Generatorforschung Generator mit Radialkraftregelung optimiert Luftfahrttechnik

Autor / Redakteur: C. Brecher, S. Neus, M. Gärtner und O. Malinowski / Peter Königsreuther

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.

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Im EU-Projekt MAGLEV entwickeln Forschung und Industrie einen neuen kompakten und leistungsfähigen Generator für den Einsatz in der Luftfahrttechnik. So wird er aussehen...
Im EU-Projekt MAGLEV entwickeln Forschung und Industrie einen neuen kompakten und leistungsfähigen Generator für den Einsatz in der Luftfahrttechnik. So wird er aussehen...
(Bild: WZL der RWTH Aachen)

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.

Im Rahmen von MAGLEV arbeitet das WZL der RWTH Aachen mit der Universität Nottingham und dem Unternehmen Romax Technology Ltd.. am neuen Generator mit Radialkraftregelung.
Im Rahmen von MAGLEV arbeitet das WZL der RWTH Aachen mit der Universität Nottingham und dem Unternehmen Romax Technology Ltd.. am neuen Generator mit Radialkraftregelung.
(Bild: MAGLEV)

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 MAGLEV-Generator-Prüfstand.
Der MAGLEV-Generator-Prüfstand.
(Bild: WZL der RWTH Aachen)

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].

Hier nochmal der MAGLEV-Generator von vorn und im Schnitt.
Hier nochmal der MAGLEV-Generator von vorn und im Schnitt.
(Bild: WZL der RWTH Aachen)

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.

Die Lagerreibung im Untersuchungsfokus

In den nächsten Abbildung in Teilbild a.) ist ein modularer Lagerprüfstand mit Reibmomentenmessung gezeigt. Durch das modulare Prüfstandskonzept können, mit einfachen Anpassungen der Welle und der Umbauteile, verschiedene Lagertypen und -baugrößen untersucht werden, wie zum Beispiel die in dem Generator verwendeten Spindel- und Zylinderrollenlager, die im Prüfstandsquerschnitt in den Teilbildern b.) und c.) dargestellt sind [FALK19].

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Einzellagerprüfstand zur Reibmomentmessung mit unterschiedlichen Lagerkonfigurationen.
Einzellagerprüfstand zur Reibmomentmessung mit unterschiedlichen Lagerkonfigurationen.
(Bild: WZL der RWTH Aachen)

Über die Radiallasteinheit werden vergleichbare Kontaktpressungen zu den im Generator Prüfstand betriebenen Lagern mit und ohne Radialkraftregelung eingestellt. Das Prinzip zur Reibmomentenmessung orientiert sich an dem Vorgehen nach [ROSS13]. Der Außenring des Versuchslagers ist durch eine hydrostatische Lagerung um seine Rotationsachse beweglich. Am Innenring des hydrostatischen Lagers ist ein Biegebalken mit Dehnungsmessstreifen zur Kraftmessung angebracht, der im Betrieb mit dem Anschlag am Gehäuse in Kontakt kommt. Die gemessene Kraft entspricht unter Vernachlässigung der Fluidreibung der hydrostatischen Lagerung der Reibkraft im Lager. Durch Nachstellung der Belastungszustände der Lager im Generator während des Betriebs können die Leistugsverluste im Lager bestimmt werden und so die Qualität der Regelung bewertet werden.

Ein Rechenbeispiel zum Effekt der Lagerentlastung

Zur Veranschaulichung des Effekts der Lagerentlastung durch die Radialkraftregelung wurde beispielhaft mit dem MATLAB-basierten Berechnungsprogramms MTPlus das Welle Lager System des Generators simuliert [BREC19]. Das Simulationsmodell des Generators ist in der folgenden Abbildung unter a.) dargestellt.

Bestimmung der Kompensationskraft für minimierte Lagerlasten.
Bestimmung der Kompensationskraft für minimierte Lagerlasten.
(Bild: WZL der RWTH Aachen)

Das Zylinderrollenlager ist radial vorgespannt, das Spindellagerpaket ist in einem O-Paket axial vorgespannt. Die durch die Radiallasteinheiten eingeleiteten Kräfte sind so eingestellt, dass die radialen Lagerkräfte des Zylinderrollenlagers und des Spindellagerpaketes gleich groß sind. Das Belastungsverhältnis zwischen linker und rechter Radiallasteinheit zur gleichmäßigen radialen Belastung der Generatorlagerung ist in der Gleichung (1) unten gegeben.

