Magnetlager: Typen, Funktionsweise und Hauptanwendungen

Wenn die Stromversorgung eines aktiven Magnetlagers unterbrochen wird, fällt der Rotor auf die Hilfslager (Aufsetzlager). Dabei handelt es sich um Wälzlager mit geringem Spiel zum magnetischen Lagerspalt. Sie sind so konzipiert, dass sie den Rotor bei voller Drehzahl sicher stützen und ihn ohne Kontakt mit den Elektromagnetpolen herunterdrehen lassen. Der Absturzvorgang wird kontrolliert und die Maschine kommt auf den Aufsetzlagern zur Ruhe. Jedes AMB-System muss über Aufsetzlager verfügen, und jede Installation sollte über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) verfügen, um Strom für eine geordnete, kontrollierte Auslaufsequenz und nicht für einen sofortigen Abfall bereitzustellen, wodurch der Verschleiß der Aufsetzlager minimiert wird.

Im Allgemeinen nein. Magnetlager haben eine geringere Belastbarkeit pro Einheit Lagerdurchmesser als Wälzlager oder Flüssigkeitsfilmlager. Ein Wälzlager mit 100 mm Bohrung kann einer statischen Belastung von mehreren hundert kN standhalten; Ein Magnetlager mit ähnlichem Außendurchmesser trägt je nach Elektromagnetdesign und zulässiger Verlustleistung etwa 10–30 kN. Aus diesem Grund werden Magnetlager selten in Anwendungen eingesetzt, die hohe Radiallasten bei moderaten Geschwindigkeiten erfordern – ihr Vorteil liegt in der hohen Geschwindigkeit, Präzision, Verschmutzungsempfindlichkeit oder dem wartungsfreien Betrieb, nicht in der reinen Belastbarkeit. Rotoren für Magnetlagersysteme müssen von Anfang an unter Berücksichtigung dieser Belastungsbegrenzung ausgelegt werden.

Die magnetgelagerten Stator- und Rotorkomponenten – die Bleche, Spulen und Gehäuse – sind keine Verschleißteile und haben im Normalbetrieb keine definierte Ermüdungslebensdauer, da kein Kontakt zwischen ihnen besteht. Die begrenzenden Verschleißkomponenten sind die Touchdown-Lager, die in einem vorbeugenden Zeitplan, typischerweise alle 3–5 Jahre oder nach einer bestimmten Anzahl von Rotorabstürzen, ausgetauscht werden. Für die Elektronik (Leistungsverstärker, Controllerplatinen) wird eine Lebensdauer von 10–15 Jahren erwartet, bei Bedarf erfolgt eine Reparatur auf Komponentenebene oder ein Austausch der Platine. Erfahrungsberichte von Rohrleitungs- und Prozesskompressorinstallationen zeigen, dass Magnetlagermaschinen seit über 20 Jahren mit der Originallagerhardware in Betrieb sind und lediglich Touchdown-Lager und Elektronik gewartet werden müssen.

Ja, Magnetlagersysteme können und werden in ATEX/IECEx-klassifizierten Gefahrenbereichen eingesetzt. Die Elektromagnete und Sensoren im Lagergehäuse stehen in Kontakt mit dem Prozessgas und diese Komponenten können für den Einsatz in Umgebungen mit brennbaren Gasen ausgelegt und bewertet werden. Der Schaltschrank und die Leistungsverstärker befinden sich typischerweise außerhalb des Gefahrenbereichs in einem sicheren Raum und sind über abgeschirmte Kabel mit dem Lager verbunden. Diese Trennung der aktiven Elektronik vom Gefahrenbereich ist bei Erdgaskompressionsanlagen Standard. Benutzer sollten überprüfen, ob die spezifische Produktkonfiguration über die entsprechende Gefahrenbereichsbewertung für ihre Zone und Gasgruppe verfügt.

