Magnetisch gelagerte rotatorische elektrische Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) können durch die berührungslose Lagerung mit Magnetlagern eine hohe Drehzahl erreichen. Nur geringe Wartung der Maschine ist erforderlich aufgrund des Verzichts auf mechanische Lager mit entsprechender Lagerreibung und zugehöriges Schmiermittel. Vorteilhaft lässt sich die Dynamik des magnetisch gelagerten Rotors als MIMO-System (Multiple Inputs, Multiple Outputs), z.B. die Steifigkeit und die Dämpfung, einstellen. Die elektrische Permanentmagnet-Synchronmaschine ist für ihren im Vergleich zu anderen elektrischen Maschinen relativ hohen Wirkungsgrad bekannt. Trotzdem entstehen Verluste in den verschiedenen Maschinenteilen, z.B. in den Statorwicklungen und den Eisenblechen. In einer früheren Dissertation wurden zwei magnetisch gelagerte PM-Synchronmaschinen M1 und M2 gebaut, um das thermische Verhalten zu untersuchen. Die Maschinen wurden jeweils auf eine Leistung von 40 kW und eine Drehzahl von 40000 min-1 ausgelegt. Hauptsächlich aus den Ergebnissen der Maschine M2 wurden die Möglichkeiten zur Reduzierung der elektrischen Verluste identifiziert. Ausgehend von deren Auslegung wurden die Statorwicklungen und Statorströme der in der vorliegenden Dissertation aufgebauten magnetisch gelagerten PM-Syncronmaschine M3 (gleiche spezifizierte Leistung 40 kW und Drehzahl 40000 min-1) dahingehend modifiziert, um die Kupferverluste des Nennstroms und der Stromverdrängung zu reduzieren. Entsprechend wird die magnetische Flussdichte erhöht, damit die gleiche mechanische Abgabeleistung der Maschine erhalten bleibt. In den thermischen Dauerversuchen mit der Maschine M3 werden die Temperaturen an verschiedenen Stellen in der Maschine gemessen. Die Grenzen der zugelassenen Temperaturen sind durch die Wärmeklasse F 155 °C der Wicklungs-Isolierung und die technische Grenztemperatur 170 °C der Permanentmagnete gegeben. Während den o.g. thermischen Dauerversuchen sind die Maschinen M2 und M3 direkt miteinander gekoppelt. Die aktiven Magnetlager der Maschine M2 werden durch entkoppelte analoge PID-Regler geregelt, deren Parameter-Einstellung mit hohem Aufwand verbunden ist. Dies motivierte die Realisierung einer digitalen Regelung für die aktiven Magnetlager der Maschine M3. Die klassiche digitale PID-Regelung wird auf der Maschine M3 eingesetzt, da an der kommerziellen Elektronik keine eigenständige Modifikation der Algorithmen möglich ist. Während den Dauerversuchen wurde das Schwingverhalten der Rotoren M2 und M3 im schwebenden Zustand untersucht, das sehr stark von den neu entstehenden Resonanzen der zwei gekoppelten Rotoren abhängt. Die Unterdrückung der Resonanz-Schwingungen konnte durch die Einfügung von Bandsperre-Filtern erzielt werden. Der Schwerpunkt in dieser Dissertation wird auf die Untersuchung der digitalen Regelung der aktiven Magnetlager der Maschine M2 als Einzelmaschine gelegt, die dafür auf passende Signalverarbeitung aus selbstgebauten Modulen (Signal- und Leistungselektronik, Implementierung der Regelungsalgorithmen in C-Sprache auf µC) und Zukauf-Teilen (Sensoren und Mikrocontroller) umgerüstet wurde. Die Auslegung der digitalen Regelung verwendet die Methode des Zustandsreglers in der LQR-Form, in der geeignete Gewichtungen auf die Zustands- und Eingangsgrößen des magnetgelagerten Rotors durchgeführt wurden. Das Ziel der Methode ist die Ermittlung eines Minimums für die Findung des optimalen Reglers. Die Schätzung der nicht gemessenen Zustandsgrößen erfolgt durch Luenberger-Beobachter bzw. Kalman-Filter. Die ausführlichen Experimente bis zur Drehzahl von 40000 min-1 (≈ 667 Hz) dokumentieren die Eignung der digitalen Regelung, bestehend aus dem Zustandsregler, dem Zustandsschätzer und der Störungskompensation. Diese Ergebnisse, zusammen mit der o.a. optimierten elektromagnetischen und thermischen Auslegung des Antriebs, sollen die Nachweise über die praktische Anwendbarkeit von magnetisch gelagerten elektrischen PM-Synchronmaschinen mit hoher Leistung und hoher Drehzahl bringen und dadurch den Einsatz als kommerzielle Produkte unterstützen.
