Vor allem bei bürstenlosen Maschinen bestimmt oft die Lagerung der Rotorwelle die Produktlebensdauer. Eine mechanische Lagerung bedeutet häufig einen hohen Verschleiß bzw. einen beträchtlichen Wartungsaufwand. Durch den Einsatz magnetisch gelagerter Antriebe kommt es zu einer berührungslosen Kraft- und Drehmomentübertragung, was im Vergleich zu Antrieben mit Wälz- oder Gleitlagern entscheidende Vorteile mit sich bringt.
Mit der Magnetlagertechnik erreicht man eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer und zusätzlich geringere Wartungskosten. Es werden keine Schmiermittel benötigt und es tritt wegen der fehlenden Reibung keine mechanische Abnützung auf. Diese Eigenschaften sind speziell bei hochreinen Applikationen und für Anwendungen im Bereich der Vakuum- bzw. Medizintechnik von besonderer Bedeutung. Auch für das Fördern aggressiver Flüssigkeiten bieten sich magnetisch gelagerte Systeme an. Durch konstruktive Maßnahmen kann bei dieser Technik auf schleifende Dichtungen gänzlich verzichtet werden. Des Weiteren lassen sich mit der beschriebenen Technologie Antriebe mit sehr hohen Drehzahlen realisieren, bei denen konventionelle Antriebe an ihre Grenzen stoßen. Bei den magnetisch gelagerten Motoren wird die maximale Umlaufgeschwindigkeit vorwiegend durch die mechanische Festigkeit der Welle bzw. des Rotors bestimmt. Zusätzlich ergibt sich aufgrund der fehlenden Reibungsverluste bei lagerlosen Motoren, im Vergleich zu konventionell gelagerten Antrieben, ein höherer Wirkungsgrad.
Unser Institut für elektrische Antriebe und Leistungselektronik hat über eine Vielzahl von Forschungsarbeiten große Erfahrungen im Bereich der Magnetlager, der magnetisch gelagerten Antriebe und der lagerlosen Motoren gewonnen.
Hocheffiziente Low Cost – Magnetlager 1/2
Das Institut beschäftigt sich vor allem mit kostengünstig herzustellenden magnetisch gelagerten Systemen.
Im Bereich der Magnetlager werden häufig elektromagnetische Radiallager eingesetzt. Ein Beispiel hierfür zeigt die folgende Abbildung.
- Elektromagnetisches Lager
Hocheffiziente Low Cost – Magnetlager 2/2
Die am Institut entwickelten elektromagnetischen Magnetlager weisen eine permanentmagnetische Vorspannung auf. Hierdurch ergeben sich einige Vorteile hinsichtlich des Betriebsverhaltens
- kompakter 2D-Aufbau für eine einfache Montage
- hohe Effizienz
- Eignung für große Luftspalte
- Möglichkeit einer quasi leistungslosen Kompensation von statischen Querkräften
- Radiallager mit PM-Erre- gung und integrierter Elek- tronik (entwickelt in Koope- ration mit Levitec GmbH)
- Arbeitspunktverschiebung in der Kraftkennlinie
- Verlustleistung als Funktion der Radialkraft
Lagerlose und gleitdichtungsfreie Pumpen 1/2
In einem k-plus Kooperationsprojekt mit dem Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung an der JKU wurden die Strömungsverhältnisse für magnetisch gelagerte Pumpen untersucht. Das Antriebskonzept ist mit nur drei aktiv stabilisierten Freiheitsgraden realisiert, was zu hohen Anforderungen an das fluiddynamische Pumpendesign führt. Das verwendete Regelschema konnte industrienah auf einem 16-Bit-Fixkommaprozessor implementiert werden.
- Lagerloser Motor mit vier Spulen
- Blockschaltbild der Regelung
Lagerlose und gleitdichtungsfreie Pumpen 2/2
Die hydrodynamischen Verhältnisse der Pumpe wurden durch eine genaue CFD-Modellierung analysiert und optimiert. Diese vorgenommene Modellbildung verwendet folgende Methoden:
- Instationäre Navier-Stokes Gleichungen
- Finite Volumina Diskretisierung
- Anisotrope Turbulenzmodellierung
- Sliding Mesh Modellierung
- Deforming Mesh Modellierung
- Druckverteilung
- Geschwindigkeitsverteilung
- Kavitationsanalyse
Produktionssysteme für chemische Prozesse 1/4
In einem ACCM Kooperationsprojekt mit der schweizerischen Levitronix GmbH konnten die in einem FWF-Projekt erarbeiteten Grundlagen zum lagerlosen Segmentmotor auch für industrielle Anwendungen weiterentwickelt werden.
Das folgende Projekt befasste sich mit hermetisch gekapselten Prozessmaschinen für chemische Prozesse.
- Prozesskammer
- Hermetisch gekapselte Prozessmaschine
Produktionssysteme für chemische Prozesse 2/4
Technische Herausforderungen in der chemischen Industrie, der Biotechnologie, Medizintechnik und Halbleiterindustrie:
- extrem hohe Reinheitsbedingungen (keine sub-nano Partikel)
- berührungsloser Betrieb (hermetische Kapselung)
- sehr große Luftspalte
- große Rotordurchmesser (z.B. bis zu 40 cm)
- hohe Beschleunigungen
- schwingungsarmer Betrieb
Diese Anforderungen verlangten nach neuartigen lagerlosen Antriebskonzepten.
- Lagerloser Segmentmotor mit einer 13/14-Polpaarkombination
Produktionssysteme für chemische Prozesse 3/4
Um diese Vorgaben zu erreichen wurden folgende, zum Teil in einem FWF-Projekt entwickelten Methoden eingesetzt:
- 2D- und 3D- Finite Element Berechnungen zur Designoptimierung,
- Nichtlineare Regelungstheorie (feedback transformation)
- Mathematisches Motormodell für spannungseinprägende Leistungselektroniken
- Dazugehöriges nichtlineares Regelschema
Produktionssysteme für chemische Prozesse 4/4
- Mustermotor
In Zusammenarbeit mit Levitronix konnte ein Mustermotor sehr erfolgreich in Betrieb genommen werden.
Der Prototyp besteht aus 6 einspuligen Statorelementen und enthält 26 Rotor- magnetblöcke.
Der kompakte Rotorring kann in kurzer Zeit auf eine Betriebsgeschwindigkeit von 2000 U/min beschleunigt werden.