Beide nutzen kontrollierte Magnetkräfte, um ein Objekt berührungslos schweben zu lassen, die Anwendungen und Maßstäbe sind jedoch unterschiedlich. Magnetschwebebahn-Transportsysteme lassen ein ganzes Zugfahrzeug schweben und treiben es entlang einer Führungsbahn an, was eine groß angelegte lineare elektromagnetische Infrastruktur erfordert. Magnetlager tragen rotierende Wellen in Maschinen – Kompressoren, Turbinen, Spindeln, Schwungrädern – und sind eher eine Komponente innerhalb einer größeren Maschine als ein eigenständiges Transportsystem. Die zugrunde liegenden physikalischen und Steuerungsprinzipien sind eng miteinander verbunden; Tatsächlich trug die aktive Magnetlagerforschung direkt zu den Steuerungsmethoden bei, die in modernen kommerziellen Magnetschwebebahnsystemen wie der Shanghai Transrapid-Linie und der japanischen SCMaglev eingesetzt werden. Auf funktionaler Ebene handelt es sich bei einem Magnetlager im Wesentlichen um ein Magnetschwebesystem, das auf einer rotierenden Achse innerhalb eines Maschinengehäuses angebracht ist.

Eine Nachrüstung ist technisch möglich, erfordert jedoch einen erheblichen technischen Aufwand. Der Rotor muss modifiziert oder ersetzt werden, um die Lagerlagerzapfen mit geeignetem Material und geeigneter Geometrie hinzuzufügen, und das Lagergehäuse muss neu gestaltet werden, um die Elektromagnetstatoren, Sensoren und Hilfslager aufzunehmen. Die Rotordynamik wird sich mit der neuen Lagersteifigkeit und den neuen Dämpfungseigenschaften ändern, sodass eine vollständige Rotordynamikanalyse und Neubewertung der kritischen Geschwindigkeiten erforderlich ist. In einigen Fällen ist die bestehende Rotorkonstruktion mit der Nachrüstung von Magnetlagern kompatibel; in anderen Fällen ist ein neuer Rotor erforderlich. Mehrere Unternehmen – darunter Waukesha Bearings und SKF Magnetic Mechatronics – haben Retrofit-Projekte für Radialkompressoren durchgeführt, und veröffentlichte Fallstudien sind im Tagungsband „Turbomachinery and Pump Symposia“ (Texas A&M University) verfügbar.

Die Temperatur beeinflusst mehrere Komponenten eines Magnetlagersystems auf unterschiedliche Weise. Die remanente Flussdichte von Permanentmagneten nimmt mit steigender Temperatur ab – dies ist eine wesentliche Designbeschränkung für Hybridlager mit Seltenerd-Permanentmagneten, die bei Temperaturen über 150 °C erheblich an Kraftkapazität verlieren können. Die Wicklungsisolierung in den Elektromagnetspulen setzt eine obere Temperaturgrenze für den Lagerstator; Eine Hochtemperaturisolierung der Klasse H bzw. N erweitert diese auf 180 °C bzw. 200 °C. Das ferromagnetische Laminierungsmaterial verliert an Permeabilität, wenn es sich seiner Curie-Temperatur nähert (ca. 770 °C für Eisen), wodurch die Lagerkraft bei sehr hohen Temperaturen verringert wird. Am unteren Ende ist ein kryogener Betrieb bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium möglich – Turboexpander in Luftzerlegungsanlagen und LNG-Anlagen arbeiten mit Magnetlagern bei kryogenen Prozessgastemperaturen.

Gemessen am installierten Basisvolumen ist der Öl- und Gas-/Erdgaskompressionssektor der größte industrielle Anwender von aktiven Magnetlagern in großen Turbomaschinen. Vakuumanlagen für die Halbleiterfertigung sind gemessen an der Stückzahl der größte Nutzer. Gebäude-HVAC ist ein wachsendes Segment, das durch die Einführung magnetgelagerter Kältemaschinen durch große Marken vorangetrieben wird. Medizinische Geräte – insbesondere implantierbare Herzunterstützungsgeräte – sind ein kleiner, aber hochwertiger Markt, in dem die Technologie zum klinischen Standard für die erweiterte Unterstützung bei Herzinsuffizienz geworden ist. Die Energiespeicherung über Schwungräder ist ein aufstrebendes Segment mit wachsenden Installationen in der Netzfrequenzregulierung.