Einsatz aktiver Magnetlager: Praxisnahe Erkenntnisse für moderne Maschinen

Aktive Magnetlager (AMBs) bieten entscheidende Vorteile: ölfreier Betrieb, kein mechanischer Verschleiß, hohe Betriebsdrehzahlen und eine präzise Regelbarkeit – Eigenschaften, die sie zu einer überlegenen Lösung für rotierende Maschinen der nächsten Generation machen. Bei fachgerechter Auslegung und Integration vereinfachen AMBs die Gesamtsystemarchitektur, senken den Wartungsaufwand und erschließen Leistungsniveaus, die mit konventionellen Lagertechnologien nicht erreichbar sind.

Konventionelle Lagertechnik stößt an grundlegende Grenzen. Wälzlager unterliegen Beschränkungen hinsichtlich Grenzdrehzahl und Betriebslebensdauer. Gleitlager mit hydrodynamischem Schmierfilm erfordern aufwendige Schmiersysteme und Dichtungskonzepte und erzeugen zudem mit steigender Drehzahl zunehmende Reibungsverluste. Vor diesem Hintergrund bieten AMBs ein grundlegend anderes Leistungs- und Wertversprechen, das bei der Analyse konkreter Integrationsanforderungen besonders deutlich wird.

Die nachfolgenden Abschnitte erläutern die wesentlichen ingenieurtechnischen Gesichtspunkte, zeigen die Grenzen konkurrierender Technologien auf und veranschaulichen, wie AMBs ihre eigenen Integrationsherausforderungen durch gezielte konstruktive Maßnahmen überwinden.

Bauraum im Maschineninneren

Vergleich der spezifischen Tragfähigkeiten

Wälzlager und hydrodynamische Gleitlager erzielen hohe spezifische Tragfähigkeiten, jedoch auf Kosten von mechanischem Verschleiß, Schmiermittelabhängigkeit und Drehzahlbegrenzungen. Ihre Tragfähigkeit ist an werkstoffspezifische Grenzspannungen oder das Verhalten des Schmierfilms geknüpft; Leistungssteigerungen gehen in der Regel mit einer erhöhten Systemkomplexität einher – etwa durch größere Lagergehäuse, aufwendigere Schmierkreisläufe oder engere Fertigungstoleranzen.

Tabelle 1. Spezifische Lagerbelastungen für verschiedene Lagertypen (ISO 14839-4)

AMBs erzeugen die Lagerkraft auf magnetischem Wege, was grundsätzlich zu einer geringeren spezifischen Tragfähigkeit führt (typischerweise 0,5–0,7 N/mm² in radialer Richtung). Dies bedeutet, dass im Vergleich zu konventionellen Lagern ein größeres Einbauvolumen für Magnetaktuator und Rotorbuchse einzuplanen ist.

Technische Lösung: Optimierung auf Systemebene

Auch wenn die AMB-Einheit lokal mehr Bauraum beansprucht, lässt sich der Gesamtplatzbedarf der Maschine durch konsequente Nutzung der AMB-spezifischen Vorteile optimieren:

Keine Schmierkanäle oder Ölverteilungssysteme im Lagergehäuse
Keine Wellendichtungen zur Verhinderung von Öleintrag in den Prozessraum
Keine Wellendichtungen zur Verhinderung von Prozessmediumeintrag in die Lager
Integrierte Sensorik und Fanglager, raumsparend um den Rotor angeordnet sind
Höhere Betriebsdrehzahlen ermöglichen die Verkleinerung anderer rotierender Maschinenkomponenten

Das Ergebnis ist ein Lagersystem, das im komponentenbezogenen Direktvergleich zwar größer ausfällt, in der Gesamtbetrachtung jedoch zu einer kompakteren und effizienteren Maschinenarchitektur beiträgt.

Abbildung 1. Wesentliche Komponenten aktiver Magnetlager. Der Magnetlagerregler wird in der Regel zusammen mit weiteren elektrischen Komponenten in einem Schaltschrank untergebracht.

Platzbedarf außerhalb der Maschine

Wo herkömmliche Lager an ihre Grenzen stoßen

Hydrodynamische Gleitlager und Wälzlager erfordern Öltanks, Pumpen, Filter, Kühler, Notschmier-einrichtungen sowie Wartungszugänge. Diese Hilfssysteme übertreffen häufig das Lager selbst in ihrem Platzbedarf und stellen zusätzliche Fehlerquellen dar, die die Installationskomplexität erhöhen und die Betriebskosten treiben.

