Ziel der Entwicklung

In vielen Zweigen der Industrie zeigt sich ein Trend zur Drehzahlsteigerung und somit Leistungssteigerung von Rotoren. Am Beispiel von Verdichtern wird das besonders deutlich. Hier werden im Bereich von 1,5 bis 8 Mega-Watt Drehzahlen von 6.300 bis 13.500 Umdrehungen pro Minute angestrebt. Die Massen der rotierenden Teile liegen im Bereich von einigen Tausend Kilogramm. Verdichter wesentlich kleinerer Leistung im Bereich bis zu acht Kilowatt sollen in Zukunft mit Drehzahlen bis zu 250.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden. Die Rotormassen liegen bei diesen bei eins bis fünf Kilogramm.
Die rotierenden Bauteile werden enormen Belastungen durch Fliehkräfte ausgesetzt. Für extrem hohe Drehzahlen müssen diese Prüflinge geschleudert werden, um im Testlauf die konzipierte Funktionssicherheit zu bestätigen.
Dazu soll ein extrem hochtouriger Schleuderprüfstand entwickelt, konstruiert und eingesetzt werden. Der Schleuderprüfstand besteht aus einem Rotor, einem Gehäuse mit Stator und einem Gestell. Der Rotor besteht aus einer vertikal angeordneten Hohlwelle, axiale und radiale Magnetlager und integrierten Motor. Die Welle soll stirnseitig eine Kopplungsstelle für den Prüfling besitzen. Drumherum befindet sich das Gehäuse, das aus den Messsystemen und den magnetfeldaufbauenden Statoren besteht.
Die ursprüngliche Absicht zwei radiale Lagerbaugruppen so anzuordnen, dass zwischen diesen der Antriebsmotor eingebaut wird, einen Konstruktion die bei kleineren Drehzahlen (zum Beispiel 150.000 min-1) üblich ist, kann wegen der auftretenden Biegeeigenschwingungen der Welle so nicht gestaltet werden. Umfangreiche Arbeiten im vorangegangenen Vorhaben ergaben, dass das Problem der Biegeschwingungen nur lösbar ist, wenn die Welle wesentlich verkürzt wird. Dafür wurde eine Lösung erarbeitet, die zwei Radiallager mit dem Antriebsmotor in einer elektromagnetischen Baugruppe vereinigt. Hierzu wird die Antriebsleistung pro Einheit auf die Hälfte verringert. Es entstehen also zwei Baugruppen bestehend aus je einem vier-Kilowatt Drehstromsynchronmotor und je eine Radiallagerkomponente. Das ist eine neue Entwurfsphilosophie. Im Verlauf der Entwicklungsarbeiten war es erforderlich einen elektromagnetischen Entwurf zu finden bei dem Lager- und Antriebssystem vereinigt werden konnten.
Diese Konstruktion erfordert, dass das normalerweise stehende Magnetfeld des Magnetlagers mit der Drehzahl der Welle rotieren muss. Das ist eine völlig neue Aufgabenstellung. Es gelang eine Elektronik mit dazugehörendem Lagemesssystem dafür zu entwickeln.
Parallel dazu erfolgte die Erforschung eines digitalen Regelkonzeptes in Zusammenarbeit mit der FH Zwickau.
Ein Ziel dieser Forschungsaufgabe war, dass Cetex für den Rotor alle rotordynamischen Berechnungen und Optimierungen durchführt und die Konstruktion und die Endmontage übernimmt.
Ein weiteres Ziel war die Entwicklung und der Bau des Gehäuses zusammen mit EAAT. Da durch die Verluste in den Magnetlagern Wärme entsteht, muss das Gehäuse gekühlt werden. Eine weitere Schwierigkeit ist die Konstruktion an sich, da alles sehr passgenau gefertigt werden muss, aber bei der Montage die Magnetlager/Statoren begrenzt drehbar sein müssen.
Ein drittes Ziel war die Berechnung, Entwicklung und der Bau der Gestelleinheit durch Cetex. Für diese Betriebsdrehzahlen ergibt sich die dominierende Erregerfrequenz von 4.166 Hertz.

Vorteile und Lösungen

Die derzeitig stürmische Entwicklung der Antriebstechnik deutet auf eine systematische Erhöhung der Betriebsdrehzahlen von Produkten des Maschinenbaues hin. Interessante Beispiele dafür sind:
Abgasturboverdichter im Automobilbau; Prüfständer für die Erforschung von Lagerschmiersystemen für Abgasturboverdichter; hochtourige Spindeln für die spangebende Bearbeitung wie: Drehen, Fräsen, Schleifen; Schleuderprüfstände zu Prüfung von Wellen bzw. Laufzeugen für den Drehzahlbereich von 20.000 min-1 bis 250.000 min-1; spangebende Ultrapräzisionsbearbeitung von metallischen und Kunststoffwerkstoffen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Nutzer der Ergebnisse ist primär die EAAT in Chemnitz als Produzent der Magnetlagerungen, unter anderem für Schleuderprüfstände. Für EAAT wäre es eine Bereicherung ihrer Produktpalette und eine Stärkung gegenüber der Konkurrenz. Die Cetex wird die mechanischen Komponenten der Magnetlagerung für den Schleuderprüfstand an EAAT liefern. EAAT liegen bereits weitere Anfragen von Firmen und Universitäten vor.
Mit der Bearbeitung des Forschungsvorhabens hat das Cetex Institut als anwendungsorientierte Forschungseinrichtung seine Leistungsfähigkeit auf dem Gebiet der Maschinendynamik - speziell der Rotordynamik – und FEM-Berechnung, unter Beweis gestellt und kann für derartige Aufgaben aus der Industrie die entsprechenden Dienstleistungen bereitstellen.