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Magnetkupplung für Pumpen

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07.10.2008 Pumpen mit berührungslosem Magnetkupplungs-Antrieb kommen dann zum Einsatz, wenn gesundheits- und umweltgefährdende Stoffe gefördert werden, aber auch wenn eine Reaktion des Fördermediums mit Luft vermieden werden soll. Häufig ist auch ein „Nebeneffekt“ wichtiger Faktor für den Einsatz: Magnetkupplungen können prinzipbedingt als Überlastsicherung eingesetzt werden.

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Entscheider-Facts Für Betreiber



  • Bei Pumpen, Rührwerken oder Mischern, die aggressive oder umweltschädigende Medien fördern und verarbeiten, sind technisch dichte Pumpen wie zum Beispiel Pumpen mit Magnetkupplung oder Pumpen mit Mehrfach-Gleitringdichtungen einzusetzen.
  • Pumpen mit Magnetkupplungen bieten ein deutlich höheres Sicherheitsniveau.
  • Darüber hinaus erfolgt die Kraftübertragung vibrationsarm; dies erhöht die Einsatzdauer des gesamten Systems.
  • Pumpen mit Magnetkupplungen werden auch dann eingesetzt, wenn man einen Kontakt mit dem Fördermedium vermeiden muss.

Bei Pumpen, Rührwerken oder Mischern, die aggressive oder umweltschädigende Medien fördern und verarbeiten, können nicht nur Leckagen, sondern auch gasförmige Emissionen schwerwiegende Folgen haben. Daher muss der Produktraum von der Umgebung isoliert werden. So fordert es auch die TA Luft für Pumpen, die umwelt- oder gesundheitsgefährdende Stoffe fördern. In diesem Fall, so heißt es in der TA Luft, sind technisch dichte Pumpen wie zum Beispiel Pumpen mit Magnetkupplung oder Pumpen mit Mehrfach-Gleitringdichtungen einzusetzen.

Verschleißfreie Alternative zurGleitringdichtung

Dass sich viele Konstrukteure in diesem Fall bei der Auslegung des Antriebs für eine konventionelle Wellenabdichtung entscheiden werden, hat auch damit zu tun, dass diese Dichtung die am weitesten verbreitete und zugleich auch eine kostengünstige Lösung ist. Allerdings werden Gleitringdichtungen dynamisch beansprucht und sie unterliegen Verschleiß, so dass sie Service-Aufwand erfordern und man zudem eine gewisse Leckrate des Fördermediums bzw. von gasförmigen Emissionen nicht ausschließen kann. Das gilt auch dann, wenn man diese Dichtungen in Verbindung mit einem Leckageüberwachungssystem einsetzt: Dann werden Leckagen zwar schnell detektiert, aber nicht von vorneherein verhindert. Es bleibt also ein Restrisiko an der kritischen Verbindung der Drehmomentübertragung vom Antriebsaggregat zum Pumpenrotor.

Die Alternative, die sich dem Konstrukteur hier bietet, wird in der TA Luft genannt: Pumpen mit Magnetkupplungen bieten ein deutlich höheres Sicherheitsniveau. Denn die Magnetkupplung gewährleistet eine berührungslose Drehmomentübertragung durch Magnetkraft und schafft damit die Voraussetzung für eine hermetische Trennung von Antrieb und Pumpenraum.
Eine Magnetkupplung wie die Minex-S besteht aus einem äußeren und inneren Rotor, die durch einen Spalttopf voneinander getrennt sind. Beide Rotoren sind mit Magneten bestückt, die für die Kraftübertragung zuständig sind . Der aus konventionellem Stahl gefertigte Außenrotor ist in der Regel antriebsseitig befestigt, während der in Edelstahl ausgeführte Innenrotor auf der Abtriebsseite montiert wird.
Im Ruhezustand des Antriebs stehen sich die jeweiligen Nord- und Südpole der Rotoren gegenüber, und das Magnetfeld ist vollkommen symmetrisch. Wenn der Antrieb anläuft, werden die Magnetfeldlinien ausgelenkt. Auf diese Weise können Drehmomente über den Luftspalt übertragen werden, und es stellt sich ein synchroner Betrieb unter einem konstanten Verdrehwinkel ein. Einfacher ausgedrückt: Der Innenrotor wird durch die Magnetkräfte von dem sich drehenden Außenrotor „mitgenommen“, und zwar synchron: Die Rotationsgeschwindigkeit des Innenrotors entspricht exakt der des Außenrotors.
Der Spalttopf, der An- und Abtrieb trennt und fest am abtriebsseitigen Aggregat fixiert ist, sorgt für die Trennung von Produktraum und Atmosphäre. Die Abdichtung erfolgt statisch zum Beispiel mit einem O-Ring oder einer Flachdichtung. Auf dynamisch belastete Dichtungen kann man völlig verzichten. Als Materialien für den Spalttopf kann der Anwender zwischen Edelstahl (1.4571), Hastelloy, Keramik und PEEK wählen.

„Eingebaute“ Dämpfung undÜberlastsicherung

Der primäre Grund für den Einsatz von Magnetkupplungen ist das Vermeiden von Leckagerisiken. Die berührungslose Drehmomentübertragung bietet aber noch weitere Vorteile. So erfolgt die Kraftübertragung vibrationsarm, weil es keine mechanische Verbindung zwischen Antrieb und Pumpenrotor gibt. Das erhöht die Einsatzdauer des gesamten Antriebssystems. Darüber hinaus bieten die Magnetkupplungen den Vorteil einer „eingebauten“ Überlastsicherung: Wenn das maximale Kupplungsdrehmoment und der maximale Verdrehwinkel überschritten werden sollten, wird die Kraftübertragung einfach unterbrochen. Dabei spielt es keinerlei Rolle, ob die Überlast antriebs- oder abtriebsseitig aufgetreten ist. Nach der Beseitigung der Ursache für die Überlast können die beiden Rotoren wieder synchronisiert und neu beschleunigt werden.

