TU Wien: Neuartige Sensortechnologie

In elektrischen Antrieben soll alles möglichst rund und leichtgängig laufen. Jede unnötige Reibung verschwendet Energie. Bei vielen rotierenden Maschinen verwendet man daher Magnetlager, die den Rotor schweben lassen, sodass er reibungsfrei ganz ohne direkte Berührung festgehalten wird.

Allerdings muss man dann mit elektronischer Regelungstechnik dafür sorgen, dass der Rotor auch bei hohen Drehzahlen genau dort bleibt wo er sein soll und nicht mit dem umgebenden Gehäuse kollidiert. Bisher war das nur mit komplizierten Sensor-Systemen möglich. Durch eine Erfindung der TU Wien lässt sich die nötige Information nun ganz ohne zusätzliche Sensoren auf viel einfachere Weise elektrisch auslesen. Auf der Hannover Messe wird der neuartige Lagertyp erstmals öffentlich vorgestellt.

 Schwebend gelagerte Rotoren

„Es gibt viele Arten von rotierenden Wellen, bei denen ein berührungsfreies Lager besonders wichtig ist“, sagt Prof. Manfred Schrödl vom Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe der TU Wien. Sogenannte Flywheels sind beispielsweise dafür gedacht, Rotationsenergie viele Stunden lang zu speichern und sie dann nach Bedarf in elektrische Energie umzuwandeln. Das ist nur sinnvoll, wenn die Reibungsverluste minimal sind. Auch bei Vakuumpumpen soll jede Reibung, die Abrieb verursachen könnte, unbedingt vermieden werden, und bei Antriebswellen, die eine besonders hohe Drehzahl erreichen müssen, führt an Magnetlagern oft ebenfalls kein Weg vorbei.

„Das Problem bei Magnetlagern ist allerdings, dass man die Position des Rotors elektronisch fixieren muss“, erklärt Manfred Schrödl. „Würde man den schwebend gelagerten Rotor einfach nur rotieren lassen, würde er rasch in eine Richtung driften, mit dem Lager kollidieren und die Maschine zerstören.“ Man misst daher mit speziellen Sensoren ständig die Position des Rotors und steuert mit Elektromagneten dagegen, sodass er trotz seiner rasenden Rotationsbewegung immer am selben Ort bleibt.

Das Magnetlager mit neuartiger Sensortechnologie wurde an der TU Wien entwickelt und wird auf der Hannover Messe 2015 in Halle 13 an Stand E 10 präsentiert.

Der Elektromagnet als Sensor

Doch diese Sensorik ist teuer und niemals völlig ausfallssicher. An der TU Wien ging man daher einen ganz anderen Weg: „Die Elektromagneten, die man zum Nachjustieren der Rotor-Position verwendet, nutzen wir gleichzeitig auch als Sensoren“, erklärt Schrödl. „Durch das Magnetfeld sind der Rotor und die elektromagnetische Spule miteinander gekoppelt. Wenn man die zeitliche Veränderung des Stroms misst, der in der Spule auftritt, kann man daraus die Position des Rotors ganz genau berechnen.“

Die mathematische Methode dafür entwickelte Manfred Schrödl mit seinem Team. Die Idee wurde patentiert, und nun steht ein funktionsfähiger Prototyp zur Verfügung. „Die Technik ist ausgereift, nun suchen wir nach Industriepartnern, die davon profitieren möchten“, sagt Schrödl.

Auf der Hannover Messe wird das Magnetlager der TU Wien erstmals öffentlich präsentiert. Darüber hinaus stellt das Team von Manfred Schrödl auch noch eine sensorlose Drehzahlregelungs-Methode für Elektromotoren vor (Halle 13 – Stand E10).