Atalante - Aktives piezoelektrisches Lager mit umlaufender Aktorik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Rinderknecht
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516722405

Rotierende Maschinen bilden das Rückgrat der technischen Welt. Sie sind in fast allen Bereichen wie z. B. Pumpen, Triebwerken und Elektromotoren zu finden. Rotierende Komponenten sind jedoch stets mit einer Unwucht behaftet, welche im Betrieb eine harmonische Kraftanregung hervorruft und hierdurch Bauteilschädigungen und Lärm hervorrufen kann. Um dem entgegenzuwirken werden Rotoren durch das Hinzufügen oder Abtragen von Masse ausgewuchtet. Ist die erreichbare Auswuchtungsgüte nicht ausreichend oder die Unwucht verändert sich während des Betriebs, können aktive Maßnahmen zur Online-Auswuchtung im Betrieb verwendet werden. Das neuste aktive Auswuchtgerät in der Forschung ist ein aktives Lager mit rotierenden Piezoaktoren. Die Funktionsfähigkeit wurde bereits in Laborversuchen nachgewiesen, wobei im Vergleich zu konventionellen Piezolagern eine Reduktion des Leistungsbedarfs um 99% erzielt wurde. In den Experimenten treten jedoch ungeklärte Nebeneffekte auf, wie beispielsweise starke Schwingungen der dritten Ordnung und eine auftretende statische Verschiebung des Rotors im aktiven Betrieb, welche durch die drei rotierenden Aktoren verursacht werden. Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit den Grundlagen eines aktiven Lagers mit rotierenden Piezoaktoren im Lastpfad. Das Ziel des Projekts ist die Erklärung und Beschreibung der auftretenden rotordynamischen Effekte sowie die Untersuchung des Potentials eines solchen Lagers für andere Anwendungen, wie beispielsweise Energy Harvesting und aktive Schwingungskontrolle von Getrieben. Hierzu soll zunächst das aktive Lager, inklusive nichtlinearer Effekte wie die elektrische und mechanische Hysterese, modelliert werden, wobei dies stehts im Abgleich mit Prüfstandsversuchen durchgeführt wird. Mit dem erstellten Modell sollen die Nebeneffekte simuliert werden und die Ergebnisse auf aktive Lager mit mehreren und ggf. aus anderem Piezomaterial bestehende Aktoren übertragen werden. Der Prototyp soll als erstes zum aktiven Auswuchten verwendet werden. Hierfür soll eine modellfreie Regelung implementiert werden, deren Validierung noch aussteht. Weiterhin soll untersucht werden, wie viel Energie aus der Verformung der Aktoren aufgrund konstanter Lasten, beispielsweise aufgrund der Gewichtskraft, erzeugt werden kann und welche dynamischen Nebeneffekte auftreten. Zusätzlich soll die semi-aktive Ansteuerung mittels Charge Inversion untersucht werden um Wechselkräfte zu erzeugen, welche ggf. später zur aktiven Schwingungsreduktion verwendet werden können. Abschließend sollen alle Ergebnisse zusammengetragen werden, um das Potenzial eines aktiven Lagers mit umlaufenden Piezoaktoren in Bezug auf aktives Auswuchten, aktive Schwingungsreduktion, Health Monitoring und Energy Harvesting zu analysieren und bewerten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen