Lagerloser Spaltrohrmotor

Paul Meuter, Thomas Gempp, Christian Redemann, Angelo Ramella

Der Prototyp einer 30-kW-Pumpe mit lagerlosem Spaltrohrmotor wurde in Zusammenarbeit mit der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich entwickelt. Ein lagerloser Motor, ein magnetisches Radiallager und ein Axiallager sorgen dafür, dass der frei schwebende Rotor in der richtigen Position bleibt. Der Motor und die Lager lassen sich mit handelsüblichen Antriebsumrichtern ansteuern. Umfangreiche Tests zeigten, dass der Rotor über den gesamten Drehzahlbereich von 100 bis 3100 1/min sowohl radial als auch axial in einem Bereich bleibt, bei dem ein einwandfreier Betrieb möglich ist. Der lagerlose Motor übernimmt den Antrieb des Rotors sowie dessen radiale Lagerung. Das Metallspaltrohr von 0,5 mm Wandstärke trennt den Rotor- vom Statorraum. Die Sensorik ist dadurch vor abrasiven oder aggressiven Pumpmedien geschützt. Da die Welle nicht aus dem druckführenden Raum geführt wird, ist keine dynamische Wellendichtung nötig. Die Abdichtung des Mediums nach außen wird mit statischen O-Ringen realisiert. Das Laufrad ist so konstruiert, dass der Axialschub nur gegen den Pumpenkopf gerichtet ist. Das Axiallager muss lediglich in eine Richtung wirken.

Die radialen Magnetlager, das Axiallager sowie die Temperatur an verschiedenen Stellen der Maschine werden laufend überwacht. Beim Überschreiten der Grenzwerte wird die Pumpe kontrolliert abgestellt. Dabei schwebt der Rotor, bis er zum Stillstand gekommen ist, und senkt sich anschließend ab. Hat beispielsweise die Radialverschiebung 70% des vorhandenen Spiels überschritten oder weicht die axiale Position des Rotors um mehr als 40% von der Sollposition ab, stellt sich die Pumpe automatisch ab. Bei einem Stromausfall sorgen Notlauflager aus nichtmetallischen Werkstoffen dafür, dass der Rotor aufgefangen wird.

Im Prüfstand wurde auch das Verhalten bei Unwucht untersucht. Ein auf das Laufrad geschweißtes Metallstück von 8 g Gewicht, was einer Unwucht von 1700 gmm entspricht, beeinflusste die Rotorumlaufbahn nur gering. Der Betrieb über ein Drehzahlspektrum von 100 bis 3000 1/min war immer noch möglich. In einem zweiten Test wurde bei 3000 1/min eine M20-Mutter im Ansaugrohr versenkt. Auch in diesem Fall lief der Rotor sicher weiter. Die Steuerungssoftware ist in der Lage, auch bei extremer Unwucht einen zuverlässigen Betrieb der Pumpe zu ermöglichen.

Weitere Verbesserungen sind bereits in Entwicklung. Beispielsweise verursachen elektrisch leitfähige Spaltrohrmaterialien Wirbelstromverluste. Durch den Einsatz alternativer Materialien lassen sich hier Wirkungsgradverbesserungen erreichen. Des Weiteren ist es möglich, die Regelungseinheit für die Lager in Zukunft kompakter zu konstruieren und mit dem Pumpengehäuse zu kombinieren. Der Einsatz eines frequenzvariablen Antriebs ist außerdem grundsätzlich vorteilhaft, weil der Pumpenbetreiber von einem hohen Grad an Flexibilität bei der Anwendung, der Wartung und den Ersatzteilen profitiert. Um die vielversprechenden Testresultate in der industriellen Anwendung bestätigen zu können, wird der Prototyp der Pumpe mit lagerlosem Spaltrohrmotor in eine Kundenanlage eingebaut.

Halle 8.0, Stand U13-V16

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