Lagerloser Motor erzeugt Drehmomentund Radial-Lagerkräfte in einer Einheit

Von unserem Redaktionsmitglied Johannes Gillar

Es gibt in der Industrie oder in Fahrzeugen kaum eine Anwendung, die ohne den Einsatz von Elektromotoren auskommt. Vor dem Hintergrund des immer härter werdenden globalen Wettbewerbs steigen die Anforderungen an Komponenten und Systeme. Gerade das Herz von Maschinen oder Fahrzeugen ist das Ziel vieler Anwenderwünsche: Kompakt, wartungs- und verschleißfrei sollen die Motoren sein, keine Schmiermittel benötigen und sich selbst bei höchster Leistung nur gering erwärmen.

Allen Entwicklungen im Bereich der Elektronik zum Trotz: begrenzt werden die Einsatzmöglichkeiten von Elektromotoren durch die Eigenschaften der mechanischen Elemente im Antriebsstrang. Insbesondere Wälzlager erwärmen sich, verschleißen, benötigen Schmiermittel und regelmäßige Wartung.

Eine Alternative zu herkömmlichen Kugellagern sind aktive Magnetlager. „Magnetisch gelagerte Systeme sind verschleiß- und wartungsfrei”, hebt Dipl.-Ing. Andreas Bünte, Abteilungsleiter Grundlagenentwicklung der Lust Antriebstechnik GmbH in Lahnau, den Vorteil hervor. Außerdem würden sie keine Schmiermittel benötigen und sich nur geringfügig erwärmen. Weitere Pluspunkte der aktiven Lager sind variable Lagerparameter und Rotorposition, eine stationär unendlich hohe Steifigkeit sowie der erschütterungsarme Lauf. Laut Prof. Dr.-Ing. Manfred Rautenberg, Leiter des Institutes für Strömungsmaschinen der Universität Hannover, bestehen aktive Magnetlager aus drei Komponenten: dem eigentlichen Lager, einem zugehörigen elektronischen Steuersystem und den Hilfslagern. Vier Elektromagnete, die rund um den Rotor angeordnet sind, bilden ein Radiallager. Jeder dieser Magnete wird durch einen Verstärker gesteuert. Zwei weitere Magnete auf beiden Seiten der Stirnfläche bilden das Axiallager. Um den Rotor stabil zu halten, ist ein Magnetlager mit einer Steuerelektronik ausgerüstet. Sie kompensiert alle von außen auf den Rotor einwirkenden Kräfte. „Eingesetzt werden diese Maschinenelemente bisher in hochtourigen Spindelantrieben oder bei Vakuumpumpen”, nennt Bünte Einsatzbeispiele.

Allerdings haben aktive Magnetlager auch Nachteile: Sie sind teuer und im Verhältnis zu Kugellagern benötigen sie viel Platz. Um diese Mängel abzustellen, haben die Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich zusammen mit den Maschinenbauern Sulzer und Lust einen „lagerlosen” Motor entwickelt. „Wir wollten Antrieb und Lager in einer Einheit zusammenfassen”, berichtet Entwickler Bünte. „Neu daran ist, daß die Magnetkräfte zum Tragen des Rotors im Motor selbst und nicht in separaten Magnetlagern erzeugt werden.”

Im Prinzip ist das lagerlose Aggregat ein Drehstrommotor mit zwei separaten Ständerwicklungen unterschiedlicher Polzahl, wie etwa beim polumschaltbaren Motor. Beide Wicklungen werden gleichzeitig bestromt. Das hat für den Anwender zwei wesentliche Vorteile: Erstens ist der Motor kompakter, denn die Lagerkraft wird direkt im Bereich des Antriebes realisiert. Die eine Wicklung der elektrischen Maschine wird zum Bilden der Radiallagerkräfte genutzt, die andere übernimmt die Drehmomentbildung. Zweitens erhält man durch die Realisierung der magnetischen Lagerkräfte im Motor einen Freiheitsgrad mehr. Dieser erlaubt das Dämpfen von rotordynamischen Schwingungen auch im Motorbereich. Dies macht den Motor steifer.

Diese Technik läßt sich sowohl bei Asynchron- als auch bei permanenterregten Synchronmotoren nutzen. Daher ergeben sich verschiedene Bauformen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Insbesondere durch den Synchronmotor sind große Luftspalte möglich, „da die Permanentmagnete die Vormagnetisierung übernehmen”, weiß Lust-Entwickler Andreas Bünte um das Plus dieser Lösung. Das Drehstromlager, wie er diese Bauform nennt, benötigt zum Beeinflussen der Radialkraft nur die Steuerleistung. Dadurch eröffnen sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. So läßt sich das Funktionsprinzip (siehe auch Kasten S. 47) ideal auf Spaltrohrmotoren übertragen.

