Magnetlager Maxwell in Aktion

Transkript

1 150 Jahre Maxwell Gleichungen Magnetlager Maxwell in Aktion Dr. Reto Schöb, Levitronix GmbH

2 Was ist ein Magnetlager? Lager dienen zur Abstützung sowie zur Führung eines beweglichen Körpers an einem feststehenden Teil. Herkömmliche Wälz- und Gleitlager arbeiten mit festen, flüssigen oder gasförmigen Schmierstoffen an den Kontaktflächen. Im Gegensatz hierzu arbeiten Magnetlager, in denen die Lagerkräfte mit Hilfe von magnetischen Feldern erzeugt werden, berührungslos, ohne Kontaktmedium.

3 Kraft-Weg-Kennlinie einer federnden Aufhängung f m x Kraft-Weg- s f s mg Kennlinie x = x - x 0 s mg x 0 f = k x s x s

4 Kraft-Weg- und Kraft-Strom-Kennlinie eines Elektromagneten i m Kraft-W eg- Kennlinie f m f = k x s mg x s f m x = x - x 0 s x 0 x s Kraft-Strom- Kennlinie f m f = k i i mg mg i = i m - i 0 i 0 i m

5 Blockschaltbild des stromgesteuerten Magnetlagers f zx i ki f x m 1 x x x k s

6 Magnetlagerregelkreis f zx x soll - PID Regler ki f x m 1 x x x k s

7 Prinzip des aktiven Magnetlagers i m Leistungsverstärker xs Aktor f m Lagerkörper (Rotor) mg Regler Sensor x s

8 Praktische Ausführung von Aktiven Magnetlagern Radial Magnetlager Axial Magnetlager Rotor Ring-winding Iron-core Rotor slice

9 Vorteile von Magnetlagern aufgrund der Berührungsfreiheit Verschleiss- und Wartungsfreiheit Keine Schmierung und kein Abrieb Weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber extremen Umgebungsbedingungen wie Hitze, Kälte, Dampf, Vakuum, diverse Chemikalien Gute thermische Isolation des Rotors vom Stator Lagerung durch hermetische Kapselung (Spaltrohr) hindurch möglich Sehr kleine Lagerverluste (Wirbelstromverluste), das heisst die maximale Drehzahl wird nur durch die Festigkeit des Rotors begrenzt

10 Anwendungsbeispiele von Magnetlagern Reinraumtechnik / Halbleiterfertigung Turbomolekularpumpen Flüssigkeitspumpen Kristallzuchtanlagen Handlingsysteme für Wafer Werkzeugmaschinenbau Hochfrequenz Schleifspindeln Hochfrequenz Frässpindeln Grooving Spindeln Turbomaschinen Turboexpander Turbokompressoren Gebläse Flüssigkeitspumpen Hydraulische Turbinen Medizin und Biotechnologie Blutpumpen Bio-Processpumpen Rührwerke für Mixer und Bioreaktoren Luft- und Raumfahrt Kühlturbinen Kreiselstabilisierungsräder für Satelliten Turbopumpen für Raketentriebwerke Forschung Neutronenchopper Ultrazentrifugen Tribometer Vibrationsisolationstische Windkanäle

11 Teile einer magnetisch gelagerten Spindel 2 Radial Magnetlager 1 Axial Magnetlager Set 10-Kanal Leistungsverstärker für Magnetlager 5 Positionssensoren 5-Achsen-Positionsregler 1 Drehstrommotor 1 3-Phasen Umrichter

12 Der Lagerlose Motor

13 Der Lagerlose Motor Scheibenmotor PM-rotor a) F Stator w F bearing winding iron core F z F z F r F r Rotor b) F drive winding back-iron F z F r F r F z M k F Regelung der Radialposition und des Drehmoments Passive Stabilisierung von 3 räumlichen Freiheitsgraden des Rotors

14 Kräfte in einer konventionellen Drehfeldmaschine a) Lorentz-Kräfte b) Maxwell-Kräfte für Rotor im Zentrum c) Maxwell-Kräfte für excentrischen Rotor

15 Kraftvektorbildung für p 1 = 1 und p 2 = 2 Fx 2 Fy 2 F 1 1 p -Ebene 1 p -Ebene 2 xy -Ebene 2 F 2 1 1

16 Teile eines lagerlosen Motor Systems 1 Antriebs/Lager Stator 4-Kanal Leistungsverstärker für Antrieb und Lagerung 2 Positionssensoren 2-Achsen-Positionsregler

17 Prinzip der lagerlosen Pumpe pump housing inlet impeller outlet rotor winding stator

18 Magnetisch gelagerte Pumpen für die Halbleiterfertigung BPS-3 BPS-4

19 Magnetgelagerte Pumpen für die Pharmazeutische Industrie

20 Extrakorporale Blutpumpe CentriMag (Thoratec) Pumpenkopf (Einwegartikel) Magnetisch gelagerter und angetriebener Rotor Motor-Lager-Stator

21 Vergleich: Magnetkupplungspumpe mit mechanischem Lager

22 DPlfHb (mg/dl/hr) PediVas Blut Pumpe für pädiatrischen Einsatz (Thoratec) Hämolyse Vergleich verschiedener Pumpen Berlin Heart 10 cc Levitronix PediVAS Levitronix CentriMag Biomedicus Roller Pump Flow Rate (LPM)

23 Implantierbare Herzunterstützungspumpe Thoratec HMIII

24 Danke für Ihre Gleichungen!