Verbesserung der Fehlertoleranz lagerloser Elektromotoren

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1 Diss. ETH Nr Verbesserung der Fehlertoleranz lagerloser Elektromotoren ABHANDLUNG Zur Erlangung des Titels DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von HANS-GEORG REITER Dipl.-Ing. Johannes Kepler Universität Linz, Österreich geboren am 31. März 1972 österreichischer Staatsbürger Angenommen auf Antrag von: Prof. Dr. J. Hugel, Referent Prof. Dr. H. Bleuler, Korreferent 2001

2 Kurzfassung Die Vorteile von Magnetlagern und magnetisch gelagerten Elektromotoren liegen in der Berührungs-, Verschleiss-, Wartungs- und Schmiermittelfreiheit. Diesen Vorteilen gegenüber steht eine hohe Systemkomplexität und die damit verbundenen höheren Kosten. Aus diesem Grund werden Magnetlager nur in Bereichen eingesetzt, wo diese Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen dominieren. Gerade bei teuren Systemen wird oft eine hohe Zuverlässigkeit gefordert. Auch bei einem Einsatz eines magnetisch gelagerten Elektromotors als herzunterstützende Pumpe ist ein Ausfall mit einer kritischen Situation des Patienten und einer notwendigen Operation verbunden. Leider sind bisherige Magnetlagersysteme sehr anfällig auf Ausfälle einzelner Komponenten. Fällt zum Beispiel nur ein einzelner Positionssensor aus, so folgt als Konsequenz der Gesamtausfall des Magnetlagers. Die Erhöhung der Zuverlässigkeit lagerloser Elektromotoren und somit auch die Verbesserung der Fehlertoleranz ist das Ziel der vorliegenden Arbeit. Aufbauend auf der Arbeit von Barletta [BarI98], der den sogenannten lagerlosen Scheibenmotor beschreibt, werden verschiedene Konzepte erarbeitet und analysiert. Dabei wurde das Konzept der Redundanz, bei dem zusätzliche Teile dem System hinzugefügt werden, am genauesten untersucht. Durch die Verwendung einer grösseren Anzahl an Sensoren und Leistungsverstärkern kann eine einfache Fehlerbehandlung realisiert werden. Die verschiedenen Motortypen unterscheiden sich dabei in der Anzahl der verwendeten Sensoren und Leistungsverstärker. Am Ende steht ein Gesamtsystem, bei dem nicht nur der lagerlose Elektromo- IX

3 Kurzfassung tor, sondern auch die zugehörige Elektronik für die Regelung und Ansteuerung redundant aufgebaut ist. Mit diesem System ist es nun möglich Fehlerzustände zu behandeln und den Betrieb aufrecht zu erhalten. Die Behandlung von Fehlerzuständen alleine ist jedoch nicht ausreichend, man muss nämlich einen aufgetretenen Fehler zuerst erkennen können. In diesem Zusammenhang wurde nach Lösungen und Algorithmen gesucht, die die Fehler im Bereich der Sensorik und der Leistungsverstärker erkennen können. Mögliche Fehler in der Regelsoftware und der dazugehörigen Hardware wurden im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht. Mit den aufgebauten Prototypen konnte die in der Medizintechnik vorgeschriebene "single fault tolerance" im Bereich der Sensorik und der Leistungsverstärker nachgewiesen werden. Dabei versteht man unter dem Begriff "single fault tolerance" das Auftreten eines Fehlers inklusive aller Folgefehler, ohne, dass das System den Betrieb einstellen muss. Die hier verwendete Vorgangsweise, um mittels Redundanz die Fehlertoleranz lagerloser Elektromotoren zu verbessern, ist nicht auf dieses Produkt alleine beschränkt. Man kann die entwickelten Algorithmen ohne allzu grossen Aufwand auf grössere Systeme und auch auf andere Magnetlagersysteme übertragen. x

4 Abstract The main advantages of magnetic bearings and magnetically levitated electromotors are the missing friction and the not existing wear. But a complex system of electronics is needed for controlling the position and the rotation. This results in higher costs of the magnetically levitated system. Therefore magnetic bearings are only used in areas where the advantages dominate. Especially in expensive systems a high reliability is expected. Using a so called bearingless motor in a LVAD ("left ventricular assist device") a failure may constitute a safety hazard for the patient. Usually magnetic bearing systems are very sensitive to failures of single components. For example if one position sensor fails, the complete system will fail. The aim of this work is to increase the reliability of bearingless electromotors and to achieve a fault tolerance of the complete system. Starting with Barletta's work [Barl98] who described the bearingless slice motor, different approaches are analysed and discussed. The redundancy - adding additional parts to the system - was the main direction of the investigation. By using a greater number of sensors and power amplifiers a simple error handling can be achieved. The tested types of motors differ in the number of sensors and amplifiers. Finally a complete redundant system was built, including a redundant electronic for system control. Using this system the handling of faults is possible. But handling is just one part of the problem, errors have to be detected first. Therefore solutions and algorithms were developed for error detection in the sensor system and the power amplifiers. Possible faults in the XI

5 Abstract software and the control electronics were not investigated during this work. With the prototypes a single fault tolerance in the sensor system and the power amplifiers was demonstrated. The expression "single fault tolerance" does not only mean a single failure but includes all consequences. The approach of using redundancy to achieve a better fault tolerance is not only specific to bearingless electromotors. The developed algorithms can be easily adapted to larger systems and to different magnetic bearings. XII

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