Dosierpumpen mit Linearantrieb

Dosierung im Tropfenbereich stellt hohe Anforderungen an die dazu eingesetzte Dosierpumpe. (Bilder: Prominent)

Es gibt zwar schon Systeme wie vektorgesteuerte Frequenzumrichterpumpen oder geregelte Magnetantriebe, die das Weg-Zeit-Diagramm modifizieren, jedoch sind diese noch weit weg von einer echten freien Definition des vollständigen Bewegungsprofils.

Der Vorgang des Dosierens beinhaltet im Wesentlichen die klassische Zwei-Parameter-Dosierung. Einerseits über den Parameter, bei dem die Hublänge zwischen 0 und 100 % mechanisch oder elektrisch unterstützt eingestellt wird. In der Praxis wird ein typischer Regelbereich bis 1:10 realisiert.

Anderseits mittels eines Parameters, bei dem die Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors im Regelbereich 1:3 bis 1:5 mit einem Frequenzumrichter gesteuert wird. Um einen größeren Gesamtregelbereich zu realisieren, ist es notwendig, beide Parameter zu kombinieren. Damit sind Regelbereiche bis 1:30 sicher realisierbar.

Hochdruck-Hydraulik-Membrandosierpumpe Evolution mikro mit elektronisch geregeltem
Linear-Direktantrieb für die genaueste Dosierung von 0,01 bis 20 l/h bei bis zu 400 bar.

Die Regelbereiche der einzelnen Parameter sind entweder über ein Prozessleitsystem hintereinandergeschaltet oder werden mit zwei unabhängigen Steuerkreisen verknüpft. Idealerweise wünschen sich Betreiber für ihre Applikationen eine individuell auf ihre Bedürfnisse angepasste Dosierlösung. „Das bedeutet im besten Fall eine Zwei-Parameter-Regelung mit einem dritten Parameter, sprich dem variablen Bewegungsprofil“, so Bernd Freissler, Produktmanager für Prozesspumpen bei Prominent, und fährt fort: „Das Profil ist genau auf die Anforderungen abgestimmt. Während der Injektion der Pumpe in den Prozess durch einen Druckhub und separat betrachtet auch auf die Ausführung des Saughubs.“

Freissler ergänzt: „Dabei sind die Eigenschaften der zu dosierenden Flüssigkeiten wie Viskosität, chemische Beständigkeit etc. zu berücksichtigen, aber auch hydraulische Besonderheiten beim Dosierhub. Dazu gehören zum Beispiel bei Abfüllprozessen das Minimieren des Spritzverhaltens an der Düse und das Verhindern von Nachtropfen. Die dafür tatsächlich notwendige Dosierbewegung ist der oszillierende dynamische Hubweg in beiden Richtungen. Eine Antriebseinheit, die ohne jegliche Bewegungs- und Kraftumlenkung eine direkt geregelte oszillierende Bewegung für Druck- und Saughub ausführt, wäre dafür optimal. Genau diese Anforderung erfüllt unsere Pumpe mit Linearantrieb. Die zugeführte elektrische Energie wird direkt in eine oszillierende Bewegung umgewandelt.“

Aufbau der Linearmotorpumpe.

Bei Linearmotoren handelt es sich um Direktantriebe, die eine lineare Bewegung ohne Getriebe oder andere mechanische Umlenkhilfen rein elektrisch erzeugen. Zum besseren Verständnis kann man sich die Funktion eines Linearmotors so vorstellen: Bei einem rotierenden Synchronmotor wird das Magnetdrehfeld durch kreisförmig versetzte Spulen (Stator) erzeugt. Rotierend folgt der Rotor dem Energiefeld mit den Dauermagneten.

Direktantrieb reduziert Kosten und vermeidet mechanischen Verschleiß

Bei Linearmotoren sind die Wicklungen auf einer ebenen Strecke angeordnet. Der sogenannte Läufer, bestückt mit Dauermagneten, folgt den versetzten Spulen des Stators und somit dem oszillierenden Wanderfeld. Die Statorlänge ist mit den Spulen- und Magnetpaaren proportional zur Kraft. Die Überlänge des Magnetpakets erzeugt über den gesamten Verfahrensbereich eine konstante Kraft.

