Großes schwebend lagern

Spezial: Gleit- und Wälzlager

Magnetlager – Siemens stellt mit der Simotics AMB-Technology ein neues aktives Magnetlager-System vor, das in großformatigen Anwendungen für eine schwebende, sichere Bewegung sorgt – ohne Reibung und Verschleiß.

19. Mai 2016

Magnetlager bilden eine Welt für sich. Sie befindet sich weit jenseits der Gleit- und Wälzlager, aber der Effekt ist derselbe: Es geht um die aktive Unterstützung von Bewegungen, nur eben ein paar Nummern größer. Siemens hat hier mit der Simotics Active Magnetic Bearing-Technology (AMB) einen eigenen Bereich geschaffen. »Ziele sind eine gesteigerte Energieeffizienz, durchgängige Bedien- und Servicekonzepte und eine Anlagenverfügbarkeit durch intelligente, vernetzte Technik«, sagt Dr. Joachim Denk, Projektleiter und Produktmanager AMB.

Dem Anwender steht ein aktives Magnetlagersystem für schnelldrehende Großmaschinen wie Hochspannungsmotoren oder Industrieturbinen und Kompressoren zur Verfügung. Es ist optimiert für Leistungen ab einem Megawatt. Die Rotoren solcher Anwendungen werden durch geregelte Magnetfelder berührungslos im Zentrum der Lager gehalten. Im Vergleich zu konventionellen Lagern entsteht so keine Reibung und damit kein Verschleiß.

Die für die hochpräzise Regelung des Schwebezustandes zuständigen Baugruppen stellen automatisch umfangreiche Zustandsdaten an die Standardschnittstellen von Siemens bereit, wie bei der Anlagenüberwachung, bei vorbeugenden Wartungskonzepten, der Ferndiagnose sowie Fernbedienung. Dazu erfassen Sensoren die Wellenpositionen 16.000-mal pro Sekunde, und ein Regler stellt die Magnetfelder so ein, dass der Rotor exakt in der Lagermitte schwebt. Auch mehrere Tonnen wiegende Rotoren können selbst bei Maximaldrehzahl in einem Positionsfenster mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares gehalten werden.

Dr. Denk präzisiert: »Die Auslenkung des Rotors aus einer Solllage wird über einen Verlagerungssensor gemessen. Diese Information wird von einem Regler und einem Leistungsverstärker in einen Strom für einen Elektromagneten umgesetzt. Wenn der Regler richtig parametriert ist, dann schwebt der Rotor.« Da der Regler Rotorschwingungen aktiv bedämpft, können bei Anwendungen mit hoher Drehzahl und großer Leistung alle Drehzahlbereiche von Stillstand bis Maximaldrehzahl durchgängig angefahren werden.

Ins System eingebettet

Die AMB-Technology gliedert sich nahtlos ein in das Totally-Integrated-Automation-Konzept (TIA) von Siemens: Dabei sind sämtliche Komponenten aufeinander abgestimmt und systemgetestet. Die Sinamics-Standardregelungskomponenten werden im Rahmen des Integrated Drive Systems (IDS) im Antriebsstrang für die Ansteuerung der Magnetlager sowie beim Hauptumrichter eingesetzt. Die platzsparende PC-basierte Steuerung Simotion P320-4 bildet die kundenspezifisch konfigurierbare Mensch-Maschine-Schnittstelle und wird zur Systemüberwachung, Kommunikation mit der überlagerten Anlagensteuerung und für Funktionen zur Unterstützung der Inbetriebnahme eingesetzt.

»Da ein Motor mit Magnetlagern sehr hohe Drehzahlen erreichen kann, entfällt die Notwendigkeit eines Getriebes im Antriebsstrang, und das bedeutet weniger Platzbedarf«, sagt Dr. Joachim Denk. »Im Vergleich zu konventionellen Lagern sind die Anschaffungskosten von Magnetlagern zunächst einmal höher. Interessant ist die Total-Cost-of-Ownership. Wenn der Anwender keine Ölaufbereitungsanlage benötigt und nicht mehr Tausende Liter Öl vorhalten muss, wird dieser Wert auch bei Magnetlagern interessant«, ergänzt der Produktmanager.

Bei der Entwicklung der Magnetlagerhardware baut Siemens auf die mehr als hundertjährige Erfahrung auf dem Gebiet des Elektromotorenbaus – zum Beispiel standen die bewährten Fertigungsverfahren für Torquemotoren aus dem Werkzeugmaschinenbereich Pate für die Elektromagnete der Lager. Das Resultat ist ein besonders präzises, robustes und sicheres Magnetlagersystem.

