlasten indirekt bestimmt werden [BREC18]. Durch eine entgegengerichtete elektromagentische Kraft des Generators werden die Störkräfte kompensiert und die Lagerlasten reduziert. Die Kompensationskraft wird anhand von Kräfte- und Momentengleichgewichten analytisch bestimmt, um schnell auf Laständerungen der Störkräfte zu reagieren. Die an den Radiallasteinheiten eingeleiteten Kräfte werden mit Kraftsensoren gemessen, was zum einen zur Regelung der hydraulisch eingeleiteten Kraft dient und zum anderen zum Abgleich der, aus den Verlagerungssignalen der Welle indirekt bestimmten, Kraft verwendet wird.

Der elektrische Generator ist im Querschnitt mit der integrierten Sensorik zur Regelung und Validierung im nächste Bild veranschaulicht. Die radiale Verlagerung wird nah an den beiden Lagerstellen mittels dreier berührungsloser, in 120° zueinander angeordneter Wirbelstromsensoren, gemessen. Die Betriebszustände der Lager werden durch Beschleunigungs- und Temperatursignale charakterisiert. Zusätzlich wird die Käfigdrehzahl mittels eines Infrarotsensors über Hell-Dunkel-Kontraste auf dem Käfig gemessen [SPAC08].

Die elektromagnetische Lastmomente des Generators, die bei etwa 120 Nm liegen können, sind deutlich höher als die Reibmomente im Lager, sodass eine differenzierte Aussage über die im Lager abfallenden Verluste nicht möglich ist. Zudem ist die Integration eines Systems zur Reibmomentenmessung der einzelnen Lager in den Prüfstand ohne starke Beeinträchtigung seiner Kompaktheit und seines Betriebsverhaltens nicht möglich. Es sind deshalb weitere Versuche zur Validierung der Lagerreibung an einem seperaten Wälzlagerprüfstand notwendig.

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