„Der Name Spaltrohr weist bereits auf die Besonderheit dieser Motorenart hin”, unterstreicht Bünte und erklärt, daß im Luftspalt zwischen Rotor und Stator ein Rohr eingeführt werden könne, durch das die beiden Motorenelemente voneinander getrennt (gespalten) würden. Auf der Grundlage dieser Technologie arbeiten Spaltrohrpumpen. Diese eignen sich sehr gut für das Fördern gefährlicher Flüssigkeiten oder Gase, weil das Spaltrohr den Pumpenraum hermetisch abdichtet. Im Gegensatz zu Kreiselpumpen kann bei dieser Bauart auf die Wellendichtung verzichtet werden. „Diese sind einem starken Verschleiß ausgesetzt und beginnen mit der Zeit zu lecken”, weiß der diplomierte Ingenieur.

Doch auch Spaltrohrpumpen haben Verschleißprobleme beim Fördern aggressiver Medien. Die Gleitlager, die den Rotor konventioneller Spaltrohrpumpen lagern, verschleißen schnell, insbesondere, wenn die Pumpe trocken läuft. Gemeinsam mit der Sulzer Pumpen AG haben Lust und die Sulzer Electronics AG, Zürich, daher eine lagerlose Spaltrohrmotorpumpe entwickelt. Reto Schöb von Sulzer Electronics: „Die magnetischen Kräfte zum Antrieb und zur berührungsfreien Lagerung des Rotors wirken durch das Spaltrohr hindurch und werden elektronisch gesteuert.” Antrieb und Lagerung sind berührungsfrei, wodurch die neue Pumpe laut Schöb verschleiß- und schmiermittelfrei arbeitet und beliebig lang trockenlaufen kann.

Allerdings seien „die Regelungsstrukturen des lagerlosen Motors deutlich komplexer als die bei einer klassischen Magnetlagerung”, betont Andreas Bünte. Im Prinzip sei zur Regelung eine Koordinatentransformation notwendig. Die Lagerkraft ließe sich nur vernünftig regeln, wenn dies im Koordinatensystem geschehe, das sich unmittelbar am Fluß in der Maschine orientiere. „Das funktioniert genauso wie bei einer feldorientierten Antriebsregelung”, vergleicht er. Dank leistungsfähiger Signalprozessoren und Mikrocontroller ist die Regelung seiner Ansicht nach eigentlich kein Problem mehr. „Berücksichtigt werden muß jedoch, daß diese Regelung nur digital zu realisieren ist”, schränkt er ein. Wegen der komplizierten Steuerelektronik ist die Pumpe heute noch relativ aufwendig. Experten sehen erste Anwendungen daher dort, wo aus Sicherheitsgründen absolute Dichtigkeit notwendig ist, wo die geförderte Flüssigkeit völlig rein gehalten werden muß oder wo die Systeme wartungsfrei sein müssen. Dabei handelt es sich um Einsatzfälle in der Petrochemie, in der Produktion von Halbleiterchips oder in der Medizintechnik.

Aus dem medizinischen Bereich liegt bereits ein Anwendungsbeispiel vor: eine lagerlose Blutpumpe zum Einsatz in einer Herz-Lungen-Maschine. „Eine wichtige Randbedingung war, daß der Pumpenkopf als Einmalartikel ausgeführt wurde”, beschreibt Sulzer-Konstrukteur Reto Schöb die Anforderungen. Deshalb mußte er billig sein und sich einfach vom Antrieb trennen lassen. Der Pumpenkopf besteht aus nur zwei Teilen: einem Scheibenrotor und einem Gehäuse aus Kunststoff. Der Rotor wird durch das Gehäuse hindurch mit Hilfe von Magnetfeldern gelagert und angetrieben. „Zum Auswechseln des Pumpenkopfs genügt es, diesen aus dem Stator zu schieben und durch einen neuen zu ersetzen”, verrät Schöb den Kniff.

Neben der Wartungsfreiheit hat die magnetische Lagerung auch dort Vorteile, wo es um hohe Geschwindigkeiten geht. Da bei Magnetlagern auch bei hohen Drehzahlen so gut wie keine Lagerverluste auftreten, wird die zulässige Umlaufgeschwindigkeit durch die Fliehkraftbeanspruchung des Rotors begrenzt. Das macht dieses Konzept interessant für den Maschinenbau. Im Werkzeugmaschinenbau sind Hochgeschwindigkeitstechnologien wie etwa das High Speed Cutting (HSC) auf dem Vormarsch. Andreas Bünte hält den lagerlosen Motor für den Einsatz in Werkzeugmaschinen geeignet. In einem Projekt für einen Kunden realisierten die Lahnauer eine sehr hochtourige Anwendung. „Es ging dabei um Hochgeschwindigkeitsspindeln, und wir haben bei einer Antriebsleistung von 700 W Drehzahlen bis zu 60000 min-1 erreicht”, verdeutlicht er sein Beispiel.

Die guten Eigenschaften von Magnetlagern bei hohen Geschwindigkeiten zunutze machen sich auch Prof. Dr.-Ing. Manfred Rautenberg und sein Team vom Institut für Strömungsmaschinen. Die Hannoveraner entwickelten einen getriebelosen, hochtourigen Verdichter. Herkömmliche Verdichter werden bisher über einen Drehstrommotor mit einer Drehzahl von 1500 bis 3000 min-1 und einem Zwischengetriebe gebaut. Die Lagerung erfolgt in ölgeschmierten Gleit- oder Wälzlagern. Die Nachteile dieser Verdichterbauweise liegen für Instituts-Mitarbeiter Dipl.-Ing. Klaus Bubbel in einem erhöhten Fertigungsaufwand und den hohen Kosten, dem großen Bauvolumen sowie in einem geringeren Gesamtwirkungsgrad.

