Ein aktives Magnetlager (AMB) ist eine berührungs– und reibungslose Lagerart. Es verwendet aktiv geregelte elektromagnetische Kräfte, um einen Schwebezustand zu erreichen. Durch den Schwebezustand des Rotors gibt es keinen Kontakt zwischen den rotierenden und stationären Teilen.
Aktive Magnetlager – Funktionsprinzip
Der Rotor wird mit Hilfe von Elektromagneten in der Schwebe gehalten, wobei seine Position durch das AMB-System überwacht und gesteuert wird. Das elektromagnetische Feld, das vom AMB-System erzeugt wird, dient zur Unterstützung des Rotors, während das Regelungssystem die von den Elektromagneten ausgeübte Kraft ständig überwacht und regelt, um sicherzustellen, dass der Rotor in einer stabilen Position gehalten wird. Dies gewährleistet eine schnelle, präzise Drehzahl mit minimaler Reibung, Energieverlusten und Verschleiß.
Grosses Marktpotenzial für industrielle Anwendungen
Ca. 45 % des weltweiten Stromverbrauchs entfallen auf industrielle Elektromotoren.. Bestehende Antriebslösungen für High Speed -Elektromotoren ohne aktive Magnetlager sind ineffizient und teuer in der Wartung. Strom- als auch Instandhaltungs-/Wartungskosten machen mehr als 70 % der gesamten Lebenszykluskosten eines Motors/Antriebs aus. Da die High Speed Motoren mit hohen Drehzahlen (über 10.000 U/min) arbeiten, kommt es häufig zu Störungen und Produktionsausfällen, was wiederum die Produktivität und Effizienz der von ihnen angetriebenen Systeme beeinträchtigt. SpinDrive bietet reibungsarme aktive Magnetlager für die High Speed-Elektromotoren.
High Speed Elektromotoren mit Magnetlagern finden in den verschiedensten Industriebereichen zunehmend Beachtung. Die Motivation für ihren Einsatz ist sehr unterschiedlich: zum einen die Notwendigkeit, den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern und damit Energie einzusparen und zum anderen die CO2-Emissionen zu verringern, die Leistungsdichte zu erhöhen, die Funktionalität zu verbessern und die Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit zu erhöhen, sind einige der wichtigsten Motivationsfaktoren. Im Zusammenhang mit neuen und anspruchsvolleren industriellen Anwendungen, die von der dezentralen Stromerzeugung über die Energiespeicherung bis hin zu Elektrofahrzeugen und industriellen Fertigungsprozessen reichen, stehen High Speed Motoren jedoch noch vor zahlreichen Herausforderungen.
Magnetlager bringen den rotierenden Teil (Welle/Rotor) eines Motors/Antriebs zum berührungsfreien Schweben
Magnetlager beruhen auf dem Prinzip der Levitation, d. h. dem Prozess, bei dem ein Objekt ohne zusätzliche mechanische Unterstützung in der Schwebe gehalten wird. Die stützenden Kräfte können aus verschiedenen Quellen stammen, wenn sie jedoch durch ein Magnetfeld erzeugt werden, spricht man von Magnetschwebetechnik. Der Schwebezustand tritt ein, wenn zweit Magnete (Magnetlager) den Festkörper – im Falle eines Elektromotors den Rotor/Welle – zueinander ziehen. Dazu werden die Magnete auf gegenüberliegenden Seiten um den Rotor/Welle angeordnet. Eine Anordnung von Positionssensoren misst kontinuierlich die aktuelle Position des Rotors/Welle. Da die Magnetlagersteuerung (der Controller) die genaue Position und Lage des Rotors/Welle erfasst, kann sie frühzeitig prognostizieren, wie viel Kraft von jedem Magneten benötigt wird, um den Rotor/Welle in der Position und Lage zu halten. Anstelle von Permanentmagneten werden bei AMB`s Elektromagnete eingesetzt, da sich die Flusskraft durch Anpassung des Stroms in den Spulen verändern lässt. Abbildung 2 veranschaulicht das Hauptprinzip des Rotorsystems, das durch magnetische Lager ohne Kontakt schwebt.
Magnetlager ersetzen die herkömmlichen Wälz-/Gleitlager in rotierenden Maschinen und benötigen keine anderen Medien (Flüssigkeit oder Gas) für ihren Betrieb, so dass auch keine zusätzlichen Öl-oder Schmiermittel erforderlich sind. Die Positionssensoren werten die Rotor-/Wellenposition bis zu 100.000 Mal pro Sekunde aus und können jede noch so kleine Veränderung im System erkennen. Sie liefern zusätzliche Informationen und Erkenntnisse sowohl über den Elektromotor als auch über den Prozess, in dem der Motor betrieben wird. Da es keinen mechanischen Kontakt gibt, entfallen die Reibung und die damit verbundenen Verluste, so dass High Speed-Elektromotoren mit Magnetlagern energieeffizienter sind. Da sich feststehende und rotierende Teile nicht berühren (kein Oberflächenkontakt), gibt es keinen Verschleiß der jeweiligen Komponenten. Magnetlager bieten alle diese Eigenschaften.
Entwicklung der Magnetlagertechnik
Die Prinzipien der Magnetlagertechnik sind seit Jahrzehnten bekannt. Ursprünglich handelte es sich um ein vollständig analoges System mit sperrigen Leistungsverstärkern und einem unzuverlässigen Steuerungssystem, das auf induktiven und kapazitiven Elementen beruhte. Dies schränkte die Anwendbarkeit der Technologie auf Luft- und Raumfahrt- sowie Militärprojekte, die sich solche Komplikationen leisten konnten, erheblich ein.
