High gap active magnetic bearing experimental set up and control for multi degrees of freedom

Magnetic bearings are nowadays a mature technology that offers better performances than other common families of bearing such as steel and ceramic ball bearings or hydrostatic/hydrodynamic bearings. Many research works on this topic are available but limited to small air gap. This thesis instead focuses the attention on a layout defined as high-gap active magnetic bearing, in which the distance between rotor and magnets is almost the same order of the magnet’s cross section. This configuration aims to ensure a better damping of vibration and rejection of disturbances. The purpose of this work is to design a proper two degrees of freedom shaft and to stabilize it in the neighbourhood of nominal position controlling both vertical displacement and rotation around one axis. This research extend previous works in terms of system complexity, since researches on this topic have mainly covered a single degree of freedom layout. Previous works include the study of the main nonlinear phenomena such as differential inductance and magnetic force; here the results are extrapolated and applied to the extended system. The adopted control logic relies on a cascade architecture in which the inner control loop controls the current and the outer one the position. The control system is studied so that the inner current loops are independent while the outer loop takes into account also centralized logic. Since the final goal is the stabilization in a nominal position, a linearisation of the system’s equation is performed and linear control logics adopted in both loops.

I cuscinetti magnetici sono oggigiorno una tecnologia matura che offre performance migliori rispetto ai più comuni tipi di cuscinetti come cuscinetti a sfere metalliche e ceramiche o cuscinetti idrostatici/idrodinamici. Molti lavori di ricerca sono presenti in questo campo ma limitati a bassi valori di traferro. Questa tesi invece concentra l’attenzione sulla tipologia definita high-gap, in cui il gap d’aria tra rotore e magneti è nell’ordine di grandezza della sezione dei magneti. Questa configurazione ha l’obiettivo di garantire un migliore smorzamento delle vibrazioni e attenuazione dei disturbi. Lo scopo di questo lavoro è il design di un sistema a due gradi di libertà e la sua stabilizzazione nell’intorno di una posizione nominale controllando quindi sia lo spostamento verticale che la rotazione attorno ad un asse. Questa tesi estende lo studio di lavori precedenti in quanto le ricerche in questo campo coprono principalmente sistemi ad un solo grado di libertà. Gli studi svolti nei lavori precedenti sulle principali non linearità, come induttanza differenziale e forza magnetica, sono qui richiamati ed applicati al sistema ampliato. La logica di controllo utilizzata si basa su un’architettura a cascata in cui l’anello interno controlla la corrente mentre l’anello esterno la posizione. Il sistema di controllo è studiato in modo da rendere indipendenti gli anelli interni di corrente, mentre l’anello in posizione considera anche logiche centralizzate. Il fatto che l’obiettivo finale sia la stabilizzazione in una specifica posizione consente la linearizzazione delle equazioni del sistema e l’utilizzo di logiche di controllo lineari.