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

Man unterscheidet zwischen verschiedenen Arten von Hochgeschwindigkeitslagern. Generell können Hochgeschwindigkeitslager in der nachfolgend aufgeführten Reihenfolge von den am einfachsten bis zu den am fortschrittlichsten verwendeten Lagertypen eingeteilt werden:

• Standard-Kugellager für hohe Geschwindigkeiten
• Luftlager (aerostatische oder aerodynamische Lager)
• Fluiddynamische Lager
• Aktive Magnetlager

Standard-Wälzlager können moderaten Drehzahlen standhalten. Doch bei höheren Drehzahlen (>10.000 U/min) müssen herkömmliche Wälz-/Gleitlager sehr häufig gewartet werden und sind somit verantwortlich für bis zu 70 % aller Anlagenausfälle. Zum Erreichen höherer Drehzahlen sind deshalb spezielle Typen von High-Speed Lagern gefordert. Zu den typischerweise verwendeten speziellen Lagertypen gehören unter anderem Luftlager, Fluiddynamische Lager und aktive Magnetlager. Im Folgenden werden einige der technischen Merkmale und wirtschaftlichen Aspekte des Einsatzes dieser speziellen Lagertypen beschrieben.

Im folgenden werden wir die erwähnten Lagertypen mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen näher betrachten:

• Standard-Kugellager für hohe Geschwindigkeiten
• Luftlager (aerostatische oder aerodynamische Lager)
• Fluiddynamische Lager
• Aktive Magnetlager

Figure 1: Vor- und Nachteile der verschiedenen Lagertypen

Was sind Standard-Kugellager für hohe Geschwindigkeiten?

Die High-Speed-Lagertechnologie, die den konventionellen Lagertechnologien am nächsten kommt, sind die Hochleistungs-Kugellager. Die wirkungsvollste Maßnahme zur Anhebung der Drehzahlen bei Kugellagern ist ein stetiger Ölkreislauf, der das Lager aktiv schmiert, indem Öl oder ein Öl-Luft-Gemisch direkt in das Lager eingespritzt oder gesprüht wird. Die Kugeln und Lagerringe können mit verbesserten Materialien oder Beschichtungen versehen werden, um die Reibung zu verringern. Die Kugeln können aus Keramik bestehen, um die Langlebigkeit zu verbessern und das Gewicht der Kugeln zu senken. Zudem kann die Größe der Kugeln minimiert werden, was aufgrund des verminderten Durchmessers eine höhere Rotationsgeschwindigkeit jeder einzelnen Kugel ermöglicht.

Der größte Nachteil von Hochleistungskugellagern ist nach wie vor die beschränkte Drehzahl. Hochleistungskugellager sind verschleißanfällig und müssen häufig ersetzt werden. Die Gesamtbetriebskosten eines Anlagenbauers für herkömmliche Hochleistungslager sind aufgrund der kostenintensiven laufenden Betriebskosten hoch. Selbst während der turnusmäßigen Wartungspausen müssen für den Austausch der Lager die Anlage zerlegt und wieder zusammen gebaut, die Lager ersetzt, das Schmieröl und die Ölfilter ausgetauscht sowie die Ölpumpe, Schläuche und Behälter gewartet werden. Vorgesehene Wartungsarbeiten finden in der Regel alle 12-18 Monate statt und führen dazu, dass die Maschine mindestens einen Tag lang außer Betrieb ist.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Kugellagers. Ref. [1].

Luftlager

Luftlager erzeugen ein pneumatisches Luftpolster aus dem Gasmedium zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil des Lagers. Durch die steigende Drehzahl des Rotors wird die Luft im Inneren des abgedichteten Lagers unter Druck gesetzt. Ist der Druck hoch genug, bildet sich ein Luftpolster zwischen den rotierenden und den stationären Teilen, und der Rotor schwebt auf dem Luftpolster ohne Kontakt mit den Stahlteilen. Sinkt die Drehzahl, sinkt der Druck und es müssen zusätzliche Luftdüsen vorhanden sein, um die Luft zur Erzeugung des Luftpolsters unter Druck zu setzen. Selbst die externen Luftdüsen reichen nicht aus, um den Schwebedruck ohne eine hohe Rotationsgeschwindigkeit zu erzeugen, und die Schwellengeschwindigkeit, bei der das Luftpolster abnimmt, ist mäßig hoch, sobald die Nenndrehzahl unterschritten wird. Um die hohen Temperaturen in den Luftlagern auszugleichen, ist eine spezielle Oberflächenbehandlung erforderlich.

