Eine Publikation der Binkert Medien AG
Weltrekord für Magnetlager – 500 000 min–1 und mehr: Ausgabe 02/2014, 08.10.2014

Höchste Drehzahlen dank Magnetlagerung

Anwendungen mit hohen Drehzahlen verlangen herausragende Lagerlösungen. Neben Kugellagern setzt man vermehrt Gas- und Magnet-lager ein. Vor allem bei Betrieb im Vakuum bieten Magnetlager grosse Vorteile. Ein neues Konzept für Drehzahlen von über 500 000 min–1 dient nun als Basis für optische Systeme und Drallräder für Satelliten.

Welches Lager für welche Anwendung? Diese Frage stellt sich besonders im Zusammenhang mit ultrahochdrehenden Antriebssystemen. Einerseits stellen Geschwindigkeit, Lebensdauer, Beschleunigung, Temperatur und Bauraum die Entwickler grundsätzlich vor grosse Herausforderungen, andererseits könnten die Anforderungen kaum unterschiedlicher sein: Start/Stopp-Sequenzen oder Dauerlauf, Betrieb im Vakuum versus Kompressoren für Gas oder Fluid, Kälte in Kryogenanwendungen oder Umgebungstemperatur bei Lüftern, starke Vibrationseinwirkung auf das Lager versus minimal durch das Lager erlaubte Vibrationen wie in Satelliten.

Ab 100 000 min–1 braucht es massgeschneiderte Lager

Bei der Lagerwahl spielen auch die erwarteten Stückzahlen und Herstellkosten eine Rolle. Bei Anwendungen ab 100 000 min–1 braucht es im Prinzip ein massgeschneidertes Lager.

Die Kugellagerung bietet Vorteile bezüglich Steifigkeit und Lagerkraft, daneben ist sie günstig und kompakt. Dagegen sind Lebensdauer und Drehzahl aufgrund hoher mechanischer Abnutzung und Verluste beschränkt. Zudem eignet sich ein Kugellager für hohe Drehzahlen nicht für den Einsatz im Vakuum, da das Schmiermittel verdampfen kann.

Es gibt diverse Ausführungsarten von Gaslagern, wobei grundsätzlich zwischen statischen und dynamischen unterschieden wird. Dynamische Gaslager weisen einige Gemeinsamkeiten mit Kugellagern auf: hohe Steifigkeit, Lagerkraft und kompakte Grösse. Ein Nachteil ist auch hier, dass der Betrieb im Vakuum nicht möglich ist.

Ähnlich wie das Gaslager erhöht die Magnetlagerung die Lebensdauer des Antriebs auf theoretisch unbegrenzte Zeit. Zudem erlaubt es als einzige Lagerungsart den Betrieb im Vakuum, da die Lagerkräfte unabhängig von einer Atmosphäre rein elektromagnetisch generiert werden und kein Schmiermittel nötig ist. Nachteile bestehen hier vor allem bezüglich Komplexität und Grösse. Daneben bestehen bis anhin bloss Lösungen für limitierte Drehzahlen bis circa 120 000 min–1.

Forschungskooperation führt zu Weltrekord

Magnetlager sind für gewisse Anwendungen die bestmögliche oder sogar einzige Lösung, wie für optische Systeme mit hohen Drehzahlen (z.B. Beam Chopper), Drallräder für Satelliten oder spezielle Zentrifugen und weitere physikalische Testeinrichtungen. Bisher erreichte man mit Magnetlagern maximale Drehzahlen von 120 000 min–1. Im Rahmen einer Forschungszusammenarbeit zwischen der Professur für Leistungselektronik (PES) der ETH Zürich und Celeroton entstand ein neues Magnetlagerkonzept, das Drehzahlen von 500 000 min–1 und mehr zulässt, was laut Anbieter den Weltrekord für ein magnetgelagertes Antriebssystem darstellt. Möglich wird dies durch ein Lager, welches auf Lorentz- statt Reluktanzkräften basiert.

Langversion: 02_14.55.pdf

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Ein Demonstrator für ein magnetgelagertes Drallrad mit einer Drehzahl von über 200 000 min–1