Was sind Magnetlager?

Aktive Magnetlager treten mehr und mehr an die Stelle von konventionellen mechanischen Lagern wie etwa Wälz-oder Gleitlagern. Magnetlager bringen den rotierenden Teil z.b. eines Elektromotors mittels eines Magnetfeldes zum berührungsfreien “Schweben” in der Luft. Das Magnetfeld wird von Elektromagneten erzeugt. Es gibt keinen physischen Kontakt zwischen dem rotierenden und dem feststehenden (Stator) Teil des Elektromotors Dieses Wirkprinzip wird auch als Magnetschwebeverfahren bezeichnet.

magnetic bearing

Abbildung 1 Maßgeschneiderte Teile des aktiven Magnetlagersystems

 

Wie bewirkt ein Magnetlager das “Schweben” der Antriebswelle?

In einem Magnetlagersystem wird der rotierende Teil des Motors auch als Welle oder Rotor bezeichnet. Die Welle/Rotor wird in einem, von starken Elektromagneten erzeugten Magnetfeld gehalten. Elektromagnete unterscheiden sich von den gängigen “Whiteboard-Magneten”. In einem Elektromagneten wird das Magnetfeld durch elektrischen Strom erzeugt.

Auf den sich gegenüberliegenden Seiten des rotierenden Teils sind paarweise Elektromagnete angeordnet. Im Allgemeinen gibt es zwei Paare von entgegengesetzten angeordneten Magneten, jeweils in vertikaler und horizontaler Richtung. Durch die entstehende Magnetkraft ziehen die Magnete die Welle/Rotor jeweils in ihre eigene Richtung. Die dadurch entstehenden Zugkräfte halten die Welle/Rotor präzise in der Mitte zwischen den jeweiligen Magneten. Die Anordnung dieser Magnete wird als Magnetlager bezeichnet.

In der Regel ist das Magnetlagersystem aktiv. Aktiv bedeutet, dass die Magnetpaare miteinander verbunden sind und das Magnetfeld geregelt wird. Die aktive Regelung ist intelligent und setzt eine spezielle Elektronik und Software voraus. In aktiven Magnetlagersystemen kommen zudem Positions-/Wegesensoren zum Einsatz.  Diese Sensorik misst kontinuierlich die Wellen-/Rotorposition. Anhand der von den Sensoren gelieferten Daten wird die Position des Rotors/Welle kontinuierlich gemessen und der Controller sorgt dafür, dass der Rotor/Welle in der vorgegebenen Position bleibt. Der Controller überwacht mit den Messdaten die Rotorposition und sorgt dafür, dass immer die erforderliche Magnetkraft für jeden Magneten zur Verfügung steht, indem sie den Strom in den Spulen der Elektromagnete anpasst.

 

wo kommen Magnetlager zum Einsatz?

Es gibt verschiedene industrielle Anwendungen in denen Magnetlager zum Einsatz kommen. Einige der häufigsten Anwendungen sind Turbogebläse und Turbokompressoren, Turbomolekularpumpen, Turboexpander, Organic Rankine Cycle (ORC)-Systeme und Schwungradspeichersysteme.

Turbogebläse und Kompressoren werden in Fabrikanlagen und Gebäuden eingesetzt. Sie werden z. B. in der Chemieindustrie, der Lebensmittelverarbeitenden Industrie, in der Abwasseraufbereitung, der Klimatisierung, Heizung und Belüftung eingesetzt. Turbokompressoren liefern beispielsweise Druckluft für die Abfüllung von Bier in Brauereien.

Turbomolekularpumpen werden in Fabriken eingesetzt. Sie erzeugen ein Vakuum oder, anders gesagt, einen Sog. Der Unterdruck kann genutzt werden, um leichte Bauteile in automatisierten Fertigungs- und Montagelinien zu greifen, um Teile wie Leiterplatten zu bewegen und zu drehen. Turbomolekularpumpen werden zum Beispiel in der Halbleiterindustrie eingesetzt.

Turboexpander werden in Gasleitungen eingesetzt. Durch den Expander wird der Druck in der Gasleitung verringert, zum Beispiel in einer Tankstelle. Wird der Druck des Gases verringert, wird Energie gewonnen.

Ein Organic Rankine Cycle (ORC)-System ist eine Methode zur Rückgewinnung von überschüssiger Wärme. Es erzeugt Strom aus Abwärme. Diese Verlustwärme gewinnt man zum Beispiel aus dem Abgas von Fabriken oder lauwarmem Kühlwasser.

Schwungräder sind Energiespeichersysteme. Sie erinnern an elektrische Batterien, sind aber tatsächlich mechanische Energiespeicher. Im Vergleich zu Batterien geben Schwungräder schnell Energie ab, und sie haben keine Lebensdauerbegrenzung für das Aufladen und Wiederaufladen wie beispielsweise normale Batterien.

