Funktionsprinzip und Klassifizierung von Magnetlagern

 

MagnetlagerDie Systeme lassen sich nach ihren Funktionsprinzipien in drei Kategorien einteilen: Aktive Magnetlager, passive Magnetlager und Hybrid-Magnetlager.

 

Aktives Magnetlager

 

Aktive Magnetlager nutzen eine steuerbare elektromagnetische Kraft, um die rotierende Welle zu schweben. Sie bestehen im Wesentlichen aus Rotoren, Solenoiden, Sensoren, Steuerungen und Leistungsverstärkern. Die Solenoide sind auf einem Stator montiert, der in einem Magnetfeld aufgehängt ist, das von radial angeordneten Elektromagneten erzeugt wird. Jeder Elektromagnet ist mit einem oder mehreren Sensoren ausgestattet, die kontinuierlich die Positionsänderungen der Welle überwachen. Das vom Sensor ausgegebene Signal korrigiert mithilfe des elektronischen Steuerungssystems den Strom durch den Elektromagneten, um dessen Anziehungskraft zu steuern. Dadurch läuft die rotierende Welle stabil und ausgeglichen und erfüllt bestimmte Genauigkeitsanforderungen.

 

Aktive Magnetlager lassen sich je nach Ansteuerungsverfahren in Strom- und Spannungsregelungslager unterteilen und je nach Lagerungsmethode in Radial- und Axialmagnetlager. Derzeit sind Gleichstrom-gesteuerte Magnetlager die am weitesten verbreiteten aktiven Magnetlager.

 

Der mechanische Teil des aktiven Magnetlagers besteht im Allgemeinen aus einem Radiallager und einem Axiallager. Das Radiallager besteht aus einem Stator (Elektromagnet) und einem Rotor; Axiallager bestehen aus einem Stator (Elektromagnet) und einer Druckplatte.

 

Da aktive Magnetlager die Vorteile bieten, dass Rotorposition, Lagersteifigkeit und Dämpfung durch das Steuerungssystem bestimmt werden können, haben sie sich im Bereich der Magnetschwebetechnik als besonders weit verbreitet erwiesen, und die Forschung an aktiven Magnetlagern steht seit jeher im Fokus der Magnetschwebetechnikforschung. Nach jahrelanger intensiver Arbeit sind ihre Konstruktionstheorie und -methoden zunehmend ausgereift.

 

Passives Magnetlager

 

Als Form von Magnetlagern bieten passive Magnetlager einzigartige Vorteile: Sie sind klein, verbrauchen keine Energie und sind einfach aufgebaut. Der größte Unterschied zu aktiven Magnetlagern besteht darin, dass passive Magnetlager kein aktives elektronisches Steuerungssystem benötigen, sondern die Eigenschaften des Magnetfelds selbst nutzen, um die rotierende Welle zu schweben. Die derzeit am weitesten verbreiteten passiven Magnetlager sind Permanentmagnetlager, die aus Permanentmagneten bestehen. Permanentmagnetlager lassen sich in zwei Typen unterteilen: Abstoßungs- und Saugmagnetlager.

 

Passive Permanentmagnetlager können sowohl als Radial- als auch als Axiallager eingesetzt werden, wobei Saug- und Abstoßungskräfte möglich sind. Je nach Magnetisierungsrichtung und relativer Position des Magnetrings weisen Permanentmagnetlager unterschiedliche Magnetkreisstrukturen auf. Grundsätzlich lassen sich jedoch zwei Strukturen unterscheiden.

 

Der andere Typ passiver Magnetlager basiert auf der Saugkraft zwischen den magnetisierten weichmagnetischen Komponenten. Bei radialer Bewegung der Rotorkomponente entsteht die Saugwirkung durch die Änderung des Magnetwiderstands; daher wird dieses Lager auch als „magnetoresistives Lager“ bezeichnet. Es kann so konstruiert werden, dass sich der Permanentmagnet nicht dreht, sondern nur der Weicheisenanteil, wodurch das System eine höhere Stabilität aufweist.

 

Die Kombination der stabilisierenden Wirkung von Reluktanzlagern und aktiven Magnetspulen führt zu einem Magnetlagersystem mit minimalem Energieverbrauch.

 

Hybrid-Magnetlager

 

Hybrid-Magnetlager bestehen aus aktiven und passiven Magnetlagern sowie weiteren Stütz- und Stabilisierungsstrukturen und stellen somit ein kombiniertes Magnetlagersystem dar. Es vereint die Eigenschaften aktiver und passiver Magnetlager.

 

Das hybride Magnetlager nutzt das vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld, um das statische Vorspannungsmagnetfeld des Elektromagneten zu ersetzen. Dadurch kann nicht nur der Stromverbrauch des Leistungsverstärkers deutlich reduziert, sondern auch die Anzahl der Amperewindungen des Elektromagneten halbiert, das Volumen des Magnetlagers verringert und die Tragfähigkeit verbessert werden.

 

Da ein Vormagnetfeld durch einen Permanentmagneten und ein gesteuertes Magnetfeld durch einen Elektromagneten erzeugt wird, bieten Permanentmagnet-Offset-Hybrid-Magnetlager folgende Vorteile:

 

1) Der Permanentmagnet dient zur Bereitstellung des statischen Vorspannungsmagnetfelds, während der Elektromagnet lediglich das Steuermagnetfeld zum Ausgleich der Last oder externer Störungen bereitstellt. Dadurch lassen sich Leistungsverluste durch den Vorspannungsstrom des Systems vermeiden und die Erwärmung der Spule reduzieren.

 

2) Die Windungszahl des Elektromagneten im Hybrid-Magnetlager ist deutlich geringer als im aktiven Magnetlager. Dies trägt zur Volumenreduzierung und Materialeinsparung bei. Dieses Lager zeichnet sich durch geringe Größe, niedriges Gewicht und hohe Effizienz aus und eignet sich daher für Miniaturisierung und Anwendungen mit kleinem Platzbedarf.