Bei Verlust des Luftpolsters berühren sich die rotierenden und stationären Teile, was zu einem schnellen Verschleiß der Laufflächen führt. Luftlager eignen sich für kleine Anwendungen mit leichten Rotoren, die kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit laufen. Sie sind nicht geeignet für Anwendungen mit Start-Stopp-Zyklen oder Anwendungen, bei denen sich die externen Lasten während des Betriebs ändern.

Abbildung 3: Schematische Darstellung eines Gasfolienlagers. Ref. [2].

Fluiddynamische Lager

Bei fluiddynamischen Lagern ist der rotierende Teil vom stationären Teil durch Hydrauliköl oder andere flüssige Polster getrennt. Das Fluidpolster ist viel steifer als ein Luftpolster, und das flüssigkeitsgelagerte Lager kann selbst sehr große Maschinen wie mehrstufige Dampfturbinen der Multimegawattklasse unterstützen. Der Lagertyp kann ein Gleitlager sein, bei dem das Flüssigkeitspolster durch eine ungleichmäßige Kreisgeometrie, Nocken oder modernere Technologien wie Kippsegmente erzeugt wird, bei denen der stationäre Teil des Lagers eine Reihe von Kippsegmenten aufweist.

flüssigkeitsgelagerte Lager haben eine hohe Dämpfung. Diese Dämpfung ist auch deshalb wichtig, weil die Resonanzfrequenzen der von flüssigkeitsunterstützten Rotorsysteme oft im Bereich kritischer Drehzahlen liegen. Aufgrund hydrodynamischer Phänomene leiden sie unter Instabilität. Außerdem müssen die Temperatur und die Strömung der Flüssigkeit sorgfältig eingehalten werden, da die steigende Temperatur der Flüssigkeit die Viskosität beeinflusst und zu einem schädigenden, zu dünnen Flüssigkeitspolster führen kann.

Zum anderen führt die Viskosität der Flüssigkeit zu hohen energetischen Verlusten bei hohen Drehzahlen. Zu den erforderlichen Hilfskomponenten und -systemen gehören natürlich die Abdichtung des Lagers und das Flüssigkeitsumlaufsystem mit Flüssigkeitspumpe, Schläuchen, Filtern und Behältern.

Abbildung 4: Schematische Darstellung eines Kippsegmentlagers mit vier Segmenten. Ref. [3].

Magnetlager

Da sie reibungsfrei sind, stellen Magnetlager die beste Wahl für High-Speed-Anwendungen dar. In der Regel handelt es sich bei Magnetlagern um aktive Magnetlager. Aktive Magnetlager nutzen elektromagnetische Kräfte, um das rotierende Objekt ohne Kontakt mit dem stationären Objekt in die Schwebe zu bringen. Die elektrische Versorgung speist die Kupferspulen mit Strom, der eine magneto-motorische Kraft erzeugt. Die aktive Steuerung verlangt eine kontinuierliche Rückmeldung der Daten zur aktuellen Position des rotierenden Teils. Die Erfassung dieser Daten erfolgt über Positionssensoren. Das Schwebeverhalten kann auch bei Null-Drehzahl erreicht werden, was bei Luft- und flüssigkeitsgelagerten Lagern nicht möglich ist. Deshalb sind die Magnetlager in der Lage, im Drehzahlbereich von Null bis zu einer physikalischen Grenze der Materialstärke des Rotors zu arbeiten.

Abbildung 5: Schematische Darstellung eines radial aktiven Magnetlagers. Ref. [4].

