Reibungslos im Hygienic Design

Magnetische Getriebemotoren für Lebensmittelprozesse

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30.10.2019 Magnetische Getriebemotoren bieten durch ihre berührungslose Kraftübertragung eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Zahnradgetriebemotoren. Für den Einsatz in Bereichen der Nahrungsmittelproduktion besitzt insbesondere die Schmierstofffreiheit einen hohen Stellenwert.

Entscheider-Facts

  • Magnetische Getriebemotoren arbeiten berührungslos und kommen dadurch verschleißfrei ohne Schmierstoffe aus. Dadurch sind sie für viele Hygieneprozesse eine geeignete Alternative zu Zahnradgetrieben.
  • Aus der langen Lebensdauer, der hohen Effizienz und dem geringen Kontaminationsrisiko der Magnetgetriebemotoren-Technik entstehen deutliche Einsparpotienziale. Hinzu kommen weitreichende Anpassungsmöglichkeiten an spezielle Anforderungen.
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Magnetgetriebemotoren sind geeignete Antriebslösungen für Hygieneanwendungen, die hohe Drehzahlen, hohe Effizienz oder einen
geringen Geräuschpegel erfordern. Bild: Georgii Kobold/Traffic AfWK&D/Can Stock Photo Inc.

Beim Magnetgetriebemotor reduziert sich die Schmierung auf eine lebensmitteltaugliche Wälzlagerschmierung, was das Risiko einer Kontamination der verarbeitenden Lebensmittel minimiert. Je nach Anwendung kann auch eine schmierstofffreie Lagerung eingesetzt werden. Die Magnetgetriebemotoren sind dann komplett schmierstofffrei.

Auslegung magnetischer Getriebe

Vor diesem Hintergrund zeigen die Spezialisten des in Horb ansässigen Unternehmens Georgii Kobold eine Reihe von Antriebs-Lösungen auf, die vom Material über den Aufbau der Oberfläche bis hin zur Reinigung den unterschiedlichen Anforderungen im Hygienic Design gerecht werden, entsprechend EHEDG Kriterien zertifiziert werden können und durch ein Open Design konstruktive Freiheiten ermöglichen.

Magnetische Getriebe von Georgii Kobold lassen sich analog zu Planetenradgetrieben auslegen und einsetzen. So ist durch die geeignete Wahl der Polpaarzahlen und der Anzahl der Modulatorsegmente die Übersetzung exakt definierbar. Magnetische Getriebe weisen hierbei den Vorteil auf, hohe einstufige Übersetzungen, bis zu i≥1:15, realisieren zu können. Die maximale Übersetzung hängt dabei von der Baugröße des Getriebes ab, da die Pole und Modulatorsegmente fertigungstechnisch nicht beliebig klein ausgeführt werden können. Sie sind auch hinsichtlich des übertragbaren Drehmoments skalierbar. Es gilt dabei eine kubische Proportionalität zum Volumen des Getriebes: Verdoppelt sich so das Volumen des Getriebes, verachtfacht sich das übertragbare Drehmoment.

Hoher Wirkungsgrad, niedrige Lautstärke

Durch die berührungslose Kraftübertragung zeigt sich bei Magnetgetriebemotoren ein sehr hoher Wirkungsgrad über 99,5 %. Lediglich Eisenverluste (Hystere- und Wirbelstromverluste) reduzieren den Wirkungsgrad. Im Standardanwendungsfall bei Eingangsdrehzahlen unter 8.000 U/min sind diese sehr gering. Interessant ist dabei, dass sich das Getriebe auch bei Nennlast nur minimal um 1 bis 2 °C erwärmt. Besonders vor dem Hintergrund eines schwierigen Temperaturmanagements von Edelstahlgetriebemotoren eröffnet dies Gestaltungsspielräume.

Die Lebensdauer der magnetischen Getriebe wird alleine durch die Auslegung der Lagerung bestimmt, denn die Getriebe sind durch die berührungslose Kraftübertragung verschleißfrei. Da An- und Abtriebswelle mechanisch getrennt sind, kann das Getriebe auch beliebig häufig überlastet werden. Bei Überlast rutschen die Magneträder zur nächsten Polteilung, ohne das Getriebe zu beschädigen. Zudem sind die magnetischen Getriebe verdrehspielfrei, da immer alle Magnete der Magneträder über die magnetischen Feldkräfte „in Kontakt“ sind. Dadurch eignen sie sich auch für nicht-dynamische Positionieraufgaben. Dafür kann auf der Getriebeabtriebsseite ein Gebersystem integriert werden, was auch den Nachteil der kleineren Verdrehsteifigkeit kompensiert.

Magnetgetriebe lassen sich mit sehr hohen Drehzahlen betreiben. Die Eingangsdrehzahlen sind primär nur durch die Lagerung und mechanische Belastbarkeit der Räder begrenzt. Im Gegensatz zu konventionellen Getrieben schränkt die „magnetische Verzahnung“ die mögliche Betriebsdrehzahl nicht ein. Auch hinsichtlich der Geräuschentwicklung unter Last können die magnetischen Getriebe eine Alternative zu Zahradgetrieben sein. Durch die berührungslose Kraftübertragung erreichen sie einen Geräuschpegel < 60 dB(A), was der Lautstärke eines Gesprächs entspricht.

