Hochtourige Drehstrom-Spezialmotoren Was die Zentrifuge antreibt

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FAULHABER Antriebssysteme

FlackTek Europe GmbH

Geringe Vibrationen und wenig Energieverluste trotz hoher Drehzahlen: Diese Anforderungen an Motoren gelten z. B. für Zentrifugen in der Medizin- oder Labortechnik. Eine Herausforderung für Entwickler, die mit diversen Kniffen die beste Leistung aus den Spezialmotoren herausholen.

Die grundsätzliche Funktionsweise einer Zentrifuge ist schnell erklärt: Durch schnelles Schleudern und dabei wirkende Zentrifugalkräfte trennt sie die Bestandteile von Suspensionen und Emulsionen. Benötigt werden solche Geräte sowohl in medizinischen Laboren als auch in der Forschung – z. B. für die Untersuchung von Blutproben und Zellkulturen oder in der Mikro- und Molekularbiologie. Trotz der hohen Geschwindigkeiten dürfen die Antriebe nicht zu heiß werden, um das empfindliche Probenmaterial nicht zu schädigen. Für den Einsatz, etwa in Tischzentrifugen, sind deshalb spezielle hochtourige Induktionsmotoren wie die von Groschopp von Vorteil: Da die einzigen Verschleißteile die Lager der Welle sind, ist diese Antriebslösung nahezu wartungsfrei. Zudem lassen sich Induktionsmotoren einfach durch einen Frequenzumrichter regeln.

Induktionsmotoren, kompakt und kompressorgekühlt

Für Tischzentrifugen mit geringer Stellfläche, müssen die eingesetzten Motoren kompakte Abmessungen aufweisen. Dabei ist v. a.die Gerätehöhe ein kritischer Faktor – schließlich stehen die Zentrifugen oft erhöht auf einem Labortisch, damit sie sich bequem be- und entladen lassen. Für die Bauform der Motoren bei senkrechtem Einbau bedeutet das: besser kurz und mit einem großen Durchmesser als lang und dünn. Einige Zentrifugen sind luftgekühlt, andere verfügen über eine aktive Kompressorkühlung. Durch eine individuelle Auslegung der Wicklung, die insbesondere die magnetischen Eigenschaften, den Wirkungsgrad und Leistungsfaktor des Motors sowie die Umgebungstemperaturen berücksichtigt, lässt sich zudem nicht nur die Motorerwärmung verringern, sondern auch der Energieverbrauch so niedrig wie möglich halten. „So entstehen effiziente Antriebssysteme, die bei größtmöglicher Leistung möglichst leise arbeiten und wenig Energie verbrauchen“, erklärt Wolf Meyer, Produktmanager bei Groschopp.

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Ruhige Runden drehen – dank sorgfältigem Design

Damit die Zentrifugen Geräusche besser absorbieren, werden die Lagerschilde der Motoren in Grauguss gefertigt, was v. a. in klinischen oder wissenschaftlichen Anwendungen gewünscht ist. Zudem wird ein ruhiger und geräuscharmer Betrieb durch eine hohe Masse des Motorgehäuses sowie schwere, massive Lagerflansche erreicht, wodurch nur geringe Eigenschwingungen auftreten. Hierbei spielt auch die Materialverteilung – z. B. die Ausbildung der Flansche – eine große Rolle. Hilfreich ist auch eine geringe Wellendurchbiegung, die durch einen möglichst kleinen Lagerabstand erreicht wird. Ein erhöhter Rundlauf ist durch eine definierte Wuchtgüte gewährleistet. Weiterhin sorgt eine minimierte Restunwucht dafür, dass der Motor nicht seinerseits das System anregt. Groschopp realisiert auch Lösungen mit elektronisch kommutiertem Motor mit integrierter Platine zur Drehzahl und Unwuchterkennung.

Außerdem setzt das Unternehmen in bestimmten Fällen besonders verlustarme Elektrobleche ein. „Je präziser und feiner diese gefertigt werden, desto genauer ist die Ausrichtung des Magnetfelds, das in den Läufer des Induktionsmotors induziert wird“, erklärt Christian Skaletz, Produktmanager bei Groschopp. „Je besser die Richtung der Magnetfelder vorgegeben ist, desto höher sind auch die Wirkung bzw. die zu erreichenden Drehzahlen. Die Verluste fallen geringer aus und weniger Wärme entsteht.“

Läuft wie geschmiert, mit wenig Lärm und wenig Vibration

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Motorenfertigung ist der Einsatz qualitativ hochwertiger Fette zur Schmierung der Kugellager. Denn diese sind bei hochdrehenden Induktionsmotoren besonders großen Belastungen ausgesetzt. Eine unzureichende Schmierung könnte nicht nur zu einem hohen Geräuschpegel führen, sondern auch Schäden durch Hitze verursachen und damit die Lebensdauer der Komponenten signifikant verkürzen. Deshalb achtet der Hersteller der Induktionsmotoren darauf, diese laufend zu testen und z. B. die Auswahl der Fettqualität immer weiter zu verbessern. „Neben der Schmierung wirkt sich auch die Auswahl und die Qualität der Wälzlager direkt auf Lautstärke und Vibrationen aus“, betont Produktmanager Meyer. „Durch auftretende Axial- und Radiallasten ist neben den richtigen Wälzlagern zusätzlich aber auch die entsprechende Vorspannungs-Einstellung sehr wichtig.“ Nicht zuletzt spielt die Gestaltung der Lagersitze (Fest-/Loslager) sowie des Schiebesitzes eine entscheidende Rolle. Wenn dann immer noch Eigenschwingungen auftreten, sind gegebenenfalls zusätzlich Sonderlösungen beim Design der Motorwelle erforderlich. Bei Bedarf können etwa auch Wellen aus nicht rostendem Edelstahl realisiert werden.

Qualitätsprüfung durch Hersteller gewährleistet

„Bei allen Maßnahmen ist es wichtig, diese durch Messungen in der Zentrifuge zu verifizieren“, sagt Meyer. „Nur so lässt sich der Motor in Abhängigkeit von der jeweiligen Zentrifuge optimieren.“ Bei der Messung der Vibrationen ist z. B. nicht nur die Höhe des Ausschlags aussagekräftig, sondern auch, bei welcher Frequenz er auftritt. Die Zentrifuge muss im Drehzahl-Betriebsbereich ruhig laufen. Zudem sollten die kritischen Resonanzen möglichst weit davon entfernt sein und zügig durchfahren werden. Und auch bezüglich der Lautstärke gibt es einiges zu berücksichtigen: So achtet Groschopp bei Tests im hauseigenen Labor nicht nur auf den absoluten Wert der auftretenden Schwingungen, sondern zusätzlich auf die Amplitude um den Mittelwert.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Anforderungen von Tischzentrifugen sind vielfältig und lassen sich in den seltensten Fällen mit Motoren „von der Stange“ abdecken. Als etablierter Anbieter hochtouriger Drehstrom-Spezialmotoren verfügt Groschopp über das nötige Know-how, um individuelle Antriebskonzepte umzusetzen. (clu)

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