Mit den hohen Leistungen der Sinamics-S120-Umrichter lassen sich auch bei sehr schweren Rotoren große Magnetlagerluftspalte realisieren, was die Ausrichtung der Maschinenkomponenten stark vereinfacht. Die Regler der AMB-Technologie liefern zudem automatisch Betriebsdaten wie Wellenposition, Lagerkraft, dynamische Belastung der Lager und Betriebstemperaturen, anhand derer selbst minimale Änderungen in Antriebssystem, Arbeitsmaschine und nachgelagertem Prozess erkennbar werden. Diese Informationen lassen sich nahtlos an ein übergeordnetes Leitsystem für die Anlagensteuerung und Betriebsüberwachung übermitteln oder von datenbasierten Servicekonzepten nutzen. »Die integrierten Sensoren erlauben ein Condition Monitoring von Maschine, Rotor und Prozessen für maximale Anlagenverfügbarkeit. Magnetlager sind zudem verschleißfrei, und der Anwender hat weniger Wartungsaufwand«, sagt Joachim Denk. Fällt eine Elektronikkomponente aus, besitzt der Rotor ein Fanglager, das ihn sicher zum Stillstand bringt. »Unsere Fanglager haben wir gemeinsam mit Schaeffler entwickelt. In so genannten Landing-Tests können wir die Wirksamkeit der Komponenten belegen.«

In der schweren Industrie unterwegs

Einsatzgebiete liegen vor allem in der Öl- und Gasindustrie sowie der Stromerzeugung, aber auch in allen Industrien, in denen leistungsstarke Maschinen mit großen Wellendurchmessern und hohen Drehzahlen eingesetzt werden. In der Öl- und Gasindustrie kommt Simotics AMB-Technology vor allem in Antrieben für Kompressoren für Gastransport und -speicherung sowie -verflüssigung zum Einsatz. In der konventionellen Energieerzeugung sind es vor allem Dampfturbinen mit hoher Drehzahl.

Ein konkretes Beispiel ist eine schnelllaufende Dampfturbine mit 5.700 Umdrehungen pro Minute und einer Leistung von zehn Megawatt im Vattenfall-Kraftwerk Jänschwalde. Hier wirkt in der Speisepumpe seit Anfang 2015 ein spezielles, teilbares Lager mit der AMB-Technologie. Im Gegensatz zu einem konventionell im Ölfilm gelagerten Rotor besteht bei einer ölfreien Turbine die Verbindung zwischen Rotor und Lager aus einem aktiven Magnetlager. Der Rotor schwebt sprichwörtlich. Die Ventilantriebe sind nahezu ölfrei und werden von Elektromotoren gesteuert. Somit ist für den Betrieb der Dampfturbine nur eine Ölmenge von weniger als 10 Liter notwendig.

Die AMB-Technologie ist auch schon erfolgreich im Einsatz für den NAM/Shell-Konzern und zwar in zwei schnelllaufenden Kompressor-Antriebssträngen mit 6.300 Umdrehungen pro Minute und einer Leistung von 23 Megawatt. »In dieser Maschine wiegt der Rotor neun Tonnen. Trotzdem lässt er sich mit einer Hand bewegen«, sagt Denk. »In axialer Richtung ist er lediglich begrenzt durch Endanschläge.« Um den kompletten Rotor aktiv magnetisch zu lagern, sind fünf Magnetlagerachsen erforderlich, um dem Rotor fünf seiner sechs Freiheitsgrade zu nehmen. Er kann dann nur noch rotieren.

Angesiedelt ist die Anlage in einem Gasfeld bei Groningen, mitten in einem Umweltschutzgebiet. »Das ist kein Problem, denn eine berührungslose Lagerung bedeutet auch den Verzicht auf Öl und somit keine Gefahr von Ölleckagen«, freut sich Joachim Denk. »Und dieser Umstand hilft sehr, wenn Umweltschutzvorschriften einzuhalten sind oder wir eine Prozesskontaminierung ausschließen müssen.«

Auf einen Blick

Simotics AMB-Technology

• Verschleißfreier Betrieb in Großmaschinenanwendungen.

• Geregelte Magnetfelder halten den Rotor punkt-genau, berührungslos und ölfrei in der Schwebe.

• Abgestimmte Siemens-Standardprodukte bieten hohe Zuverlässigkeit und Effizienz

• Einfache Einbindung in die digitale Welt.

Erschienen in Ausgabe: 04/2016