Permanentmagnetmotor

Abwasser umweltschonend aufbereiten

Mit dem Ziel einer effizienteren Abwasseraufbereitung bietet SKF nun eine Lösung mit einem Permanentmagnetmotor und aktiven Magnetlagern, die das gesamte Verfahren umweltschonender macht.

Endkontrolle eines 75 kW-PM-Motors vor dem Versand. Die Motoren werden fertig zusammengebaut geliefert; der Kunde montiert nur noch das Laufrad und das Verdichtergehäuse.

SKF hat eine innovative und nachhaltige Lösung für direkt angetriebene Zentrifugalgebläse zur Abwasserbelüftung entwickelt, um der rasch wachsenden Nachfrage der Wasserwirtschaft nach hocheffizienten Geräten nachzukommen. So bietet das Unternehmen nun eine neue Produktlinie mit hochtourigen Permanentmagnetmotoren (PM), die mit aktiven Magnetlagern (AMB) ausgestattet sind, einschließlich einer Magnetlagersteuerung (MBC) der neusten Generation. Die Nennausgangsleistung dieser Motoren beträgt 75 kW bis 350 kW bei Drehzahlen von bis zu 35.000 min-1.

Die ölfreien Hochleistungsmotoren besitzen verschiedene Funktionen zur Steigerung der Gebläseleistung. Beispielsweise behält ein PM-Motor im Gegensatz zu herkömmlichen Induktionsmotoren bei Halblastbetrieb seinen Wirkungsgrad bei. Die Direktantriebslösung der Schweinfurter für Belüftungsgebläse weist auch weniger mechanische Teile auf als traditionelle Antriebssysteme; hieraus resultiert ein niedrigerer Wartungsaufwand und eine höhere Betriebssicherheit. Die Magnetlager haben leistungsstarke Überwachungs- und Diagnosefunktionen, mit denen Kunden potenzielle Probleme erkennen und einem Ausfall der Anlage vorbeugen können. Aufgrund ihrer hohen Leistungseffizienz wurde die Lösung für Belüftungsgebläse in das SKF Beyond Zero Portfolio aufgenommen.

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Bis 2030 könnte fast die Hälfte der Weltbevölkerung von Wasserknappheit betroffen sein, wobei die Nachfrage das Angebot um 40% übersteigt. Daher wird es immer vordringlicher, fortschrittlichere und effizientere Abwasseraufbereitungssysteme zu entwickeln. Beim biologischen Verfahren wird von den Gebläsen Luft in die Belüftungsbecken geblasen, um Millionen aerobe Bakterien, die die organischen Abwasserbestandteile abbauen, mit Sauerstoff zu versorgen. Bei herkömmlichen Zentrifugalgebläsen wird ein Induktionsmotor mit mechanischem Getriebe und ölgeschmierten Lagern eingesetzt, der normalerweise große Leistungsverluste und hohen Verschleiß aufweist, wodurch hohe Wartungskosten entstehen. Zudem benötigen diese Gebläse üblicherweise 50% und mehr des Gesamtenergiebedarfs der Abwasseraufbereitungsanlage. Tatsächlich entfallen auf den Stromverbrauch bis zu 80% der Lebenszykluskosten eines Gebläses. Somit liegen die ursprünglichen Investitionskosten der Geräte weit unter den Gesamtbetriebskosten.

Die Lösung der Schweinfurter kombiniert Spitzentechnologie in den Bereichen Permanentmagnet-Synchronmotoren und aktive Magnetlager. Die Systemlösung bietet das Beste aus beiden Welten: die hohe Effizienz der PM-Motortechnologie und die beispiellose Zuverlässigkeit der AMB. Der PM-Motor ist ein Drehstrom-Synchronmotor mit Statorwicklungen und Permanentmagneten auf dem Rotor. Er verhält sich ähnlich wie ein Kompass, der sich nach dem vom Stator aufgebauten elektromagnetischen Feld ausrichtet. Der Rotor dreht mit derselben Geschwindigkeit wie das rotierende magnetische Feld des Stators; das heißt, die Wellendrehung wird mit der Stromfrequenz synchronisiert. Die Seltenerd-Permanentmagnete sitzen direkt auf der Welle und werden von einer Kohlefasermanschette gehalten. Die Drehzahl wird über den drehzahlvariablen Antrieb gesteuert.