Im Vergleich hierzu wird bei den Motordosierpumpen die Bewegung des elektrischen Rotationsmotors über eine Getriebeuntersetzung von der Motordrehzahl zur benötigten Hubfrequenz für Dosierpumpen herunterreduziert. Beispielsweise werden 1.400 U/min auf 140 Hübe/min reduziert. Das bedeutet ein Regelverhältnis von 1:10. Anschließend wird dies über ein z. B. Kurbeltrieb mit Verstell-Exzenter zur nutzbaren oszillierenden Bewegung umgewandelt. Somit sind letztendlich vier Veränderungen notwendig, um die tatsächlich nutzbare, einstellbare oszillierende Bewegungsart zu erhalten.

Die Vorteile des Linearmotors liegen auf der Hand: Durch die getriebelose Konstruktion ist keine Umlenkung erforderlich. Das spart Kosten und Platz. Durch die geringe Anzahl mechanischer Komponenten ist die Konstruktion nahezu verschleißfrei und wartungsarm. Die hohe Dynamik kann Unzulänglichkeiten in der Hydraulik, beispielsweise bei den Ventilen, aktiv kompensieren. Im Unterschied zu Magnet- oder Motormembranpumpen mit Feder-Nockenantrieb, bei denen die Rückwärtsbewegung durch eine Feder erfolgt, wird mit dem Linearantrieb sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtsbewegung durchgeführt. Die Kraft ist ortsunabhängig und stromproportional.

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Die Motorcharakteristik des Antriebs punktet zusätzlich durch ihre integrierte Wegerfassung, die sehr gut für die Steuerung von Dosierprofilen geeignet ist. Eine integrierte Positionssensorik misst und überwacht zu jeder Zeit, im Stillstand und während der Bewegung, die aktuelle Position des Läufers. Abweichungen werden sofort erkannt und der übergeordneten Steuerung gemeldet. Dies sorgt für eine hohe Betriebssicherheit und zuverlässige Fehlererkennung. Zudem können sowohl die Verfahrgeschwindigkeit als auch die Beschleunigung präzise vorgegeben werden. Komplexere Bewegungen können mit beliebigen Verfahrprofilen gespeichert und in der gewünschten Geschwindigkeit abgefahren werden.

Förderdrücke bis 400 bar möglich

Prominent nutzt beim Linearantrieb neben dem langen Hubweg dessen hochdynamische Bewegungs- und Geschwindigkeitsabläufe sowie die relativ geringe Läuferkraft in Kombination mit einer Hydraulik-Membran-Dosiereinheit. Mit der hydraulischen Kolben-Kraftuntersetzung sind hohe Förderdrücke von bis zu 400 bar realisierbar. Die große Hublänge ermöglicht trotz des geringen Kolbendurchmessers ein sinnvoll nutzbares Hubvolumen. Gleichzeitig lässt sich dadurch der Hubkolben sehr präzise positionieren. Das spiegelt sich in einer sehr hohen Genauigkeit des Dosierstroms wieder. Umgesetzt wurde das mit der Hochdruck-Hydraulikmembranpumpe Orlita Evolution mikro. Sie ist speziell für den Klein- und Kleinstmengenbereich von 0,01 bis 20 l/h bei bis zu 400 bar geeignet. Ihr großer Volumenstrom-Regelbereich von bis zu 1:200, ihre hohe Positioniergenauigkeit im µm-Bereich sowie ihre einfache Regelbarkeit und der hohe Gleichlauf erschließen der Pumpe eine Vielzahl an Applikationen. Typische Anwendungen sind die Additivdosierung in Chemie, Petrochemie und Nahrungsmittelbranche, Gasodorierung, allgemeine Abfüllprozesse in der Industrie und universelle Laboranwendungen.

Individuell und applikationsoptimiert

Gerade im Bereich der Klein- und Kleinstmengendosierung in Kombination mit mittleren und hohen Drücken ist ein individuelles / applikationsoptimiertes System notwendig. Demzufolge darf die Frage nicht mehr sein: „Was kann die Dosierpumpe?“, sondern „Wie muss das kinematische Dosierprofil aussehen, um ein optimales Dosierergebnis zu erhalten?” Mit einem dynamischen und präzisen Antrieb wie einem Linearmotor lassen sich genau diese Anforderungen nach individueller Anpassung und Optimierung erfüllen.