SKF ist mit der Magnetlagertechnologie in die bislang weitgehend unbekannte Welt der Mechatronik vorgedrungen, wo die Grenzen zwischen Mechanik und Elektrotechnik verwischen. Das aktive Magnetlager ist ein neues Produkt, das für viele Lagerungsprobleme im Bereich extrem hoher Drehzahlen, Schwingungen, Gewicht und Schmierung eine optimale Lösung darstellt.

Betrieb

Das Prinzip des Magnetlagers ist einfach. Gestützt durch magnetische Kräfte kann eine Welle zwischen Magneten frei schweben. Einfache Lager bestehen aus permanenten Magneten. Permanent heißt, daß die Eigenschaften während des Betriebs nicht verändert werden können. Kombiniert man Elektromagnete mit einem digitalen Regelsystem, so entstehen aktive Magnetlager. Die Eigenschaften aktiver Magnetlager lassen sich abhängig von der Anwendung und den Betriebsbedingungen beliebig einstellen. Das Lager wird zu einem aktiven Bestandteil des übergeordneten Systems.
Ein aktives Magnetlager besteht aus mechanischen und elektronischen Komponenten. Mechanische Teile sind der Rotor und der Stator, vergleichbar einem Elektromotor. Werden die Wicklungen um den Eisenkern des Stators von einem elektrischen Strom durchflossen, so entsteht ein magnetisches Feld. Das Magnetfeld durchsetzt den Eisenkern und zieht ferromagnetische Körper an, die sich in der Nähe befinden. Den elektronischen Teil des aktiven Magnetlagers bildet das digitale Regelsystem. Sensoren messen fortwährend die Position des Rotors. Weicht die Istposition auch nur geringfügig von der Sollposition ab, so verändert der digitale Regler den Stromfluß durch die Elektromagnete des Stators und damit die Stärke des Magnetfelds. Die Welle wird wieder in die Sollposition zurückbewegt.

Drehzahl und Regelung
Da die Welle eines magnetgelagerten Systems frei im Raum schwebt und den Stator nicht berührt, tritt nur Luftreibung auf. Dieser Umstand gestattet extrem hohe Drehzahlen. Theoretisch hat ein aktives Magnetlager darüber hinaus auch eine unbegrenzte Lebensdauer, da durch den berührungslosen Lauf kein Verschleiß auftritt. Auf die Schmierung kann ebenfalls verzichtet werden. Durch diesen Umstand ist es möglich, das Systemgewicht verschiedener Systeme zu senken, auch wenn das Magnetlager selbst schwerer ist als ein entsprechendes Wälzlager. Letztendlich bedeutet der Verzicht auf Schmierstoff auch eine höhere Umweltverträglichkeit.
Mit dem automatischen Regelsystemen lassen sich die Laufeigenschaften eines Magnetlagers verändern und an die jeweils herrschenden Betriebsbedingungen optimal anpassen. Störgrößen, wie angreifende Kräfte, können ausgeregelt werden. Weiterhin ist es möglich, mit Magnetlagern Maschinenschwingungen zu eliminieren, kritische Drehzahlbereiche zu beherrschen und Systeme zu überwachen.
Die Tragfähigkeit eines aktiven Magnetlagers ist außerordentlich hoch. Sie hängt von der Anzahl der Wicklungen, der Höhe des Stroms durch die Wicklungen und der Breite des Spaltes zwischen Welle und Magnetlagerstator ab. Je mehr Wicklungen und je höher der Strom, desto stärker ist das Magnetfeld und damit die mögliche Belastung. Die Spaltbreite wirkt sich entgegengesetzt aus.

Entscheidung für aktive Magnetlager

Am häufigsten werden Magnetlager gegenwärtig in Turbomolekularpumpen eingesetzt. Turbomolekularpumpen sind unverzichtbar für die Vakuumerzeugung bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen. Von entscheidender Bedeutung ist hierbei der völlige Verzicht auf Schmierstoffe, die zu Verunreinigungen führen können.
Magnetlager werden auch in Turbokompressoren eingesetzt. Magnetgelagerte Kompressoren können mit wesentlich höheren Drehzahlen und weit besserem Wirkungsgrad arbeiten.
Ein weiteres Anwendungsgebiet, bei der die maximal realisierbare Drehzahl wesentlich ist, sind Werkzeugmaschinenspindeln. Hier lassen sich die einstellbaren Magnetlager darüber hinaus auch vorteilhaft für die Erzeugung von unrunden, exzentrischen oder konischen Werkstücken einsetzen. Unwuchten im System können ebenfalls ausgeregelt werden.
Magnetlager besitzen auch ein großes Potential im Flugzeugmotorenbau, wo Gewichtseinsparungen und der Wegfall von Schmiersystem entscheidend sind.

Vielversprechend

Der Markt für Magnetlager wird gegenwärtig auf rund 50 Millionen Dollar (etwa 85 Millionen Mark, 43 Millionen Euro) im Jahr geschätzt, und erhebliche Steigerungsraten scheinen möglich. SKF möchte diese neue Lagerbauart ins Sortiment aufnehmen. Aus diesem Grunde hat die SKF Gruppe im November 1997 ein Gemeinschaftsunternehmen mit der kanadischen Firma Revolve Technologies Inc. gegründet. Revolve Magnetic Bearings Inc. ist führend auf dem Gebiet der Entwicklung, Fertigung und dem Vertrieb von Magnetlagern.
„Die Zusammenarbeit mit SKF gibt uns die Stärke und den Namen, um uns als weltweit führender Lieferant dieser Technik zu etablieren“, so Kim Sturgess, Geschäftsführerin von Revolve Magnetic Bearings.
Da aktive Magnetlager sich deutlich von konventinellen Lagern unterscheiden, können sie in vielen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen. SKF wird Produkte anbeiten, die hohe Geschwindigkeiten und eine äußerst genaue Regelung erlauben.

Anna Hultman
und Mikael L. Eriksson,
SKF Nova AB, Göteborg, Schweden