Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie es Hochgeschwindigkeitslager möglich machen, dass sich Maschinen mühelos mit erstaunlichen Drehzahlen bewegen? Möchten Sie die verborgenen Geheimnisse entdecken, die sich hinter den ausgeklügelten Maschinenkonzepten verbergen? Wenn ja, dann sind Sie hier genau richtig.

Mit diesem Blogartikel möchten wir Ihre Neugier befriedigen, indem wir alle wichtigen Fragen rund um das Thema Hochgeschwindigkeitslager beantworten.

 

Was versteht man unter dem Begriff Hochgeschwindigkeit im Hinblick auf ein  Hochgeschwindigkeitslager?

Die Drehzahl oder U/Min (Umdrehungen pro Minute), die für ein Lager als “Hochgeschwindigkeit” gilt, kann je nach Anwendung, Lagertyp, Größe und Konstruktion variieren. Im Allgemeinen sind Hochgeschwindigkeitslager jedoch für einen zuverlässigen Betrieb bei Drehzahlen von mehr als 10.000 U/Min. vorgesehen. Die technische Spezifikation lässt sich anhand der Oberflächengeschwindigkeit des rotierenden Objekts etwas genauer festlegen. Dabei wird sowohl der Durchmesser als auch die Drehzahl berücksichtigt. Mit dieser Definition lässt sich die Höchstgeschwindigkeit als eine Oberflächengeschwindigkeit von mehr als 100 m/s definieren.

Bei kleineren Maschinen ist eine Drehzahl von 10 000 U/Min. niedrig, bei einem größeren Durchmesser kann diese Drehzahl die äußerste Höchstgeschwindigkeit sein und die Materialeigenschaften an ihre Belastungsgrenzen bringen. Die Drehzahl ist also nicht alles, sondern auch die Größe der Maschine spielt eine wichtige Rolle bei der Definition des Begriffs “Hochgeschwindigkeit” für Anwendungen, die Hochgeschwindigkeitslager erfordern.

SpinDrive active magnetic bearing for high-speed applications

Abb. 1  aktives Magnetlager von SpinDrive für Hochgeschwindigkeitsanwendungen

In unterschiedlichen Industriebereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der verarbeitenden Industrie können Hochgeschwindigkeitslager Drehzahlen von 10.000 U/Min. bis weit über 100.000 U/Min. erreichen. In Turboladern oder Gasturbinen erreichen Hochgeschwindigkeitslager oft mehr als 200.000 Umdrehungen pro Minute.

Hochgeschwindigkeitslager sind so konzipiert und ausgelegt, dass sie den Heraus-forderungen standhalten, die mit diesen hohen Drehzahlen verbunden sind, z. B. größere Fliehkräfte, erhöhte Temperaturen und etwaige Schwingungsprobleme. Die meisten Hersteller geben für ihre Lager spezifische Drehzahlbereiche und Leitlinien an, um einen gefahrlosen und stabilen Betrieb bei hohen Drehzahlen zu gewährleisten. Daher ist es unerlässlich, die Spezifikationen und auch Empfehlungen des Herstellers zu berücksichtigen, um den optimalen Drehzahlbereich für ein spezifisches Hochgeschwindigkeitslager zu bestimmen.

 

Was ist ein High-Speed-Lager?

Traditionell sind Lager mechanische Bauteile, die die Rotation einer Antriebswelle oder anderer sich drehender Teile unterstützen und dabei die auftretenden mechanischen Reibungen reduzieren und eine geschmeidige und reibungslose Bewegung ermöglichen. Ein Hochgeschwindigkeitslager ist eine Lagerungsart, die speziell für den störungsfreien Betrieb bei hohen Drehzahlen ausgelegt ist.

In Anwendungen mit hohen Drehzahlen, wie zum Beispiel in Turbinen, elektrischen Hochgeschwindigkeitsmaschinen, Werkzeugspindeln, Turbogebläsen und Turbokompressoren, können die Drehgeschwindigkeiten extrem hoch sein. Diese hohen Drehzahlen können beträchtliche Verlustleistungen und Verschleiß mit sich bringen, wenn sie nicht fachgerecht gehandhabt werden. Deshalb werden hochdrehende Lager entwickelt, um auch unter diesen anspruchsvollen Betriebsbedingungen eine zuverlässige Leistung zu gewährleisten.

