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24.06.2015

Neuer High-Speed-Spindelantriebe von Kemmerich

Kemmerich entwickelt und fertigt auch rotierende Umformer für bis zu circa 4 MW. Durch Parallelschaltung mehrerer Aggregate lässt sich die Leistung zudem vervielfachen (Foto: Kemmerich Elektromotoren GmbH & Co. KG)

Maschinen- und Anlagenbauer aller Industriezweige verlangen von ihren Antrieben inzwischen immer höhere Leistungen und Drehzahlen bei gleichzeitig geringen Abmessungen und niedrigem Gewicht. Bei reinen Spindelmotoren – selbst magnetgelagerten oder als Synchrongeneratoren ausgeführten – sind jedoch nur maximale Leistungen von beispielsweise 350 kW bei 16.000 rpm oder 100 kW bei circa 40.000 rpm zu erreichen. Kemmerich hat für diese Anforderungen Etwas neues entwickelt.

Durch den Einbau von Turbowellen werden Sonder- und Spindelmotoren realisiert, die bei gleicher Leistung ein Vielfaches der Ausgangsdrehzahl erreichen können – etwa bei 40 kW bis über 400.000 rpm. Auf diese Weise kann auch die Leistung hochdrehender Turbinen in Strom umgewandelt und ins Netz eingespeist werden. Die Anlagen eignen sich aber ebenso für kleine Leistungen mit hohen Drehzahlen.

„Der Name ‚Turbowelle’ kommt daher, dass meist Turbinen die Motoren als Generatoren antreiben“, erklärt Karl-Heinz Kemmerich, Geschäftsführer des Motoren- und Umrichterspezialisten. Während bei herkömmlichen Konstruktionen der Rotor bei hohen Umdrehungen an seine Belastungsgrenze kommt, dreht sich bei dieser Lösung lediglich die im Prinzip glatte Ab- beziehungsweise Antriebsvollwelle mit sehr hoher Geschwindigkeit. Das Motor-/Generatorinnenteil, der eigentliche Rotor, der mit Magnetblechen, gegossenen Kurzschlussstäben oder Permanentmagneten bestückt ist, läuft dagegen mit geringerer Drehzahl. Als Verbindung zwischen beiden Komponenten dient ein spezieller Planetensatz beispielsweise mit speziellen Sonderverzahnung. Die Kombination ermöglicht hohe Drehzahlen ohne Gefährdung des Rotors und damit letztlich einen drehzahloptimierten Betrieb. Darüber hinaus können bei der Übersetzung ins Schnelle aufgrund der geringen Drehmomente die Abmessungen und das Gewicht des Motors sowie der angesetzten Turbowelle sehr klein gehalten werden, was Bauraum spart und eine größere Flexibilität bei der Platzierung erlaubt.

Hohe Lebensdauer und Betriebssicherheit
Da die Welle eigens für diese Aufgabe berechnet, mit einer extremen Genauigkeit gefertigt, gehärtet sowie geschliffen wird, arbeitet sie sehr laufruhig und praktisch verschleißfrei. Zudem läuft sie komplett in Öl, das von einer integrierten Pumpe zugeführt wird. Auf diese Weise wird selbst bei hohen Leistungen und Drehzahlen von bis zu 200.000 rpm bei 2 MW eine lange Standzeit erreicht: Je nach Ausführung kann bei 8 Stunden Betrieb pro Tag von mehreren Jahren Lebensdauer ausgegangen werden.

Die Turbowellen sind wie die Spindelmotoren beziehungsweise
-generatoren für Dauerbetrieb bei hohem Wirkungsgrad ausgelegt und können je nach Bedarf in Leichtbauweise aus Aluminium oder mit Stahlgehäuse auch voll gekapselt gefertigt werden. Um eine möglichst hohe Betriebssicherheit, Verfügbarkeit und Effizienz zu gewährleisten, kontrollieren Lagersensoren, Schmierüberwachungssysteme, Schwingungssensoren und Temperaturfühler ständig die Motoren, Lager und Turbowellen. Die dabei erfassten Werte, wie etwa der Stand der Betriebszeiten, die Temperaturen oder die erzeugte Energiemenge, werden auf einem übersichtlichen Display angezeigt, so dass der Bediener jederzeit über die Betriebsparameter informiert ist. Zusätzlich lassen sich Grenzwerte für Alarme oder eine automatisierte Notabschaltung, etwa bei Überstrom, festlegen.

Fertigung nach Kundenanforderungen
Die Turbowellen-Hochleistungsmotoren werden entsprechend den Ansprüchen des Kunden und den Anwendungsbedingungen individuell im Werk in Gummersbach entwickelt und gefertigt, was je nach Aufwand für die spezielle Ausführung sechs bis acht Monate dauert. Die Lieferung erfolgt komplett mit den dazugehörigen – auch rückspeisefähigen – Frequenzumrichtern und Schaltschränken einschließlich Touchscreen-Bedienung. Daneben bietet Kemmerich auch ein umfassendes Paket mit Umrichtern, Schmiergeräten, Rückspeisungen, EMV- und Sinusfiltern sowie weiterem Zubehör an. Für Fahrzeugteile-Teststände, beispielsweise solche mit 5 bis 20 kW bei 400.000 rpm für Formel 1-Turboverdichterräder, sowie für Getriebe, Gasveredelung, Schleuderanwendungen, ORC-Anlagen, Verdichter und ähnliches integriert der Motorenexperte auf Wunsch auch Drehmomentmesswellen, Drehgeber, Spannungs-, Frequenz- und Leistungsanzeigen.

Unabhängig von der konkreten Konfiguration werden alle Motoren, Generatoren und Umformer von Kemmerich vorab im Werk in Testläufen geprüft und von erfahrenen Mitarbeitern des Unternehmens vor Ort aufgebaut, um die optimale Funktionalität sicherzustellen.

Rotierende Umformer je nach Leistungsanspruch kombinieren
Darüber hinaus fertigt das Unternehmen für eine zuverlässige Energieversorgung in der benötigten Spannung und Frequenz auch rotierende Umformer in sehr großen Leistungsdimensionen bis circa 4 MW. Ab gewissen Größen empfiehlt der Experte aber, statt eines einzelnen Gerätes mit der Gesamtleistung mehrere kleinere in Parallelschaltung zu nutzen. Auf diese Weise lässt sich die Leistung leicht vervielfachen. „Dies hat auch den Vorteil, dass bei geringerem Bedarf nur eine der Anlagen gefahren werden kann, was Strom spart. Zudem arbeiten bei einem möglichen Defekt eines Geräts die anderen noch weiter“, so Kemmerich. Zur bequemeren Kontrolle der Umformer wurde eine Funkfernsteuerung entwickelt: Über ein Touchpanel mit WLAN lassen sich damit die Spannungen und Frequenzen von überall im Betrieb aus stufenlos regulieren.

Bild: Kemmerich entwickelt und fertigt auch rotierende Umformer für bis zu circa 4 MW. Durch Parallelschaltung mehrerer Aggregate lässt sich die Leistung zudem vervielfachen (Foto: Kemmerich Elektromotoren GmbH & Co. KG)

Quelle: Kemmerich Elektromotoren GmbH & Co. KG