Die PM-Motortechnologie bietet erhebliche Vorteile gegenüber regulären Induktionsmotoren. Vor allem aber lässt sich ein höherer Wirkungsgrad (bis zu 98%) über einen großen Betriebsbereich erzielen. Der Motor ist kompakter, leichter und zeichnet sich durch eine hervorragende Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie, längere Lebensdauer und hohe Leistungsdichte aus. Er lässt sich über einen großen Drehzahlbereich (zum Beispiel zwischen 10.000 und 35.000 min-1) betreiben. Das Direktantriebskonzept mit einem direkt auf der Motorwelle sitzenden Laufrad macht das Getriebe und andere zugehörige mechanische Komponenten der herkömmlichen Bauformen überflüssig und bietet neben einer höheren Betriebssicherheit auch einen erheblich reduzierten Wartungsaufwand.

Ein aktives Magnetlager ist eine moderne mechatronische Vorrichtung zur berührungsfreien Lagerung einer sich drehenden oder stillstehenden Welle in einem Magnetfeld. Die Wellenposition wird gehalten, indem kontrollierte elektromagnetische Kräfte in radialer und axialer Richtung auf den Rotor aufgebracht werden. Das System hat elektromechanische (Lager, Sensoren) und elektronische Komponenten (Steuerung).

Die für die Gebläseanwendung entwickelte Lösung umfasst zwei identische Lager-Stator-Einheiten, die sowohl radiale als auch axiale Kräfte auf die Welle aufbringen können. Jede Einheit beinhaltet das Lager an sich, Lagegeber, Temperaturfühler und Auffanglager. Die Lagegeber messen die Radial- und Axialverschiebungen der Welle mit einer Genauigkeit von unter einem Mikrometer. Die Lager entsprechen der Isolierklasse H (Höchstbetriebstemperatur bis zu 180 °C).

Die elektronische Magnetlagersteuerung (MBC) besteht hauptsächlich aus einem digitalen Signalprozessor (DSP), dem Gehirn des Systems, und Leistungsverstärkern, die die Magnetlager mit elektrischem Strom zur Erzeugung des Magnetfelds versorgen. Der DSP holt sich die Wellenpositionsdaten mit einer hohen Abtastrate (z.B. 15 kHz) von den Lagegebern, korrigiert Fehler anhand spezieller Algorithmen und regelt die Leistung der Verstärker so, dass die Welle in der gewünschten radialen und axialen Position gehalten wird.

In einem AMB-System entstehen Steifigkeit und Dämpfungskräfte, die das dynamische Rotorverhalten während des Betriebs beeinflussen können. Die Steifigkeit und Dämpfung der Lager wird mithilfe der komplexen mathematischen Algorithmen optimiert, sodass ein stabiler Maschinenbetrieb unter vielfältigen Betriebsbedingungen möglich ist. Eine solche aktive Steuerung unterscheidet sich fundamental von herkömmlichen Lagern und bietet zahlreiche Vorteile wie Schutz vor Schwingungen und Unwuchten. Die Leistungsaufnahme des Magnetlagersteuerungssystems ist sehr niedrig; beispielsweise verbraucht die beim 75-350 kW-Motor eingesetzte Steuerung der neuesten Generation weniger als 200 W.

Das System ist zur Aufrechterhaltung der magnetischen Lagerung im Falle eines Netzausfalls mit einer Sicherheitsstromversorgung ausgestattet. Bei einem Stromausfall schaltet der Motor in einen Generatorbetrieb, der die Magnetlager solange mit Strom versorgt, bis die Welle eine niedrige Drehzahl erreicht hat und auf einen Anschlag auf den Kugellagern rollt, ohne dass die Anlage Schaden nimmt.

Die Motoren werden fertig zusammengebaut geliefert, und der Kunde montiert lediglich noch das Laufrad und das Verdichtergehäuse. Je nach Motorleistung oder erforderlicher Kühlung ist das Motorgehäuse entweder für Luft- oder Wasserkühlung ausgelegt. Die Kühlungskomponenten (Lüfter, Wärmetauscher, Pumpen) sind kundenseitig beizustellen. Die MBC ist zusammen mit dem drehzahlvariablen Antrieb und weiterer Elektronik in der Gebläseeinheit untergebracht. Die Kommunikation zwischen der MBC und der Gebläsesteuerung erfolgt über das Modbus-Protokoll. Ferner kann die Überwachung der Betriebsparameter sowie die Fehlersuche mit einem externen PC über eine Ethernet-Verbindung unter Verwendung des MB Scope-Softwarepakets erfolgen. Der drehzahlvariable Antrieb kann von einer Reihe autorisierter Hersteller bezogen werden. Der Motor und die Elektronik werden dann in eine Gebläseeinheit des Kunden integriert, wobei ein kompaktes Endprodukt entsteht, das direkt in einer Abwasseraufbereitungsanlage installiert werden kann.

