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Pumpen

Ohne Berührung

28.09.2006 | Redakteur:

Elektromagnetische Lagerung von Pumpen verbessert Leistung und Prozesssicherheit.

Heute werden für die Förderung von aggressiven und umweltbelastenden Medien immer mehr Spaltrohr- und Magnetkupplungspumpen eingesetzt. Deren Konstruktion ermöglicht den Verzicht auf rotierende Wellendichtungen. Die zur Lagerung des Rotors bislang eingesetzten Gleitlager benutzen das Fördermedium als Schmierstoff. Die Lagerbeanspruchung durch Prozesskräfte, die zu fördernden Medien oder Trockenlauf können zum Ausfall der Lager führen und somit kostenintensive Stillstandszeiten von Produktionsanlagen zur Folge haben. Vor diesem Hintergrund haben der Pumpenhersteller KSB und der Magnetlagerspezialist Levitec gemeinsam ein magnetgelagertes Pumpenaggregat entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Spaltrohrmotorpumpe mit aktiver Magnetlagerung. Sie stellt eine kompakte Einheit aus Antrieb und Lagerung dar. Die beschriebenen Probleme entfallen bei den berührungslosen und schmiermittelfreien Magnetlagern. Diese arbeiten verschleißfrei und benötigen keine Wartung. Die Vorteile der magnetischen Lagerung kommen besonders dort zum Tragen, wo die Grenzen konventioneller Lagertechnik erreicht oder überschritten werden. Wird der in Abhängigkeit von der Drehzahl ansteigende Verschleiß durch aktive Magnetlagerung eliminiert, kann eine höhere Drehzahl erzielt werden. Somit wird die Leistungsdichte des Aggregats gesteigert sowie damit verbunden dessen Gewicht und Abmessungen reduziert. Das Magnetlager muss fünf Freiheitsgrade aufnehmenGrundsätzlich geht es bei einer Lagerung um die Abstützung und Führung eines beweglichen Körpers an einem feststehenden Teil. Ein starrer, frei im Raum schwebender Körper hat beispielsweise insgesamt sechs Freiheitsgrade. Bei einer Welle entspricht einer der sechs Freiheitsgrade der Rotation um die Längsachse. Dieser Freiheitsgrad wird vom Antrieb kontrolliert. Die Lagerung nimmt die Kräfte in Richtung der anderen fünf Freiheitsgrade auf. Magnetlager bestehen grundsätzlich aus zwei separaten Teilen, die keinen mechanischen Kontakt miteinander haben. Der Stator ist fest mit der Umgebung verbunden, während der bewegliche Rotor berührungsfrei in der Schwebe gehalten wird. Die zum Schweben notwendigen Kräfte werden durch magnetische Felder aufgebracht. Bei der aktiven Lagerung wird die Magnetkraft über den Strom in den Elektromagneten so geregelt, dass der Rotor in seiner gewünschten Position gehalten wird. Durch die elektromagnetische Lagerung lassen sich Rotorschwingungen aktiv dämpfen, sogar Unwuchten kompensieren und damit ein vibrationsfreier Lauf der Pumpe realisieren. Alle Lagerkräfte werden elektronisch geregeltDie prinzipielle Wirkungsweise eines aktiven Magnetlagers für einen Freiheitsgrad kann besonders gut am Beispiel eines schwebenden Körpers erläutert werden. Dazu ist in Bild 1 eine Systemübersicht angegeben. Bei einer aktiven Magnetlagerung müssen die Lagerkräfte geregelt werden, um den Rotor in der richtigen Position zu halten. Die Position des Rotors wird über einen Sensor gemessen und die Messgröße wird dem Regler zur Verfügung gestellt. Dieser berechnet den zum Einhalten der Sollposition notwendigen Strom im Elektromagneten. Über einen Leistungsverstärker wird der Strom in die Spulen des Elektromagneten eingespeist und erzeugt die der Gewichtskraft Fg entgegenwirkende Magnetkraft FMagnet . Die Realisierung solcher Regelkreise erfolgt heute mit digitalen Signalprozessoren und pulsweitenmodulierten Leistungselektroniken, wie sie bereits in der Antriebstechnik Standard sind. Aktorikelemente für eine radiale Lagerstelle können beispielsweise aus hufeisenförmigen Elektromagneten bestehen, die den erforderlichen Ruhe- und Steuerfluss erzeugen. Mit solchen Lagerstellen lassen sich zwei Freiheitsgrade aktiv stabilisieren. Bei der Konstruktion und Fertigung aktiver Magnetlager muss außer der Funktion auch ein großes Augenmerk auf die leichte Handhabbarkeit und Montagefreundlichkeit gelegt werden.Zunehmende Auflagen des Gesetzgebers und eine geforderte Erhöhung der Verfügbarkeit von Produktionsanlagen führen in vielen Industriebereichen zu steigenden Anforderungen an die Produktionsmittel.Erfahrungen mit dem PrototypDurch den hohen Automatisierungsgrad von Produktionsanlagen werden Prozesse und Zustände kontinuierlich überwacht und somit diesen Anforderungen Rechnung getragen. Über die ohnehin im Magnetlager vorhandene Sensorik zur Positionserfassung der Welle kann gleichzeitig eine Aussage über den Betriebszustand der Pumpe, deren Prozesskräfte und eventuell auftretende Abweichungen vom „Normalzustand“ getroffen werden. Dadurch können kritische Zustände rechtzeitig erkannt und entsprechend behandelt werden. Durch aktive Dämpfung gibt es keine Vibrationen und die Erstellung aufwendiger Fundamente ist nicht notwendig. Weil die Magnetlager berührungslos arbeiten, erzeugen sie keine Geräusche, sind verschleißfrei und somit wartungsfrei. In Kombination mit Spaltrohrmotoraggregaten sind diese Lager prädestiniert für hochreine Betriebsbedingungen, beispielsweise in der Chemie-, Medizin- und Biotechnik, weil sensible Fördermedien nicht durch Abrieb beschädigt oder verunreinigt werden. Sporadisch wechselnde Betriebszustände bis hin zum Trockenlauf sind für die magnetisch gelagerte Pumpe absolut unkritisch. Darüber hinaus bieten aktive Magnetlager ohne zusätzliche Sensorik eine verbesserte Möglichkeit zur Prozessüberwachung, Betriebszustandserkennung, Fehlererkennung und Identifikation. Die Lagereigenschaften sind beeinflussbar und ermöglichen so die Anpassung an sich verändernde Zustände und Anforderungen.

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