 

Welche Lagertechnologie ist die richtige für High-Speed-lager?

Für uns bei SpinDrive sind aktive Magnetlager (auch als AMB=Active Magnetic Bearing bekannt) das A und O. Wir sind fasziniert von AMBs und den besonderen Merkmalen und Features, die sie von allen anderen Lagerarten deutlich unterscheiden. Natürlich gibt es Anwendungen, für die andere Lagertypen besser geeignet oder sogar vorteilhafter als AMBs sind. So eignen sich konventionelle Kugellager für einfache Anwendungen, bei denen die Drehzahlen nicht an äußerste Grenzen stoßen. Dafür sind sie wartungsintensiver als andere Lagerarten für hohe Drehzahlen. Luftlager eignen sich vor allem für Anwendungen mit geringeren Leistungen, bei denen es auf hohe Laufgenauigkeit ankommt. Sie sind zwar kosteneffizient, erfordern aber ein gutes technisches Verständnis. Fluidfilm-Lager haben die größte Belastbarkeit unter den berührungslosen High-Speed-Lagern, was sie zum geeigneten Lagertyp für große Maschinen macht. Es besteht jedoch immer die Gefahr, dass Schmieröl in den Fertigungsprozess gelangt und das jeweilige Endprodukt verunreinigt und kontaminiert.

Magma AMB control units

Abb.2 Magma X800 Magnetlagerregler –  entwickelt von SpinDrive

 

Was bzw. welche Lagerarten/typen werden bei hohen Drehzahlen verwendet?

Für Anwendungen im Hochgeschwindigkeitsbereich gibt es eine Reihe verschiedener Lagertechnologien, namentlich Hochgeschwindigkeitskugellager, Luftlager, Fluidfilm-Lager und Magnetlager. Diese Lagertechnologien werden auch in einem anderen Blogbeitrag  Gründe für den Einsatz von Magnetlagern in Highspeed-Anwendungen  kurz vorgestellt .

Hochgeschwindigkeitslager senken die innere Lagerreibung durch ihre präzise Fertigung, ihr geringes Gewicht und Merkmalen wie reibungsarme Lagerkäfige und Spezialschmiersysteme. Sie sind ideal für Anwendungen, die eine dynamische Belastbarkeit erfordern.

Angular contact ball bearing by GMN

Abb. 3 GMN Schrägkugellager. Um die Umlaufträgheit zu verringern, sind die Bohrungen dünn, die Kugeln klein und der Lagerkäfig aus Polymer gefertigt.

Die mit Druckluft betriebenen Luftlager bieten eine präzise Bewegungsregelung, ein berührungsfreies Layout, geringe Wärmeentwicklung, einfache Integration und eine individuelle Anpassung. Sie sind aufgrund ihrer begrenzten Belastbarkeit für Anwendungen mit geringem Leistungsverbrauch geeignet.

Air bearings by OAVAir thrust bearing by OVA

Abb 4. Luftlager von OAV. Das Radiallager auf der linken Seite und das Axiallager auf der rechten Seite regeln die radiale Richtung.

Fluidfilm-Lager arbeiten unter Verwendung eines Schmierstoffs und bieten eine regulierbare Tragfähigkeit und hohe Dämpfung. Sie ermöglichen eine gute Tragfähigkeit, die wesentlich höher ist als bei anderen berührungslosen Lagertechnologien, was sie zu einer attraktiven Alternative für große Maschinen macht.

fluid film bearings from Waukesha

Abb 5. Ein Fluidfilm-Lager der Firma Waukesha. Auf dem Innenkreis auf der Rückseite der Struktur befinden sich vier Radialplatten. Mit den acht am deutlichsten sichtbaren Pads wird die Axiallast geregelt.

Aktive Magnetlager zeichnen sich durch eine besonders präzise Positionsregelung aus und überzeugen durch schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, variable Steifigkeit und einen wartungs-und instandhaltungsfreien Betrieb. Sie eignen sich für High-Speed-Anwendungen in verschiedenen Bereichen, sowohl im Bereich niedriger als auch hoher Leistungen, mit anpassungsfähigen Regelungs- und Überwachungsfunktionen für optimale Leistung.