Die zweite Generation kam mit den Fortschritten in der Computerindustrie auf, als digitale Steuersysteme die analogen ersetzten. Die wachsende Rechenleistung ermöglichte die Berechnung von Steuersignalen in Echtzeit für den schwebenden Körper. Digitale Steuerungen boten Zuverlässigkeit und einfache Einstellbarkeit.
Der eigentliche Durchbruch erfolgte, als Schaltverstärker auf den Markt kamen. In Kombination mit der digitalen Steuerung entstand die dritte Generation von Magnetlagern. Die modernen Leistungsverstärker sind kompakt und schnell. Das war der Moment, in dem die Industrie begann, die Technologie in größerem Umfang zu übernehmen.
Jetzt steht die nächste Generation von Steuerungen bereit, um auf den Markt zu kommen. Diese werden viel mehr Rechenleistung bieten und eine fortschrittlichere Steuerung ermöglichen. Die schnelle Verbindung zu einer Cloud-Umgebung bietet die Möglichkeit, große Datenmenge zu verarbeiten und wertvolle Informationen aus den gesammelten Daten zu gewinnen. Mit all dieser Intelligenz ist das Magnetlagersystem in der Lage, sich an die schwierigsten Situationen anzupassen, automatische Einstellungen und Inbetriebnahmen vorzunehmen und den Zustand des rotierenden Körpers und des entsprechenden Prozesses kontinuierlich vorherzusagen.
Abbildung 3. SpinDrive Magnetlagersteuerung der neuen Generation Magma®
Vorteile von Magnetlagern
Aktive Magnetlager eliminieren Reibungsverluste in der Lagerung, was zu einer höheren mechanischen und energetischen Gesamteffizienz führt. Dadurch können Erstausrüster auf die immer leistungsintensiveren Anwendungen reagieren und gleichzeitig die Energieverluste und CO2-Emissionen verringern. Die Technologie der Magnetlager ist eine bahnbrechende Lösung, bei der es keinen Kontakt zwischen den rotierenden und mechanischen/stationären Komponenten der Maschine oder des Motors gibt. Dies bedeutet, dass kein mechanischer Verschleiß auftritt, was wiederum das Ausfallrisiko minimiert. Folglich gibt es auch nur einen minimalen Bedarf an planmäßiger Wartung und Instandhaltungsmassnahmen um unvorhersehbare Ausfallzeiten, die den gesamten Produktionsprozess der Endnutzer beeinträchtigen können zu vermeiden. Außerdem eignen sich die Magnetlager für Anwendungen und Umgebungen, die empfindlich auf Maschinenvibrationen reagieren. Magnetlager minimieren auch unangenehme Maschinengeräusche, die durch den Prozess oder den Elektromotor selbst an die Umgebung abgegeben werden.
Typische Anwendungen
Es gibt Dutzende von verschiedenen Anwendungen für AMB`s, lesen Sie mehr Informationen über typische Anwendungen von Magnetlagern auf unserer Webseite: Anwendungen – SpinDrive – Einfache Integration in verschiedenen Branchen
Was macht die aktiven Magnetlager zur Lagertechnologie der Zukunft?
Industrielle Elektromotoren verbrauchen den meisten Strom. Allein in der Europäischen Union gibt es etwa 8 Milliarden Elektromotoren, die etwa die Hälfte des in der EU produzierten Stroms verbrauchen. Die bestehenden Lösungen für schnelllaufende Elektromotoren sind ineffizient und teuer in der Wartung und Instandhaltung. Mehr als 70 % der gesamten Lebenszykluskosten entfallen auf den Stromverbrauch und die Wartung.
Aktive Magnetlager (AMBs) sind die ideale Lösung für dieses Problem. Industrielle Elektromotoren arbeiten mit hohen Drehzahlen (über 10.000 U/min). Infolgedessen kommt es häufig zu Ausfällen und Störungen, die die Produktivität und Effizienz des gesamten, von ihnen angetriebenen Systems beeinträchtigen können.
Magnetgelagerte Hochgeschwindigkeits-Elektromotoren finden in zahlreichen Industriezweigen immer mehr Beachtung. Die Beweggründe für ihren Einsatz sind sehr unterschiedlich:
- Die Verbesserung der Energieeffizienz und die damit verbundenen Energieeinsparungen und weniger Umweltbelastungen.
- Zu den wichtigsten Treibern gehören die Optimierung der Leistungsdichte, mehr Funktionalität, Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit.
Vor dem Hintergrund neuer und anspruchsvollerer industrieller Anwendungen, die von dezentraler Stromerzeugung und Energiespeicherung bis hin zu Elektrofahrzeugen und industriellen Fertigungsprozessen reichen, stehen Hochgeschwindigkeitsmotoren jedoch nach wie vor vor einer Reihe von Herausforderungen.
Leitbild SpinDrive
Es ist unser Ziel, reibungsfreie aktive Magnetlager für Hochgeschwindigkeits-Elektromotoren auf unkomplizierte und kostengünstige Weise zu realisieren. So werden Störungen des elektromotorisch angetriebenen Systems, die Wartung und die Stromkosten reduziert.