Im Falle eines Stromausfalls benötigen Magnetlager ein Backup-System, das eine reibungslose und sichere Landung oder Herunterfahren des Systems ermöglicht. Zum einen können Notstromsysteme wie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung oder eine Batterie verwendet werden. Zum anderen kann der benötigte Strom aus dem Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Maschine entnommen werden. Für den Fall, dass ein gravierenderes Ereignis eintritt, gibt es Hilfskugellager, auch bekannt als Fanglager, die kurzzeitig hohe Belastungen und überhöhte Drehzahlen dulden können. Normalerweise ist die dynamische Leistung von Rotorsystemen mit Magnetlagern im Vergleich zu Rotorsystemen mit anderen Lagern hervorragend. Die Gesamtbetriebskosten für ein magnetgelagertes Rotorsystem sind bedeutend niedriger als bei einem Rotorsystem mit einem anderen Lagertyp. Magnetlager gewährleisten die höchste Effizienz und führen zu massiven Kosteneinsparungen über den Lebenszyklus einer Anlage. Es besteht kein Wartungsbedarf und das System kann völlig öl-und schmiermittelfrei über viele Jahre hinweg betrieben werden. Natürlich können die von den eingebauten Sensoren erfassten Positionsdaten auch für andere Zwecke wie die vorbeugende Zustandsüberwachung (Predictive Maintenance) herangezogen und ausgewertet werden.

Abbildung 6: Funktionsprinzip von aktiven Magnetlagern. 

Weitere Informationen hierzu finden Sie über diesen Link:  https://spindrive.fi/what-is-active-magnetic-bearing/.

Anwendungen für High-Speed Lager

Typische Anwendungen für High-Speed-Lager finden sich in der Gasförderung oder -komprimierung. Mit höheren Drehzahlen können wir das gleiche Prozessergebnis mit weniger Energie erreichen. Typische Anwendungen sind z. B. Turbokompressoren oder Turbogebläse als Alternative zu Schrauben- oder Spiralverdichtern, Turbokompressoren für ORC (Organic-Rankine-Cycle-Anlagen) oder sonstige Anwendungen zur Wärmerückgewinnung, Schwungräder (Flywheels) zur Steigerung der kinetischen Energiekapazität, um nur einige zu nennen. Die ultimative Drehzahlleistung von Magnetlagern ist eine der Schlüsseltechnologien für die Wasserstoffwirtschaft.

Zusammenfassung

Die Firma SpinDrive ist ein führender Entwickler und Lieferant von aktiven Magnetlagern für unterschiedlichste Industriezweige. Unsere Kernkompetenz besteht in der Entwicklung, Auslegung und Herstellung von aktiven Magnetlagern. Unsere über 30 jährige Erfahrung auf dem Gebiet der elektrischen High-Speed Motoren und Antriebe und vor allem der aktiven Magnetlagerung ist unübertroffen. Wir bieten ein flexibles Geschäftsmodell dass unseren Kunden höchste Flexibilität und ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Service bietet. Wir verfolgen einen stark kundenorientierten Ansatz und bemühen uns, Ihre Probleme zu lösen und letztendlich die besten Magnetlager zu liefern, um Ihr Unternehmen voranzubringen.

Wenn auch Sie eine spezifische Anwendung haben, für die Sie die besten High-Speed Lager benötigen, zögern Sie bitte nicht, uns zu kontaktieren und weitere Informationen anzufordern.

Referenzen:

1. Stoev et al., Introducing Concepts and Methodologies of Fault Detection into Electrical Engineering Education: the Induction Machine Example, 2017 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON)
2. Barlak et al., Changes of tribological properties of Inconel 600 after ion implantation process, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences 64(4):827-834
3. Badawi et al., Performance analysis of tilting pad journal bearing using COMSOL Multiphysics and Neural Networks, Alexandria Engineering Journal, 59(2):865-881
4. Knospe et al., A multitasking DSP implementation of adaptive magnetic bearing control, Control Systems Technology, IEEE Transactions on 5(2):230 – 238.