Eine Publikation der Binkert Medien AG
Präzisionsmotoren für aussergewöhnliche Bedingungen : Ausgabe 01/2012, 20.04.2012

Starke Typen für extreme Anforderungen

Erdöl ist das schwarze Gold der Erde. Um an diesen Schatz zu kommen, sind innovative und moderne Technologien erforderlich. Die Anforderungen an die Materialien bei Tiefenbohrungen sind extrem: bis zu 200 °C, Vibrationen und hohe Drücke. Die Heavy-Duty-Motoren von maxon motor lassen sich für die Funktion der Ventilsteuerungen, Auslösemechanismen und Messgeräte einsetzen.

Autor: Anja Schütz, Redaktorin maxon motor ag

Kaum ein Auto fährt heute ohne Treibstoff und viele Heizungen würden ohne Erdöl nicht funktionieren. Kurz gesagt: Über 85 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs beruhen auf den fossilen Energieträgern Öl, Gas und Kohle. Doch um an diese wertvollen Ressourcen unserer Erde zu kommen, muss immer tiefer gebohrt werden – was kein leichtes Unterfangen ist. Die Tiefbohrtechnik – in der Öl- und Gas-Exploration «Downhole Drilling» genannt – ermöglicht die Förderung von Öl und Gas aus Tiefen von über 2500 m. Gekoppelt mit der Richtbohrtechnik – die dynamische Lageausrichtung einer Tiefenbohrung – erlaubt sie die Erschliessung von bislang unerreichbaren Vorkommen mit Bohrtiefen von zirka 5000 m und Bohrlängen bis zu 11 000 m.

Sämtliche Bohrmaterialien müssen extreme Anforderungen erfüllen

Der endliche Energieträger Erdöl ist aus dem heutigen Leben nicht wegdenkbar. Deshalb wird das schwarze Gold in vielen Regionen der Welt aus dem Inneren der Erde zutage gefördert. So gibt es unter anderem in den USA, Russland, England, China und im Nahen Osten etliche Öl- und Gasförderanlagen, die täglich mehrere Tausend Barrel Öl oder Erdgas fördern.

Alle Bohrungen haben eins gemeinsam: Die Anforderungen an das verwendete Material sind extrem hoch. Vor allem die Bohrköpfe müssen extreme Bedingungen aushalten können. Die in dieser Tiefe herrschenden Temperaturen und Druckverhältnisse, verbunden mit den starken Vibrationen, die während des Bohrvorgangs auftreten, machen auch den Einsatz von Elektroantrieben zu einer echten Herausforderung. Denn die Bedingungen mehrere Kilometer unter der Erdoberfläche sind alles andere als technologiefreundlich. Bei bis zu +200 °C müssen robuste Materia-lien zum Einsatz kommen, die auch bei diesen hohen Temperaturen noch 100 Prozent zuverlässig arbeiten.

Bessere Kontrolle von Funktionen dank innovativer Elektronik

Der EC 22-HD-(Heavy-Duty-)Motor von maxon motor erfüllt für diese extremen Umweltbedingungen alle Voraussetzungen. Für die aus-serordentlich hohen Anforderungen in der Tiefbohrtechnik entwickelt, widersteht der elektronisch kommutierte Motor den harten Bedingungen, in denen «normale» Motoren versagen würden.

Die stetige Entwicklung von Elektronik und Motoren lässt heute viele Funktionen im gesamten Bohrablauf besser kontrollieren und steuern. So treibt beispielsweise der Schlammfluss die Turbine im Bohrwerkzeug an. Über eine magnetische Kopplung verwandeln sich Motoren in Generatoren und liefern die elektrische Energie für verschiedene Antriebsfunktionen. Durch dieses autarke System entfällt die Notwendigkeit für teure, umweltschädliche Lithium-Batterien.