Ein Anwendungsbeispiel ist eine Abwasseraufbereitungsanlage in Frankreich für eine Stadt mit 100.000 Einwohnern einschließlich der Industrie vor Ort, die mit vier 80 kW-Drehkolbengebläsen betrieben wurde. Diese bereiteten dem Betreiber allerdings zahlreiche Schwierigkeiten: häufige Ausfälle, hoher Energieverbrauch, hohe Geräuschentwicklung, verfahrenstechnische Probleme etc. Nachdem die Drehkolbengebläse durch zwei neue 120 kW-Zentrifugalgebläse eines bekannten Herstellers ersetzt wurden, in denen hochtourige PM-Motoren von SKF verbaut sind, ließen sich sofort höchst erfreuliche Ergebnisse feststellen. Die drehzahlvariablen Gebläse mit der SKF Systemlösung ermöglichten eine leichtere Durchflussregelung, wodurch die Abwasseraufbereitung erheblich verbessert wurde. Die Geräuschpegel reduzierten sich von 110 dBA auf 70 dBA und der Wartungsbedarf ging erheblich zurück. Noch beachtlicher war allerdings der geringere Energieverbrauch. Nach nur einem Betriebsjahr sanken die CO2-Emissionen um 375 Tonnen und die Betriebskosten verringerten sich um 54.000 Euro. Die Umrüstung auf die effizienteren Magnetlager-Gebläse hat eine Amortisation in weniger als zwei Jahren möglich gemacht und dies nur aufgrund der Einsparungen bei den Energiekosten.

Einige der weltweit führenden Hersteller von industriellen Gebläsen haben bereits damit begonnen, die Lösung einzusetzen. Als Beispiel sei hier Ayr Jet Series 100 genannt, ein von der Spencer Turbine Company in den USA gefertigtes Kompaktgebläse mit einem 75 kW-Motor aus Schweinfurt. Dieses hocheffiziente Einstufen-Turbogebläse wurde im Oktober 2013 anlässlich der Weftec, der größten Fachveranstaltung für Wasserqualität in Nord-amerika, vorgestellt. „Die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit unserer Produkte beruht auf starken Partnerschaften entlang unserer Lieferkette. Spencer arbeitet mit allen Lieferanten eng zusammen, um sicherzustellen, dass unser Endprodukt von höchster Qualität ist und den anwendungsspezifischen Bedürfnissen unserer Kunden in der Wasser- und Abwasserindustrie entspricht“, so Mike Walther, President und CEO von Spencer Turbine. Ein weiteres Beispiel ist Jin Tong Ling Fans Co. Ltd. in der Provinz Jiangsu, Chinas führender Gebläsehersteller. Das Unternehmen hat eine Vereinbarung zur Entwicklung mehrerer größerer Gebläse mit einem PM-Motor von SKF unterzeichnet. Diese Gebläse sind für größere Belüftungsbecken ausgelegt, die benötigt werden, um schnell wachsende Stadtzentren mit sauberem Wasser zu versorgen. Die Nachfrage in China ist enorm groß, da jedes Jahr mehrere Hundert neue Kläranlagen gebaut werden. jg

Kurze Unternehmensgeschichte: SKF Magnetic Mechatronics

1976 vertrieb die französische Firma S2M, damals noch ein Tochterunternehmen von SKF, als weltweit erstes Unternehmen Magnetlager für Turbomolekularpumpen in der Halbleiterindustrie. 1985 war S2M Vorreiter bei Magnetlagern für den weltweit ersten ölfreien Erdgaskompressor. 2007 wurde das Unternehmen vollständig von der SKF Gruppe übernommen. Heute beschäftigt SKF Magnetic Mechatronics über 250 Mitarbeiter und hat einen Jahresumsatz von 50 Mio. Euro.

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