Allen erwähnten Anwendungen ist jedoch gemeinsam dass ein Hochgeschwindigkeitsrotor zum Einsatz benötigt wird.

Beschreibungen weiterer Anwendungen finden Sie unter: https://spindrive.fi/applications/ 

 

Welche Vorteile bieten Magnetlager?

Magnetlager eignen sich besonders für hochtourige Anwendungen in elektrischen Maschinen und Antrieben. Mit höheren Drehzahlen kann eine höhere Prozesseffizienz mit einem erheblich niedrigeren Energieaufwand erreicht werden. Die wichtigsten Vorteile von Magnetlagern sind:

  • Öl- und Schmiermittelfreiheit: Magnetlager laufen ohne jegliche Schmiermittel. Es besteht also kein Risiko einer Ölverschmutzung im Prozess. Zudem kann auf  Schmiervorrichtungen verzichtet werden, was die Systemgröße, die Komplexität und den Instandhaltungs/Wartungsbedarf erheblich reduziert.
  • Höhere Systemeffizienz: Das Magnetlager selbst verbraucht im Betrieb sehr wenig Energie=niedrigerer Wärmeverluste. Geringer Energieverbrauch in Verbindung mit höherer Prozesseffizienz sorgt für einen sehr wirtschaftlichen Systembetrieb.
  • Betrieb mit verschiedenen Drehzahlen: Die Drehzahlen haben keinen Einfluss auf die Funktion des Magnetlagersystems. Das AMB-System kann auch bei extrem hohen Drehzahlen wie z.b. 150 000 U/min betrieben werden. Und die gleichen Magnetlager können einen Rotor/Welle in der Schwebe halten, auch wenn der Motor/Antrieb nicht in Betrieb ist.
  • Für die Überwachung des Betriebszustandes ist bereits ein Condition Monitoring System integriert. In konventionellen Lagersystemen erfordert die Zustandsüberwachung separate Sensoren und zusätzliche kostspielige Instrumente.

 

Sind Magnetlager reibungsfrei?

Ja, Magnetlager sind absolut berührungs-und reibungsfrei. Aktive Magnetlager eliminieren mechanische Reibungsverluste, was zu einer höheren mechanischen und energetischen Effizienz führt. Dies verlängert auch die Lebensdauer der Lager, da es keine verschleißenden Teile gibt.

Example of SpinDrive Active Magnetic Bearing

Abbildung 2 Beispiel für ein aktives Magnetlager

 

Wie lange können Magnetlager im Betrieb bleiben?

Magnetlager haben den Vorteil, dass sie absolut reibungsfrei sind und daher auch eine viel höhere Lebensdauer haben als herkömmliche Gleit-/Wälzlager. Typischerweise kann man  ein aktives Magnetlagersystem über eine Gesamtlebensdauer von 20 Jahren und mehr mit geringem Wartungsaufwand in Betrieb halten.

  

Nutzen sich Magnetlager ab?

Aufgrund der bereits erwähnten berührungsfreien Eigenschaften gibt es faktisch keinen Verschleiss bei Magnetlagern. Dadurch werden die Wartungs-und Instandhaltungskosten auch auf ein Minimum reduziert.

 

Was passiert im Falle eines Stromausfalls?

Aktive Magnetlager benötigen für den Betrieb Strom, um das System in die Schwebe zu bringen bzw. den Rotor/Welle in der Schwebe zu halten. Für den Fall einer Unterbrechung der Stromzufuhr oder bei einem vollständigen Stromausfall sorgen mehrere Schutzmassnahmen für einen sicheren Stopp. Wenn der Motor im Betrieb ist und es zu einem Stromausfall kommt, muss der Motor sicher abgeschaltet werden. Wenn ein Motor abgeschaltet wird, kann er durch die nach wie vor vorhandenen Drehzahlen eine Menge an Strom erzeugen. Dieser Strom kann während des sicheren Abschaltprozesses weiterhin für einen sicheren Schwebezustand des Rotors/Welle verwendet werden. Magnetlager können auch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) nutzen, die wie eine Batterie den Stromausfall überbrückt und die benötigte Energie liefert. Die letzte Sicherheitsebene sind  Sicherungs-/Fanglager die die rotierende Welle/Rotor sicher auffangen. Bei diesen erwähnten Lagern handelt es sich in der Regel um konventionelle Wälz-Gleitlager. Die Sicherungs-/Fanglager selbst drehen sich nicht während des normalen Betriebs der Magnetlager!

Wenn Sie mehr über die technischen Einzelheiten aktiver Magnetlagersysteme erfahren möchten, besuchen Sie bitte unseren Blog: https://spindrive.fi/what-is-active-magnetic-bearing/