Antriebstechnik

Einsatz von Magnetlagern in Spezialanwendungen

26.09.2007 | Autor / Redakteur: Stefanie Michel * / Stefanie Michel

Spezielle Anwendungen benötigen spezielle Lager: dort, wo ein mechanisches Wälz- oder Gleitlager aus verschiedenen Gründen nicht eingesetzt werden kann, sind oft Magnetlager eine adäquate Lösung. Die verschleiß- und wartungsfreien Lager benötigen kein Schmiermittel und sind deshalb für hohe Drehzahlen und Anwendungen, die höchste Reinheit erfordern, prädestiniert.

Mit der Magnetlagertechnik geht das hessische Unternehmen Levitec deutlich über die klassische Antriebstechnik hinaus. Magnetgelagerte Systeme stellen eine komplexe mechatronische Einheit aus Sensoren, Aktoren, mechanischen Komponenten und einem Mikrorechner dar, die langjährige Forschung und Entwicklungsarbeit erfordern.

Das Prinzip eines Magnetlagers ist einfach: ein Körper wird über magnetische Kräfte in der Schwebe gehalten, so dass er ohne Materialkontakt gelagert ist. Komplizierter wird es bei der Anwendung. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von Magnetlagern. Zum einen gibt es passive Magnetlager, bei denen die magnetische Lagerung durch die Wechselwirkung von Permanentmagneten zustande kommt. Hier ist keine Änderung der Konfiguration während des Betriebs mehr möglich, da sich die Eigenschaften bereits aus den verwendeten Materialien ableiten lassen. Zum anderen werden aktive Magnetlager eingesetzt, deren Magnetfelder durch stromdurchflossene Spulen erzeugt werden.

Zur Nutzung von Magnetlagern ist System mit Sensoren und Steuerung nötig

Ein solches System besteht aus Lageraktoren, Sensoren zur Positionserfassung der fünf Freiheitsgrade sowie einer Steuereinheit. Mit den hochgenauen Sensoren wird während des Betriebs die Ist-Position des Rotors erfasst und im Regler mit der Soll-Position verglichen. Dann erhalten die Elektromagnete ein daraus resultierendes Stellsignal, über das die Position des Rotors beeinflusst und hochgenau, gegebenenfalls bis unter einem Mikrometer gehalten werden kann. Zudem lassen sich über den Stromfluss Steifigkeit, Dämpfung und Schwingung beeinflussen und die rotierende Welle verschieben. Da das Magnetfeld über Elektromagneten erzeugt wird, benötigen aktive Magnetlager eine ständige Stromversorgung. Um die dadurch entstehenden elektrischen Verluste zu senken, können zusätzlich Permanent-magnete integriert werden, die schon einen Teil der benötigten Magnetkraft aufbringen. Bei Stromausfall speist der Motor als Generator Energie in den Antriebsregler und die Magnetlagerelektronik, so dass die rotierende Welle durch die eigene kinetische Energie in Schwebe gehalten wird. Sind die Elektromagnete nicht aktiv, fällt die Welle schließlich in ein Fanglager.

Zur Inbetriebnahmeunterstützung und für Diagnosezwecke stellt Levitec eine eigene Bediensoftware zur Verfügung. Ein einmal eingestelltes Magnetlagersystem benötigt keine weitere Betreuung mehr.

Spitzentechnologie durch eigene Foschung

Ein sehr sensibler Bereich angesichts der hohen Präzision und des komplexen Systems ist die Forschung und Entwicklung in der Magnetlagertechnik, denn hinter dem Bau von Ma-gnetlagersystemen steht jahrelange Erfahrung und Know-how. Um technologisch weiterhin eine Spitzenposition einzunehmen, engagiert sich Levitec in vielen Forschungsarbeitskreisen. Die Verbindung zu Universitäten und Hochschulen ist den Lahnaueren sehr wichtig, da dort wissenschaftliche Arbeiten zu Grundlagenthemen und umfangreiche Untersuchungen durchgeführt werden. Die Bearbeitung von kundenspezifischen Forschungs- und Entwicklungsthemen erfolgt ausschließlich intern mit eigenem Personal.