(Bild: VCG)

(1)

Der Zusammenhang zwischen der aufzubringenden Kompensationskraft (RKR) und den Störkräften der Radiallasteinheit ergibt sich aus dem Kräfte- und Momentengleichgewicht. Die radialen Lagerkräfte für das Zylinderrollenlager FZL und das Spindellagerpaket FSL ergeben in den Gleichungen (2) und (3) und müssen betragsmäßig minimiert werden.

(Bild: VCG)

Für eine zunehmende radiale Kraft der linken Lasteinheit ist im oberen Schaubild unter b.) betragsmäßig die Lagerkraft für das Spindellagerpaket für variierende Kompensationskräfte der Radialkraftregelung dargestellt. Anhand der Minima kann der lineare Zusammenhang zwischen der Kompensationskraft zur Kraft der Radiallasteinheit bestimmt werden, was in Teilabbildung c.) veranschaulicht ist. Der Zusammenhang wird für die folgenden Rechnungen zur Bestimmung der Kompensationskraft der Radialkraftregelung zugrunde gelegt.

Im nächsten Bild sind Rechnungen mit und ohne Radialkraftregelung für variierende Radiallast und Drehzahl dargestellt. In Teilbild a.) wurde die maximalen Kontaktpressung am Innenring aller Lager für eine steigende Kraft je Radiallasteinheit bis 1000 N berechnet. Ohne Radialkraftregelung wird die Dauerfestigkeitsgrenze für Kugellager von 2000 MPa für das innenliegende Spindellager ab einer Radiallast von 820 N überschritten [BRÄN15]. Mit Radialkraftregelung hingegen bleibt die maximale Pressung des innenliegenden Spindellagers noch bei 1000 N je Lasteinheit unterhalb der kritischen Grenze von 2000 MPa. Der Einfluss der Regelung auf das radial vorgespannte Zylinderrollenlager ist im Vergleich zu den Spindellagern, aufgrund der größeren Kontaktfläche des Linienkontakts und der damit verbundenen höheren Steifigkeit, gering. Durch die Radialkraftregelung des Generators kann die Belastung der Lager signifikant gesenkt werden.

Entlastung der Lager durch die Radialkraftregelung.
Entlastung der Lager durch die Radialkraftregelung.
(Bild: WZL der RWTH Aachen)

Im Falle steigender Drehzahlen können auch die Reibungsverluste in den Lagern gesenkt werden. In Teilbild b.) ist das summierte maximale Lagerreibmoment nach Steinert über einer steigenden Drehzahl bis 30.000 min-1 für die beiden Spindellager dargestellt [STEI96]. Es werden dabei die Reibanteile für die irreversible Verformungsarbeit MAΣ und für die Roll- MBΣ und Bohrreibung MCΣ zwischen den Lagerringen und Kugel berücksichtigt. Die Reibung wird für eine Minimalmengenschmierung wie folgt in Gleichung (4) berechnet:

(Bild: VCG)

Die projektierten Arbeitspakete und das Fazit:

Zur Erreichung der Projektziele sind die Arbeitspakete des Projektes, die in der nächsten Abbildung dargestellt sind, wie folgt gegliedert. Die Anforderungen an die im Generator zu verwendende Sensorik und die Lastaufbringung werden in Arbeitspaket 2 (AP2) definiert. In AP3 wird unter anderem die Sensorik für den Generatorprüfstand ausgewählt und in das aktuelle Design des Generators integriert, was zusammengefasst als Lagerüberwachungssystem bezeichnet wird. Die Radiallasteinheit wird in AP4 ausgelegt. Die Detailauslegung des gesamten Prüfaufbaus des Generators inklusive der Radialkraftregelung und die Anpassungen am Einzellagerprüfstand erfolgen in AP5. Nach der Fertigung der Bauteile in AP6 und dem Zusammenbau und der Inbetriebnahme des Generator-Prüfstands in AP7, erfolgt die Validierung der Radialkraftregelung durch Versuche am Generator Prüfstand und durch separate Untersuchungen an Wälzlagerprüfständen in AP8. Bei einer erfolgreichen Validierung und Umsetzung in der Praxis kann so langfristig die Effizienz und Zuverlässigkeit von Flugzeuggeneratoren gesteigert werden.

