Hermetisch gekapselte elektrische Antriebe

Vor allem bei bürstenlosen Maschinen bestimmt oft die Lagerung der Rotorwelle die Produktlebensdauer. Eine mechanische Lagerung bedeutet häufig einen hohen Verschleiß bzw. einen beträchtlichen Wartungsaufwand. Durch den Einsatz magnetisch gelagerter Antriebe kommt es zu einer berührungslosen Kraft- und Drehmomentübertragung, was im Vergleich zu Antrieben mit Wälz- oder Gleitlagern entscheidende Vorteile mit sich bringt.

Magnetische Lagerung anhand der schwebenden Kugel

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Mit der Magnetlagertechnologie erreicht man eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer und zusätzlich geringere Wartungskosten. Es werden keine Schmiermittel benötigt und es tritt wegen der fehlenden Reibung keine mechanische Abnützung auf. Diese Eigenschaften sind speziell bei hochreinen Applikationen und für Anwendungen im Bereich der Vakuum- bzw. Medizintechnik von besonderer Bedeutung. Auch für das Fördern aggressiver Flüssigkeiten bieten sich magnetisch gelagerte Systeme an. Durch konstruktive Maßnahmen kann bei dieser Technik auf schleifende Dichtungen gänzlich verzichtet werden.
Des Weiteren lassen sich mit der beschriebenen Technologie Antriebe mit sehr hohen Drehzahlen realisieren, bei denen konventionelle Antriebe an ihre Grenzen stoßen. Bei den magnetisch gelagerten Motoren wird die maximale Umlaufgeschwindigkeit vorwiegend durch die mechanische Festigkeit der Welle bzw. des Rotors bestimmt. Zusätzlich ergibt sich aufgrund der fehlenden Reibungsverluste bei lagerlosen Motoren, im Vergleich zu konventionell gelagerten Antrieben, ein höherer Wirkungsgrad.
Das Verstehen und Beherrschen des mechatronischen Gesamtsystems eines lagerlosen Motors ist äußerst komplex und das Ergebnis eines jahrelangen Entwicklungsprozesses, welcher im Folgenden näher beschrieben wird.

Die schwebende Kugel
Die frei schwebende Kugel demonstriert am anschaulichsten das Prinzip der magnetischen Lagerung. Der auf die Kugel wirkenden Schwerkraft wirkt ein elektro-magnetisch hervorgerufenes Kraftfeld entgegen. Man erreicht durch die Magnetkraft ein instabiles System, bei dem keine natürliche Ruhelage vorhanden ist. Durch diese Eigenschaft wird eine intelligente Regelung inklusive Positionsmessung der Kugel notwendig. Solche oder ähnliche Aufbauten inklusive der zugrunde liegenden Technik sind schon seit vielen Jahren State of the Art und kommerziell weit verbreitet.

Aufbau eines magnetgelagerten Antriebs
Um die Rotorwelle eines Antriebssystems stabil schweben zu lassen, müssen fünf der möglichen sechs Freiheitsgrade stabilisiert werden. Der sechste Freiheitsgrad beschreibt die Drehung des Rotors und wird durch den Antriebsmotor selbst bestimmt. Ein denkbarer Aufbau eines solchen Systems ist die Stabilisierung über drei aktive Magnetlager (zwei Radiallager und ein Axiallager). Unter einem aktiven Magnetlager versteht man die Lagerung mittels Elektromagneten. Aktiv bedeutet dabei, dass man gezielt von außen (durch Bestromung der Spulen) Einfluss auf das Magnetfeld, respektive auf die Magnetkraft, nehmen kann.
In der beschriebenen Konfiguration benötigt jedes Lager einen eigenen Leistungsverstärker sowie eigene Positionssensoren. Die Regelung kann dabei zentral als auch dezentral erfolgen. Bei einer dezentralen Anordnung wird jedes Lager von einer eigenen Rechnereinheit angesteuert. Dies bietet den Vorteil, dass der Antrieb aus einzelnen eigenständigen Komponenten zusammengebaut werden kann. Jedoch wird kein Einfluss auf die rotordynamische Kopplung der einzelnen Lager genommen, wodurch es zu Stabilitätsproblemen des Gesamtsystems kommen kann. „Der gesamtheitliche mechatronische Ansatz versucht nun die Einzelkomponenten in ein einziges System zu integrieren und dadurch die oben beschriebenen Stabilitätsprobleme zu umgehen bzw. beherrschbar zu machen“, beschreibt Dr. Siegfried Silber, verantwortlicher Business Unit Manager bei der LCM GmbH.