Das hessische Unternehmen verstand sich ohnehin von Anfang an als mechatronisches Unternehmen, was bedeutet, dass Regelungtechniker, Rotordynamiker, Magnetfeldberechner, CAD-Spezialisten und Elektroniker zusammen ein komplettes mechatronisches System nach Kundenanforderungen entwickeln. Dort, wo geringe Reibungsverluste, Wartungsfreiheit, hohe Drehzahlen, Schmierstofffreiheit, hermetische Kapselung, Sterilität und Berührungsfreiheit gefragt sind, eignet sich die Magnetlagertechnik besonders. Matthias Kroll, der Geschäftsführer von Levitec, erklärt: „Mit gängigen Technologien ist man in der Verfahrenstechnik irgendwann am Limit. Man braucht den Technologiesprung; es geht also darum etwas gänzlich neues zu machen. Werden dann Magnetlager eingesetzt, lässt sich die Leistungsfähigkeit des Systems bis zum Faktor 10 steigern.“ So kann man beispielsweise im Hochvakuum sowie im Bio- und Pharmabereich eine Welle im gekapselten System zum Drehen bringen. Es entstehen kein Abrieb und keine Verunreinigung durch Schmierstoffe. Bei einem Produktwechsel lässt sich die Welle leicht entnehmen, so dass diese wie auch der Innenraum einfach gereinigt und sterilisiert werden kann. Danach ist das System sofort wieder einsatzfähig. Weitere Einsatzbereiche bieten sich bei Bearbeitungsspindeln von Werkzeugmaschinen, bei Turboverdichtern zur Drucklufterzeugung oder in der Labortechnik.

Keine Schmierung, aber gesteigerte Effizienz

Wegen der speziellen Bauart sind selbst bei hohen Drehzahlen die Verluste der Magnetlager von Levitec gering. Der Anwender hat die Vorteile der Effizienzsteigerung, höherer Umfangsgeschwindigkeiten, einer gezielten Kraftregelung sowie Unwuchtkompensation, zudem kann er die Welle und damit den Bearbeitungsprozess über die Sensoren kontrollieren und eine hohe Genauigkeit erreichen. Im Vergleich zum Einsatz konventioneller Lager allerdings ist der Platzbedarf deutlich höher.

Aufgrund des komplexen und aufwändigen Aufbaus mit Elektronik und Regelung und der kundenspezifischen Anpassung wird ein magnetgelagertes Antriebssystem relativ teuer. Die Vorteile der Magnetlager wiegen zwar stark, doch finanziell muss sich der Einsatz von Magnetlagern lohnen. „Die Anschaffungskosten für Magnetlager sind ungleich höher“ erklärt Kroll, doch bei ganzheitlicher Betrachtung der Kostensituation, wenn der gesamte Lebenszyklus und der erzielbare Nutzen mit einbezogen werden, zeigt sich der Einsatz deutlich kostengünstiger als manch anderer Lagereinsatz: Schmierung und Kühlsysteme sind nicht nötig, der Wartungsaufwand ist angesichts fehlender Betriebsstoffe und Verschleißteile gering. Zudem lässt sich deutlich Energie einsparen, da das System reibungslos läuft. Die Firma Levitec lässt sich allerdings nicht alleine auf Magnetlager reduzieren. Sie versteht sich als Systemlieferant, der aus den Bereichen Einbaumotoren, Magnetlageraktorik, Sensorik, Hochfrequenzantriebe, Elektronik und digitale Regelung dem Kunden eine optimale Systemlösung bieten kann.

* Stefanie Michel ist Redakteurin der konstruktionspraxis

 

Systemlösung aus einer Hand

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