Arbeitspakete im Rahmen von MAGLEV *[BREC18],** [ROSS13].
Arbeitspakete im Rahmen von MAGLEV *[BREC18],** [ROSS13].
(Bild: WZL der RWTH Aachen)

Fazit und Ausblick: Die Radialkraftregelung stellt eine wichtige Technologie zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Flugzeuggeneratoren und deren Lagerungen dar. Außerdem kann das in dem Projekt gewonnene Wissen auch auf andere Generatortypen übertragen werden. Bei erfolgreichen Tests des Lagerüberwachungssystems und der Radialkraftregelung, können diese auch auf andere schnelldrehende Wellen-Lager-Systeme, wie etwa in der Werkzeugspindel, übertragen werden und für Lasten mit höheren Amplituden und Frequenzen getestet werden. Zudem werden im Zuge dieses Projekts Messmethoden zur Bestimmung von Lagerreibung weiterentwickelt und Berechnungsverfahren zur Charakterisierung der Betriebszustände in Wellen-Lager-Systemen optimiert. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Forschern aus den Bereichen der Elektrotechnik, Mess- und Prüfstandstechnik und Simulationstechnik schafft Synergien und einen Wissenstransfer in die Wirtschaft.

Danksagung

Dieses Projekt wurde vom Joint Undertaking Clean Sky 2 im Rahmen der Zuschussvereinbarung finanziert (Nr. 865364). Das Joint Undertaking Clean Sky 2 erhält Unterstützung vom Forschungs- und Innovationsprogramm "Horizon 2020" der Europäischen Union und von den Mitgliedern des Joint Undertaking Clean Sky 2, die nicht der Europäischen Union angehören.

Man bedankt sich für die Förderung durch die EU über die Clean Sky 2 Initiative.
Man bedankt sich für die Förderung durch die EU über die Clean Sky 2 Initiative.
(Bild: WZL)

Das Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen bedankt sich bei den Projektpartnern von Romax Technology Ltd. Herrn Barry James, Herrn Maik Hoppert und Frau Kirsty Walton und seitens der Universität Nottingham bei Herrn Chris Gerada, Michele Degano, Herrn Mauro Di Nardo und Herrn Mohammadreza Ilkhani für die bisherige sehr gute Zusammenarbeit in diesem Projekt.

Literatur

[BOZH17] S. Bozhko; M. Rashed; C. I. Hill; S. S. Yeoh; T. Yang: Flux-Weakening Control of Electric Starter–Generator Based on Permanent-Magnet Machine. In: IEEE Transactions on Transportation Electrification. 3. Jg., 2017, Nr. 4. S. 864–877

[BRÄN15] Brändelein, J.: Wälzlagerpraxis. Mainz: Vereinigte Fachverlage GmbH, 2015

[BRÄU15] Bräunling, W. J.G.: Flugzeugtriebwerke. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2015

[BREC18] Brecher, C.; Fey, M.; Eckel, H. M.; Butz, F.: Prozesskraftmessung mit spindelintegrierter Sensorik. In: ZWF - Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb. 113. Jg., 2018, Nr. 10. S. 660-663

[BREC19] Brecher, C.; Fey, M.; Falker, J.: Simulation schnelldrehender Wellen-Lager-Systeme -Teil 1. In: Antriebstechnik, 2019, Nr. 58. S. 66–72

[FALK19] Falker, J.: Analyse des Betriebsverhaltens von Hochgeschwindigkeits-Wälzlagern unter radialen Lasten. Dissertation RWTH Aachen, 2019

[KHOO11] W. K. S. Khoo; K. Kalita; S. D. Garvey: Practical Implementation of the Bridge Configured Winding for Producing Controllable Transverse Forces in Electrical Machines. In: IEEE Transactions on Magnetics. 47. Jg., 2011, Nr. 6. S. 1712–1718

[MADO18] V. Madonna; P. Giangrande; M. Galea: Electrical Power Generation in Aircraft: Review, Challenges, and Opportunities. In: IEEE Transactions on Transportation Electrification. 4. Jg., 2018, Nr. 3. S. 646–659

[ROSS13] Rossaint, J.: Steigerung der Leistungsfähigkeit von Spindellagern durch optimierte Lagergeometrien. Dissertation RWTH Aachen, November 2013

[SPAC08] Spachtholz, G.: Erweiterung des Leistungsbereiches von Spindellagern. Dissertation RWTH Aachen, 2008

[STEI96] Steinert, T.: Das Reibmoment von Kugellagern mit bordgeführtem Käfig; Als Ms. gedr, 1996

[VALE17] Valente, G.; Papini, L.; Formentini, A.; Gerada, C.; Zanchetta, P.: Radial Force Control of Multi-Sector Permanent Magnet Machines for Vibration Suppression. In: IEEE Transactions on Industrial Electronics. PP. Jg., 2017. S. 1

[XURO15] Z. Xu; A. L. Rocca; S. J. Pickering; C. Eastwick; C. Gerada; S. Bozhko: Mechanical and thermal design of an aeroengine starter/generator. In: 2015 IEEE International Electric Machines Drives Conference (IEMDC). S. 1607–1613

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