AMBs benötigen lediglich einen Regler und eine USV

AMBs benötigen einen Magnetlagerregler sowie – in den meisten Anwendungsfällen – eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Dies sind die einzigen unverzichtbaren externen Komponenten.

Technische Lösung: deutlich vereinfachte Hilfssysteme

Im Vergleich zu konventionellen Schmiersystemen ist der AMB-Regler kompakt, sauber und einfach zu installieren. So kann beispielsweise ein Regler mit den Abmessungen 400 × 400 × 160 mm wie der SpinDrive MAGMA X800 ein vollständiges Ölschmiersystem ersetzen. In solchen Fällen beansprucht der AMB-Regler nur einen Bruchteil des Volumens des ersetzten Schmiersystems. Da kein Öl gehandhabt wird, kein Kontaminationsrisiko besteht und der Wartungsaufwand auf ein Minimum reduziert ist, verringern AMBs den Platzbedarf auf Systemebene erheblich und vereinfachen sowohl Installation als auch Instandhaltung.

Abbildung 2. Sensorkomponente des AMB-Systems

Anordnung der hermetischen Barriere

Wo herkömmliche Lager an ihre Grenzen stoßen

Konventionelle Lager erfordern Wellendichtungen, um Ölaustritt oder den Eintrag von Prozessflüssigkeiten zu verhindern. Diese Dichtungen unterliegen betriebsbedingtem Verschleiß, erfordern eine präzise Ausrichtung und bestimmen maßgeblich die Wartungsintervalle. In hermetischen oder leckagefreien Anwendungen stellen Wellendichtungen eine erhebliche ingenieurtechnische Herausforderung dar und sind ein kritischer Faktor für die Anlagenzuverlässigkeit.

Zum Schweben erforderliche Freiräume

Der AMB-Betrieb erfordert definierte Radialspiele zwischen Rotor, Aktuator, Fanglagern und allen Dichtungselementen. Da Dichtungen außerhalb des Fanglager-Radialspiels positioniert werden müssen, ist die unmittelbare Integration einer hermetischen Barriere im Lagerbereich konstruktiv anspruchsvoll.

Tabelle 2. Typische Radialspiele bei Maschinen mit Magnetlagern.

Technische Lösung: Hermetische Integration der gesamten rotierenden Baugruppe

Der konstruktiv robusteste Ansatz besteht darin, die gesamte rotierende Maschine – Antrieb und angetriebene Komponente – in einem einzigen hermetisch abgeschlossenen Gehäuse zu kapseln. Dadurch entfallen Wellendichtungen vollständig; es werden ausschließlich statische Dichtungen an folgenden Stellen eingesetzt:

Prozessrohrleitungen
Elektrische Durchführungen für den Motor und die AMBs

Abbildung 3. Anwendung in hermetischer Bauweise. Keine Wellendichtungen – ausschließlich statische Dichtungen an Prozessrohrleitungen und elektrischen Durchführungen

Dieser Ansatz macht sich die inhärenten Stärken von AMBs zunutze: kein Öl, kein Kontakt, keine Wellendichtung. Das Ergebnis ist ein sauberes, zuverlässiges und wartungsarmes hermetisches Gesamtsystem.

Abschließende Gedanken

Konventionelle Lager mögen auf den ersten Blick kompakt erscheinen, doch die Anforderungen an Schmierung, Abdichtung und Wartung vergrößern den Systemplatzbedarf erheblich und schaffen langfristige betriebliche Herausforderungen. Im Gegensatz dazu kann der Gesamtplatzbedarf eines AMB-basierten Systems um 30–50 % geringer ausfallen, wenn der Wegfall der Schmierinfrastruktur und die Miniaturisierung der Regelelektronik berücksichtigt werden – jüngste Entwicklungen haben die Aktuatorgröße um über 30 % und das Reglervolumen um mehr als 90 % reduziert.

Aktive Magnetlager markieren einen Paradigmenwechsel in der Lagerungstechnik. Sie beanspruchen zwar etwas mehr axialen Bauraum am Rotor, machen jedoch Schmiersysteme überflüssig, eliminieren Wellendichtungen, senken den Wartungsaufwand und ermöglichen hermetische Maschinenkonstruktionen, die konstruktiv einfacher, prozesssicherer und betriebszuverlässiger sind.

Das SpinDrive-Team verfügt über fundierte Expertise in Systemauslegung, Integration und Anwendungsentwicklung für AMB-Systeme. Wenn Sie AMBs für Ihre nächste Maschine evaluieren – oder erfahren möchten, wie konkrete Integrationsherausforderungen gelöst werden können –, unterstützen wir Sie mit bewährten Lösungskonzepten und anwendungsorientiertem Fachwissen.