Mithilfe des EC 22-HD lässt sich die Lage des Bohrkopfes während des Bohrprozesses dynamisch messen (MWD/Measurement While Drilling) und ausrichten. Diese Messung erfolgt durch Beschleunigungsmesser, Neigungssensoren und andere Instrumente zur genauen Darstellung der Position des Bohrkopfes. Doch wie gelangen die gemessenen Werte an die Oberfläche? Die MWD-Technologie wandelt hierzu die Daten in Impulse um, welche an die Bohrplattform kommuniziert werden. Hier treiben Elektromagnete oder HD-Motoren das System an. Auch in diversen Tiefbohrwerkzeugen werden hydraulische Ventile oder Klappen über elektromechanische Antriebe angesteuert.

Resistent gegen Schläge und Stösse bis zur 100-fachen Erdbeschleunigung

Für den EC 22-HD gibt es auch ein passendes Getriebe: das GP 22-HD. Viele Anwendungen, insbesondere Tiefenbohrungen, benötigen ein robustes Getriebe, welches ebenso die Anforderungen präzise erfüllt. Die meisten Anwendungen unter Tage verlangen hohe Drehmomente bei einer zum Teil nur geringen Einsatzdauer (Ventilsteuerung, Klappen bewegen). Eine spezielle Eigenschaft der GP 22-HD-Modelle sind die integrierten Bohrungen, welche für den ungehinderten Durchfluss von Öl nötig sind. Denn das Getriebe lässt sich genauso wie der EC 22-HD-Motor in Öl betreiben. Die verschiedenen Varianten des EC 22 sind für den Betrieb in Luft oder für den Unter-Öl-Betrieb (in Hydrauliköl geflutet) optimiert.

Die EC 22-HD-Motoren werden ohne Klebstoff gebaut und besitzen kein mechanisches Kommutierungssystem. Dadurch können sie extremen Temperaturen standhalten und liefern auch im Ultrahochvakuum stabile Leistungen. Die Typenleistung ist abhängig vom umgebenden Medium und beträgt 80 W in Luft und, aufgrund der wesentlich höheren Wärmeabfuhr, 240 W in Öl. Die Motoren sind für Umgebungstemperaturen von über +200 °C und atmosphärische Drücke bis 1700 bar ausgelegt. Werden die Motoren mit Öl gekühlt, können sie Temperaturen von bis zu +240 °C aushalten. Weitere Anforderungen an die Motoren mit einem Durchmesser von 22 mm sind Resistenz gegen Vibrationen bis 25 Grms sowie gegen Schläge und Stösse bis zur 100-fachen Erdbeschleunigung (100 G).

Hoher Wirkungsgrad auch in der Tiefe

Neben der hohen Widerstandskraft gegen die extremen Umweltbedingungen in der Tiefe verfügen die maxon-HD-Motoren auch über einen hohen Wirkungsgrad. In der Luft erreichen die Modelle einen Wirkungsgrad von bis zu 88, in Öl über 70 Prozent. Mit diesen Eigenschaften kann der EC 22 auch in unzähligen anderen Gebieten nützlich sein – beispielsweise im Weltraum. Dank ihren rastmoment- freien Laufeigenschaften verfügen die Motoren über ausserordentliche Regeleigenschaften und sind deshalb auch für hochpräzise Positionierungsaufgaben im All geeignet – auch bei niedrigen Drehzahlen. Die Motoren werden in Zukunft auch auf der Venus zum Einsatz kommen – die NASA plant einen Flug dorthin. Vor Ort müsste der Motor jedoch Temperaturen von bis zu +480 °C standhalten. Die Weiterentwicklung der Präzisionsmotoren für Extrembedingungen geht also weiter.

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Die Kombination von Tiefbohr- und Richtbohrtechnik erlaubt die Erschliessung von Bohrtiefen bis 5000 m und Bohrlängen bis 11 000 m


Ein Blick in das Innenleben des EC 22-HD-Motors mit seiner speziellen Wicklung


Das Heavy-Duty- Getriebe GP 22 besitzt integrierte Bohrungen, welche für den ungehinderten Durchfluss von Öl nötig sind