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Die drei wesentlichen Komponenten eines Magnetgetriebes, in der hier vorgestellten Ausführung koaxial zueinander angeordnet, sind das äußere Magnetrad, der Modulator und das innere Magnetrad. Bild: Georgii Kobold

Sicherheit durch hohe Prozesstiefe

Ob für prozessnahe oder prozessintegrierte Umgebungen, die Georgii Kobold Hygienic Design Antriebe werden konsequent nach den Gestaltungskriterien für hygienegerechte Maschinen, Apparate und Komponenten der EHEDG für die entsprechenden Prozesszonen konstruiert und gefertigt. Abhängig von Umgebungs-bedingungen und eingesetzten Reinigungsmitteln verwendet der Hersteller Edelstahl der Güte AISI 304 oder AISI 316 bzw. DIN 1.43xx bzw. DIN 1.44xx.

Die Getriebemotoren besitzen keine Totwinkel und die Oberflächenrauigkeit erreicht Ra≤0,8µm. Um Metall-Metall-Fügeflächen zu vermeiden, werden an den Verbindungsstellen der Bauteile Dichtungsringe aus Ethylen Propylen Diene Monomer (EPDM) eingesetzt. Es wird ein A-seitiger Wellendichtring verwendet, der frei von Totwinkeln ist und hohe Schutzarten ermöglicht. Die Getriebemotoren sind so bis zur Schutzart IP66K / IP69K erhältlich. Des Weiteren verfügen die Motoren über Kabelverschraubungen im Hygienic Design. Um dem Anwender größere Freiheiten in der Auswahl des Feedbacksystems zu bieten, ist als Standard eine Zweikabel-Lösung vorgesehen – Einkabellösungen sind auf Wunsch ebenfalls möglich. Um eine Demontage im Servicefall zu erleichtern, wurde auf den Einsatz von Klebstoffen komplett verzichtet. Gleichzeitig besitzen die Magnetgetriebemotoren auch keinerlei von außen sichtbare Schrauben. So existieren auch keine Angriffsflächen für Mikroorganismen durch außenliegende Schraubverbindungen.

Von der Entwicklung über das Stanzen, Gießen, Wickeln bis hin zur Montage und dem Lackieren laufen die Arbeitsschritte zur Herstellung des Motors im eigenen Betrieb. Ohne lange Lieferketten bleibt die Verantwortung über nahezu den gesamten Produktionsablauf im Haus. Prozesse zur Rückverfolgbarkeit von Produkten und prozessbegleitendes Prüfen werden unmittelbar durchgeführt; neben einem ausgereiften Qualitätsmanagement sowie einer 100%igen Endkontrolle sind das wichtige Punkte zur Sicherstellung eines einwandfreien Produkts. Diese weitreichende Fertigungstiefe ermöglicht größere Flexibilität in der Motorgestaltung. Maßgeschneiderte und dabei kostengünstige Antriebe sind möglich – dabei greift der Hersteller auf möglichst viele Standardkomponenten zurück. Auf Basis von Standardblechschnitten und dem Vorteil von Werkzeugen, die für große Serien gebaut wurden, lassen sich passgenaue Antriebslösungen realisieren, auch in geringer Stückzahl und ohne eine komplette Neuentwicklung des Motors.

Funktionsprinzip von Magnetgetrieben

Magnetgetriebe bestehen aus drei Komponenten, dem äußeren Magnetrad, dem Modulator und dem inneren Magnetrad:
Das äußere Magnetrad hat eine ähnliche Funktion wie das Hohlrad eines Planetenradgetriebes. In der vorgestellten Ausführung steht es fest. Auf diesem Rad sind Permanentmagnete wechselnder Magnetisierung aufgebracht, die eine Art „magnetische Verzahnung“ bilden. Das Getrieberad ist gekennzeichnet durch eine Polpaarzahl p_AM.
Der Modulator zeichnet sich durch den Wechsel von magnetisch leitfähigen und nicht leitfähigen Segmenten aus und dient der magnetischen Flusslenkung. Er besitzt kinematische Ähnlichkeiten mit einem Planetenradträger. Die Anzahl der leitfähigen Segmente n_MOD ist signifikant für die Funktion des Getriebes.
Das innere Magnetrad ähnelt in der Funktion dem Sonnenrad eines Planetenradgetriebes. Elektromechanisch ist es wie der Rotor eines Synchron-Elektromotors aufgebaut, d.h. auf ihm sind Magnete mit wechselnder Polarität angeordnet und es besitzt eine definierte Polpaarzahl p_IM.
Die Übersetzung des Getriebes ist durch das Verhältnis n_MOD zu p_IM oder die Beziehung i=(p_AM/p_IM)+1 definiert. So sind beliebige Übersetzungen möglich. Kinematisch besitzen die magnetischen Getriebe hohe Ähnlichkeiten mit Planetenradgetrieben; Elektromagnetisch sind große Ähnlichkeiten mit Elektromotoren vorhanden.

 

 

 

Heftausgabe: November 2019

Über den Autor

Andreas Vonderschmidt, Georgii Kobold; H. v. Kaltenberg-Neyvern, Traffic AfWK&D
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