Mit der Kraft des Magneten

Dipl.-Ing. Marco Vorholt

Wenn aggressive Medien gefördert oder verarbeitet werden, gehört es zu den Aufgaben des Konstrukteurs und des Anlagenbetreibers, Sicherheitsvorkehrungen zu treffen und Leckagen unbedingt auszuschließen. Das heißt, der Produktraum muss hermetisch von der Umwelt isoliert werden. Dabei ist die Drehmomentübertragung normalerweise die Schwachstelle im System, denn bei konventionellen Antriebssystemen muss eine Welle vom Antriebsaggregat (in der Regel ein Elektromotor) zum Pumpenrotor bzw. zum Misch- oder Rührwerkzeug geführt werden. Für diese Aufgabe stehen aufwändige dynamische Dichtsysteme wie Labyrinthdichtungen zur Verfügung. In besonders kritischen Fällen können auch separate Leckageüberwachungssysteme zum Einsatz kommen. Diese Maßnahmen erfordern jedoch baulichen Aufwand und können das Risiko von Leckagen nur minimieren bzw. die aufgetretenen Leckagen detektieren, das Risiko aber keinesfalls ausschließen.

Um ein höheres Sicherheitsniveau zu erreichen und zugleich die Kosten sowie den baulichen Aufwand so gering wie möglich zu halten, ist es vorteilhaft, den Produktraum völlig von der Umgebung zu isolieren. Dies ist möglich, sofern auf die konventionelle Kraftübertragung verzichtet und eine Magnetkupplung wie die Minex-S von KTR einsetzt wird. Diese Kupplung erlaubt eine hermetische Trennung von An- und Abtriebsseite. Die Kupplung besteht aus einem äußeren und inneren Rotor, die durch einen Spalttopf voneinander getrennt sind. Beide Rotoren sind mit Magneten bestückt, die für die Kraftübertragung sorgen. Der Außenrotor ist in der Regel antriebsseitig befestigt. Seine Magnete werden freiliegend befestigt. Die Magnete des abtriebsseitigen Innenrotors sind hingegen durch eine verschweißte Magnetabdeckung gekapselt. Hier kommen rundgeschliffene Magnete zum Einsatz, damit der Luftspalt und somit auch der Übertragungsverlust möglichst gering sind.

Im Ruhezustand des Antriebs stehen sich die jeweiligen Nord- und Südpole der Rotoren gegenüber und das Magnetfeld ist vollkommen symmetrisch. Wenn der Antrieb anläuft, werden die Magnetfeldlinien ausgelenkt. Dadurch können Drehmomente über den Luftspalt übertragen werden, und es stellt sich ein synchroner Betrieb unter einem kons-tanten Verdrehwinkel ein. Einfacher ausgedrückt: Der Innenrotor wir durch die Magnetkräfte von dem sich drehenden Außenrotor mitgenommen und zwar synchron. Die Rotationsgeschwindigkeit des Innenrotors entspricht exakt der des Außenrotors. Der Spalttopf, der An- und Abtrieb trennt und fest am abtriebsseitigen Aggergat befestigt ist, sorgt für die Trennung von Produktraum und Atmosphäre. Die Abdichtung erfolgt statisch, zum Beispiel mit einer Flachdichtung oder einem O-Ring. Auf dynamisch belastete Dichtungen kann völlig verzichtet werden. Als Materialien für den Spalttopf sowie für die anderen medienberührenden Teile kann der Anwender zwischen Edelstahl (1.4571) und Hastelloy wählen.

Der primäre Grund für den Einsatz von Magnetkupplungen ist das Vermeiden von Leckagerisiken. Die berührungslose Drehmomentübertragung bietet aber noch weitere Vorteile. So erfolgt die Kraftübertragung vibrationsarm, weil es keine mechanische Verbindung zwischen Antrieb und Pumpenrotor oder Mischwerkzeug gibt. Das erhöht die Lebensdauer des gesamten Antriebssystems. Außerdem bieten die Magnetkupplungen den Vorteil einer eingebauten Überlastsicherung: Wenn das maximale Kupplungsdrehmoment und der maximale Verdrehwinkel überschritten werden sollten, wird die Kraftübertragung einfach unterbrochen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Überlast antriebs- oder abtriebsseitig aufgetreten ist. Nach der Beseitigung der Ursache für die Überlast können die beiden Rotoren wieder synchronisiert und neu beschleunigt werden.

Die drehmomentübertragenden Magnete werden aus hochwertigen Samarium-Kobalt- bzw. Neodym-Eisen-Bor-Werkstoffen gefertigt und eignen sich auch für die Übertragung höherer Drehmomente. Die aktuelle Baugröße der Minex-S, der Typ SE 165, ist für Drehmomente bis 315 Nm ausgelegt. Auch beim Drehzahlbereich ergeben sich in den typischen Einsatzfeldern der Minex-S kaum Beschränkungen: Die Kupplung kann bei Drehzahlen bis zu 3600 min-1 betrieben werden.

Der in vielen Einsatzbereichen von Pumpen, Mischern und Rührwerken geforderte Explosionsschutz ist ebenfalls gewährleistet. Minex-S wurde von einer entsprechenden Zertifizierungsstelle nach den Maßgaben der EU-Richtlinie 94/9/EG (Atex 95) für den Einsatz in der Zone G2 geprüft und zertifiziert. Als zusätzliche Schutzmaßnahme für diesen sensiblen Einsatzbereich ist eine Überwachung der Spalttopftemperatur vorgesehen, damit der Antrieb selbsttätig abschalten kann, wenn die Wärmeentwicklung so groß würde, dass die Obergrenze der jeweiligen Temperaturklasse erreicht wird.

Minex-S umfasst eine komplette Baureihe in verschiedenen Baugrößen für maximale Drehmomente von 0,15 bis 315 Nm. Neben dem Standardprogramm werden Sonderbauformen z.B. für höhere Drehmomente oder Spalttöpfe für höhere Drücke gefertigt. Ferner sind komplette Systemlösungen mit angrenzenden Komponenten möglich. Für die Nachrüstung stehen zum Beispiel Baugruppen zur Verfügung, die eine Umrüstung von Axialkolben-Dosierpumpen von Rotary Power (Pumpe Typ C) oder Bosch Rexroth Hydromatik (A2VK) ermöglichen. Diese Baugruppen bestehen aus der Minex-S-Kupplung, einem Pumpenträger und einem Pumpenadapter. Eine solche Komplettlösung kommt beispielsweise zum Einsatz, um das Sicherheitsniveau von Hochdruck-Reaktionsgießmaschinen zu optimieren. In diesem Fall werden Pumpen umgerüstet, die Polyol und Isocyanat führen. Auch für die Umrüstung sowie für die Erstausrüstung anderer Pumpentypen (Schraubenspindelpumpen, Kreiselpumpen, Zahnradpumpen, usw.) lassen sich Komplettlösungen konfigurieren. Zusätzlich lassen sich Fußflansche und Dämpfungselemente wie Dämpfungsschienen in das System integrieren.

Halle 25, Stand B 16

cav 426

Weitere Informationen zur Magnetkupplung

Hannover Messe – Motion, Drive & Automation 2005

Antriebstechnik im VDMA