Der High-Speed-Verdichter der Uni-Forscher verfügt deshalb über einen Asynchronmotor mit Drehzahlregelung ohne Zwischengetriebe. Für die Lagerung werden Magnet- oder Gaslager eingesetzt. Dadurch fällt die permanente Kontrolle der Ölzufuhr auf Leckagen weg, da entweder keine (Magnetlager) oder umweltneutrale Schmiermittel (Luft) zum Einsatz kommen. Zu den Vorteilen gehören auch hier der verbesserte Wirkungsgrad und die kompakte Bauweise. Durch die angestrebten hohen Drehzahlen läßt sich der Raddurchmesser des Laufrades verringern. Bessere Wirkungsgrade werden dadurch erzielt, daß die Laufradgeometrie und die frei einstellbare Drehzahl optimal an die aerodynamischen Anforderungen angepaßt werden können. „Die Kombination dieser drei Komponenten, also hochtouriger Verdichter, elektrischer Direktantrieb und Magnetlager, soll zu einem wesentlich flexibleren System führen, als es bisher möglich war”, faßt Institutsleiter Rautenberg zusammen.

Die technischen Eigenschaften von magnetgelagerten Systemen führen dazu, daß das Interesse der Industrie an dieser Technologie zunimmt. Dies zeigt sich auch in zahlreichen Forschungsprojekten. Stark engagiert ist hier die ETH Zürich. Das Forschungsteam der Professur für elektrotechnische Entwicklungen und Konstruktion (EEK) um Prof. Jörg Hugel ist nicht nur an der Entwicklung des lagerlosen Motors beteiligt. In zahlreichen Forschungsprojekten, eine ganze Reihe davon in Zusammenarbeit mit der Industrie, sind sie der Magnetlagertechnik auf der Spur.

Für den Einsatz in schnellen Werkzeugmaschinen sind Linearführungen für hohe Schlittengeschwindigkeiten bei gleichzeitig sehr hoher Genauigkeit erforderlich. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Linear-Magnetführung für Werkzeugmaschinen“ soll geklärt werden, inwieweit das Prinzip der Magnetschwebebahn als Linearführungssystem für Werkzeugmaschinen geeignet ist und welche Möglichkeiten diese Technologie eröffnet. Um Regelungsstrategien experimentell testen zu können, wurde eine Linear-Magnetführung im Hinblick auf den späteren Einsatz in einer Werkzeugmaschine entwickelt und realisiert. Die Eigenschaften der Linear-Magnetführung, die durch zwölf Elektromagnete getragen und geführt wird, ergeben sich durch die Einstellung der Regelung.

Der Schlitten der Magnetführung soll durch die anziehend wirkenden Kräfte von Elektromagneten schwebend gehalten werden. Zur Stabilisierung der prinzipbedingt instabilen Magnetlager wird der Abstand zwischen Schlitten und Führungsbahn durch Sensoren gemessen. Ein Regler vergleicht diese Ist-Position mit der Referenzlage und versorgt die Elektromagnete über Leistungsverstärker mit Strom, so daß die Magnetkräfte den Schlitten am Schweben halten.

Die Magnetführung ist ein mechatronisches System, das erst durch das Zusammenwirken von Sensoren, Reglern, Leistungsverstärkern und Elektromagneten funktionstüchtig wird. Durch geschickten Einsatz von Elektronik genügen geringere Genauigkeitsanforderungen an die Fertigung der mechanischen Komponenten bei Steigerung der Systemgenauigkeit gegenüber herkömmlichen Bauweisen.

Ein Vergleich der Linear-Magnetführung mit der Magnetschwebebahn Transrapid zeigt, daß nur das Magnetschwebeprinzip gleich ist. Große Unterschiede bestehen neben der unterschiedlichen Größe in ihren Hauptanforderungen: Während bei der Magnetschwebebahn Geschwindigkeit, Fahrsicherheit und Fahrkomfort im Vordergrund stehen, ist die Linear-Magnetführung für Werkzeugmaschinen auf Präzision, Steifigkeit und hohe Belastbarkeit ausgelegt.

Die Linear-Magnetführung bietet sich als Alternative zu herkömmlichen Linearführungen an, wobei sie sich durch folgende Vorteile auszeichnet:

Die Magnetführung arbeitet berührungslos und somit verschleißfrei.

Durch Lagesensoren, die von den Führungsschienen getrennt außerhalb des Kraftflusses liegen können, läßt sich die Maschinengenauigkeit erhöhen.

Die Kombination der Funktionen des Tragens, Führens und Antreibens erlaubt den Direktantrieb eines Magnetschlittens.

Die Magnetführung kann gleichzeitig als Meß- und Stellsystem zur Überwachung oder aktiven Beeinflussung des Bearbeitungsprozesses eingesetzt werden.