Schnitt einer lagerlosen Spaltrohrpumpe

Integration der Magnetlager in die Antriebskomponente
Durch gezielte Verwendung von Permanentmagneten können zusätzlich zu den aktiven Stelleingriffen auch die passiven Reluktanzkräfte zur Lagerung herangezogen werden. Durch Integration der Lager in die Antriebskomponente und die Verwendung dieser Magnete können drei der sechs Freiheitsgrade passiv (ohne Einwirken von außen, sprich ohne Energiezufuhr) stabilisiert werden. Lediglich das Antriebsmoment und ein weiterer Freiheitsgrad müssen aktiv geregelt werden. Dies führt zu einer Reduktionen des Bauraums, der Komplexität und der Kosten, bzw. bedeutet eine wesentliche Steigerung der elektrischen Energieeffizienz.

Die lagerlose Pumpe als Vorzeigeprodukt
Dürfen Medien nicht verunreinigt bzw. nach außen emittiert werden oder müssen chemisch aggressive Flüssigkeiten transportiert werden, sind Pumpen mit herkömmlichen Wellendichtungen stets problematisch. Die Gefahr des Trockenlaufens der Gleitlager des Rotors ist zudem ein Faktor, der die Lebensdauer solcher Maschinen beschränkt. Die Lösung dieser Probleme ist ein lagerloser Motor, verwendet als hermetisch gekapselte Spaltrohrpumpe mit einem magnetisch frei schwebenden Rotor. Die oben beschriebenen Vorteile werden bei solchen Anwendungen optimal genützt.
Die LCM GmbH entwickelte gemeinsam mit der Firma Levitronix GmbH und den universitären Partnern eine solche lagerlose Pumpe.

„Die Kooperation mit der ACCM GmbH bzw. der LCM GmbH ist für uns von großer strategischer Bedeutung. Zusammen mit den starken Hochschulpartnern und gleichgesinnten Industriepartnern kann auf höchstem internationalem Niveau Forschung auf dem Gebiet der lagerlosen Antriebe betrieben werden. Nur so ist es möglich, auch in Zukunft den technologischen Vorsprung halten zu können“, sagt Dr. Reto Schöb, Geschäftsführer der Schweizer Firma Levitronix GmbH.
„Unser Unternehmen ist fokussiert auf den Bereich der hermetisch gekapselten Systeme. Das größte Wachstum erwarten wir im Bereich der Medizintechnik mit z. B. Blutpumpen, in der Biotechnologie mit z. B. Bioreaktoren und im Bereich der Lebensmittel- bzw. Pharmazeutika-Herstellung. Die Konkurrenz auf diesem Gebiet kommt vor allem aus dem asiatischen Raum. Bisher ist es jedoch noch keiner anderen Forschungsgruppe gelungen, ihre entwickelte Technologie zur Marktreife zu bringen“, gibt er sich zuversichtlich, dass Levitronix gemeinsam mit den österreichischen Partnern auch in Zukunft die hervorragende Wettbewerbsposition halten kann.

Neues Forschungsprojekt: lagerlose Segmentmotoren

Lagerlose Segmentmotoren
Neben den oben beschriebenen Spaltrohrpumpen wird aktuell an sogenannten lagerlosen Segmentmotoren, eingesetzt z. B. für gekapselte Prozesskammern, geforscht. Diese Art von Antrieben besitzen ebenfalls die bereits beschriebenen Vorteile, zeichnen sich jedoch zusätzlich durch die große Materialeffizienz aus. Durch eine segmentartige Topologie des Stators kann ein Großteil des ferromagnetischen Rückschlusses von herkömmlichen Topologien eingespart werden, was zu einer Reduktion der Masse und der Kosten führt.
Summa summarum wird in Linz Spitzenforschung auf dem Gebiet der Mechatronik betrieben. Durch das neu gegründete Kompetenzzentrum und die hervorragende Kooperation mit sowohl universitären als auch industriellen Partnern entstehen international beachtete Technologien, welche die Zukunft von morgen mitgestalten werden.

infoBox Linz Center of Mechatronics
Die Linz Center of Mechatronics (LCM) GmbH ist das größte Mechatronik-Kompetenzzentrum in Österreich und bietet Forschungs- und Entwicklungsdienstleitungen an. Gemeinsam mit den Kunden und dem wichtigsten wissenschaftlichen Partner, der Johannes Kepler Universität Linz, werden innovative Projekte, mit Volumen zwischen 800 Euro und mehreren 100.000 Euro bearbeitet. Das Kundenspektrum reicht dabei von kleinen Personengesellschaften, über KMUs bis hin zu börsennotierten Kapitalgesellschaften. „Durch die internationale Orientierung einerseits, jedoch besonders durch das 2008 gegründete Tochterunternehmen Austrian Center of Competence in Mechatronics (ACCM) GmbH und das damit etablierte wissenschaftliche Netzwerk, besteht ein stetiger Zugriff auf die aktuellsten Erkenntnisse aus der universitären Grundlagenforschung und ermöglicht so einen effizienten Wissenstransfer“, erklärt DI Gerald Schatz, Geschäftsführer der LCM GmbH und deren Tochter ACCM GmbH.

(Redaktion: DI Mag. Peter Hutterer, Metall)