 

Welches Material wird in einem Hochgeschwindigkeitslager verwendet?

Für Hochgeschwindigkeitslager wird hauptsächlich Stahl verwendet, z. B. Chrom- oder Edelstahl, der eine hohe Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist, was für die Reibungsminderung entscheidend ist. Keramiken wie Siliziumnitrid oder Zirkoniumdioxid werden wegen ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Temperaturbeständigkeit und ihrer ausgezeichneten Korrosions- und Verschleißfestigkeit bevorzugt und eignen sich daher ideal für Anwendungen, bei denen Gewichts- und Reibungsreduzierung eine wesentliche Rolle spielen. Die Kombination von Keramikkugeln mit Stahlringen in Hybridlagern verbessert die Gesamtleistung und bietet einen höheren Wirkungsgrad und geringeren Verschleiß unter Höchstgeschwindigkeitsbedingungen.

In Luftlagern werden Materialien wie Keramik und Polymere zur berührungslosen Lagerung verwendet, wodurch das Gewicht reduziert, die Hochtemperaturbeständigkeit erhöht und die Reibung für einen störungsfreien und schnellen Betrieb ohne physischen Kontakt minimiert wird. Konstruktionsteile wie Aluminium, Edelstahl oder Keramik werden aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften ausgewählt, um Gewicht, Haltbarkeit und Leistung in Luftlagersystemen auszugleichen.

Fluidfilm-Lager verwenden Werkstoffe wie Bronze, die eine hohe Tragfähigkeit bieten, und Verbundwerkstoffe, die spezielle Anforderungen wie Korrosionsbeständigkeit erfüllen und auf der Grundlage der gewünschten Eigenschaften für Tragfähigkeit und Umweltbedingungen ausgewählt werden. Stahl wird für Standardanwendungen gewählt, während Keramik für geringeres Gewicht, Hochtemperaturbeständigkeit und verbesserte Verschleißfestigkeit verwendet wird. Ein weiteres wichtiges Element bei der Auswahl ist die Betriebs-/Schmiermittelflüssigkeit. In der Regel wird eine Art Öl verwendet, aber auch Wasser mit einigen Zusätzen und spezielle Schmiermittel auf Polymerbasis kommen zum Einsatz.

Aktive Magnetlager bestehen in erster Linie aus Elektromagneten, die aus übereinander gestapelten Elektroblechen und Kupferspulen hergestellt werden. Lamellenpakete werden sowohl in Rotoren als auch in Statoren verwendet. In einigen speziellen Ausführungen können Dauermagnete wie Neodym-, Samarium-Kobalt- oder Ferritmagnete verwendet werden, um einen zusätzlichen Magnetfluss zu erzeugen. Dauermagnete werden auch in passiven Magnetlagern verwendet. Die Regelungselektronik (Magnetlagerregelung) ist das Kontrollzentrum und Herz des Gesamtsystems. Sie befindet sich außerhalb der Hochgeschwindigkeitsmaschine/des Antriebs.

Sie möchten mehr über aktive Magnetlager erfahren? Hier finden Sie verschiedene Blogbeiträge über Magnetlageranwendungen in unterschiedlichen Anwendungen:

Aktive Magnetlager für Turbogebläse

Aktive Magnetlager für Turbokompressoren

Aktive Magnetlager für Hochgeschwindigkeitsspindeln

 

Über den Author

Janne Heikkinen, CEO von SpinDrive, hat einen Doktortitel in Maschinenbau. In seiner Doktorarbeit untersuchte er die Auswirkungen geometrischer Ungenauigkeiten von Lagern auf die Schwingungen von Rotoren.

 

Janne Heikkinen portrait

Author: Janne Heikkinen

 

Klicken Sie auf die Links, um mehr über zusätzliche Themenbereiche zu erfahren:

FAQ’s zu aktiven Magnetlagern

Gründe für den Einsatz von Magnetlagern bei High-Speed-Anwendungen?

Anwendungen für aktive Magnetlager

Vorteile von aktiven Magnetlagern