Magnetic levitated rotational electrical permanent-magnet synchronous machines (PMSM) can reach a high speed due to its contactless rotor suspension with active magnetic bearings. Less maintenance is necessary due to the absence of mechanical bearings and its corresponding lubricants. The rotor dynamic as a MIMO-system (Multiple Inputs, Multiple Outputs), e.g. its stiffness and damping, can also be adjusted by an appropriate controller. The electrical PM synchronous machine is well-known for its higher efficiency, compared to other types of electrical machines. However, the losses, in the stator windings and the iron stack sheets, remain the main concern for its design. In a previous thesis, two magnetic levitated PM synchronous machines M1 and M2 were built, with rated power of 40 kW and rated speed of 40000 min-1, to serve as devices under test on the thermal behaviours. Mainly the results of machine M2 showed the potentials to further reduce the electrical losses. Based on the specifications of machine M2, a new machine M3 will be built, at same rated power and speed, with some modifications to reduce the copper losses due to the rated current and current displacement. In order to keep the same rated power, the magnetic flux density is designed with increased value. The machine M3 will be tested and its temperatures at different positions in the machine will be measured to verify its thermal behaviours. The technical limits of the temperatures are determined by the Thermal Class F 155 °C of the winding insulations and the technical operation limit of the permanent magnets at 170 °C. During the test on the thermal behaviours, the rotors of machines M2 and M3 are directly coupled to each other. The active magnetic bearings of machine M2 are controlled by analogue PID controller, in which its control parameters can not be changed that easily. This is the motivation to apply a digital controller for the active magnetic bearings of machine M3. However, only classical decoupled PID control is implemented there, because the proprietary electronic does not allow modifications from outside on the control algorithms. During the test, the vibrations of the levitated rotor are measured, which depends strongly on the new resonance frequencies which correspond to the direct coupling of both rotors. Cascaded notch-filters are applied to attenuate the vibrations at those frequencies and thus to enable the stable rotor levitation. The main focus of this thesis is the digital control of the active magnetic bearings of the single machine M2. For this purpose, the signal-processing electronic was newly built, that comprises of self-designed modules (low-volt-, power electronics and implementation of control algorithms in C language on µC) and proprietary modules (sensors and µC). The digital control is designed by the method of state-space control of the LQ regulator. It uses weighting factors on the state- and input variables of the magnetic levitated rotor to reach a minimum cost function to determine the optimum controller. The estimation of unmeasured state variables is executed by Luenberger observer or Kalman filter, respectively. The various experiments up to the speed of 40000 min-1 verifies the good performance of the digital control, that comprises of the state-space LQ regulator, the state estimators and the disturbance compensation. The results, of the vibration of the levitated rotor and of the tests on the thermal behaviours with optimized electromagnetic and thermal design of the machine, shall serve as scientific proofs for the application of magnetic levitated electrical PM synchronous machine in the real technical systems. Beyond that intention, this thesis shall contribute to the acceptance of magnetic levitated electrical machines as emerging commercial products.