Derartige Magnetkupplungen eignen sich auch für die Übertragung höherer Drehmomente: Die Minex-S wird in der Standardbaureihe für Drehmomente bis 530 Nm gefertigt. Der in vielen Einsatzbereichen von Pumpen geforderte Explosionsschutz ist ebenfalls gewährleistet: Die Kupplung ist für den Einsatz in Gas-Ex-Zone 2 zertifiziert. Die größeren Standardvarianten dieser Pumpe können mit einem Keramikspalttopf aus Zirkonoxid (ZrO2MgO) bestückt werden. Dieser Werkstoff bietet gegenüber metallischen Werkstoffen den Vorteil, dass er keine Wirbelstromverluste erzeugt und somit keine zusätzliche Wärme in die Kupplung einbringt. Daher benötigt man auch keinen internen Kühlkreislauf. Zugleich ist der Wirkungsgrad höher, und das Auslegungsmoment kann in der Praxis um 10 bis 15 % reduziert werden.

Systemlösungen für Spezialanwendungen und Nachrüstung

Neben dem Standardprogramm stehen auch anwendungsspezifische Sonderbauformen, beispielsweise für höhere Drehmomente oder Spalttöpfe für höhere Drücke, zur Verfügung. Gerade bei sicherheitskritischen Anwendungen sind auch komplette Systemlösungen mit angrenzenden Komponenten gefragt, etwa mit Pumpenträgern, Fußflanschen oder Dämpfungselementen. Und für die verschiedensten Pumpentypen, wie beispielswesie Dosier-, Kreisel-, Zahnrad-, Schraubenspindelpumpen etc., stehen einbaufertige Komplettlösungen mit Adaptern zur Verfügung, um Pumpen mit ursprünglich konventioneller Wellenabdichtung nachträglich auf die Magnetkupplungen umzurüsten.

Zu den Anwendungsfeldern von Magnetkupplungen gehört neben der Chemieproduktion auch die Schiffstechnik. So wird die Pumpe unter anderem in Homogenisiergeräten eingebaut, mit denen der Treibstoff von Schiffsdieseln aufbereitet wird. Damit optimiert man den Verbrennungsprozess des Schweröls und senkt Schadstoffemissionen. Ein weiteres breites Anwendungsfeld sind trockenlaufende Antriebe zum Beispiel von Kompressoren und Vakuumpumpen. Da die Nenndrücke hier gering sind, kommen häufig Spalttöpfe aus PEEK zum Einsatz. Auch in Mischern und Rührwerken der chemischen Verfahrenstechnik verwendet man Magnetkupplungen, um Leckagen zu vermeiden.

Auch für die Prozesssicherheit

Pumpen mit Magnetkupplungen kommen aber nicht nur dann zum Einsatz, wenn kein Medium austreten darf, sondern auch in solchen Fällen, wenn man einen Kontakt des Fördermediums mit Luft vermeiden muss. Hier ist dann die Prozesssicherheit der treibende Faktor bei der Auswahl der Abdichtung. Dies gilt zum Beispiel für die Dosierpumpen in den PU-Schäumanlagen der Kunststoffindustrie. Diese Pumpen fördern Polyol und Isocyanat. Beide Medien können bei Luftkontakt innerhalb der Pumpe kristallisieren und so kostspielige Stillstandszeiten und Produktionsausfälle verursachen. Aus diesem Grund verwendet man auch hier Magnetkupplungen; es gibt für gängige Dosierpumpentypen Standardbausätze, die die Integration in das Pumpensystem vereinfachen.

Wie vielseitig das Wirkprinzip der berührungslosen Drehmomentübertragung durch Magnetkraft ist, zeigt ein weiteres Einsatzfeld von Magnetkupplungen. Wenn man auf den Spalttopf verzichtet und statt dessen die innere Lauffläche des Außenrotors mit einem sogenannten Hysteresering ausstattet, erhält man auf ganz einfache Weise eine verschleißfreie Asynchron- bzw. Schlupfkupplung; sie kommt beispielsweise in Auf- und Abwickelanlagen des Textilmaschinenbaus zum Einsatz. Bis zum maximal übertragbaren Drehmoment arbeitet die Kupplung synchron, dann geht sie in den Schlupfbetrieb über. Auf diese Weise vermeidet man, dass der Faden bzw. die Faser reißt. Ein weiterer Einsatzbereich für derartige Hysteresekupplungen oder Hysteresebremsen sind Getränkeabfüllanlagen. An dieser Stelle sorgt die Magnetkupplung dafür, dass beim Aufschrauben von Flaschenverschlüssen keine Beschädigungen an den Flaschengewinden auftreten.

Heftausgabe: Oktober 2008
Marco Vorholt , Produktmanager Magnetkupplungen, KTR Kupplungstechnik

Über den Autor

Marco Vorholt , Produktmanager Magnetkupplungen, KTR Kupplungstechnik

Marco Vorholt , Produktmanager Magnetkupplungen, KTR Kupplungstechnik

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