Derartige Nachteile vermeiden aktive und passive Magnetlager, die sich gleichfalls für Linearsysteme eignen. In ihnen trägt den ferromagnetischen Körper Welle ein ggf. geregeltes, magnetisches Feld berührungsfrei, stabil und mit hoher Präzision. Ungewollte Bewegungen werden in allen Freiheitsgraden eingeschränkt. Für die schwebende Lagerung existiert ein breites Anwendungsfeld. Schmier- und wartungsfreie Kunststoffgleitlager bilden eine ernsthafte Konkurrenz.

Magnetlager (magnetic bearings) lassen sich in elektrische Motoren integrieren. Die folgenden Ausführungen konzentrieren sich auf rotierende Maschinen. Lineare Applikationen (zum Beispiel Magnetschwebetraktion) bleiben unberücksichtigt. Industrielle Nutzungen dieser Technik sind seit den dreißiger Jahren des vorigen Jahrhunderts bekannt (hochtourige Gaszentrifugen, Schwebefahrzeuge in der Verkehrs- und Militärtechnik).

Bild 2: Magnetisches Schweben (F magnetische Kraft), Prinzip mit translatorisch bewegtem Körper.

Funktionsweise
Im Magnetlager schwebt mittels anziehender und abstossender Feldkräfte, die Elektro- oder Permanent-Magnete erzeugen, ein rotierender Körper im Raum (Bild 2). Mit aktiven oder passiven Konstruktionen lassen sich sowohl Radial- als auch Axiallager (Bild 3a+b) herstellen. Zwei Radial-, ein Axialgebilde stabilisieren eine Welle in allen Freiheitsgraden (Bild 4). Ihr Aufbau entspricht prinzipiell einer Innen- beziehungsweise Außenpolmaschine.

Aktive Magnetlager
Als typische mechatronische Lösung erfordern ihre Magnetkräfte zum Stabilisieren eine aktive, meist digitale, zugleich innerhalb einer Gesamtanlage kommunikationsfähige Regelung.

Bild 3a: Magnetlagertypen: Radiallager. (Quelle: Reto Schöb, http://n.ethz.ch/...Theorie und Praxis der Magnetlagertechnik – eine kurze Einführung)

Jeder Freiheitsgrad benötigt eine gesonderte Lageregelung (Bild 5) mit gegenüberliegenden oder anders räumlich angeordneten Spulen. Mindestens ein Axiallager gehört dazu, um ein Kippen des Rotors zu unterbinden. Hochgenaue Sensoren erfassen (berührungsfreie Distanzmessung mit: Ultraschall, Magnetfeld – Hall-, GMR-Effekt, elektromagnetischem Feld; induktivem Verfahren, optischem und kapazitivem Geber) die Läuferposition. Der Lageregler vergleicht den Ist- mit dem Soll-Lagewert. Anschließend geht die dynamisch verarbeitete Abweichung als Stellsignal über einen Stromrichter zum Elektromagneten. Sowohl Rotorposition als auch Lagersteifigkeit und -dämpfung beeinflusst der ausgelöste Stromfluss. Zudem lässt sich die rotierende Welle verschieben.

Da Magnetlager ähnlich wie elektrische Motoren aufgebaut sind, nutzen derartige Querkraftmaschinen Komponenten der Antriebstechnik. Die Integration beider Systeme bietet sich an. Solche Typen erzeugen auf den Rotor wirkend gleichzeitig Drehmoment und Lateralkräfte zur Aufhängung der Welle. Dazu trägt der Ständer neben der Antriebswicklung ein weiteres Wicklungssystem.

Bild 3b: Magnetlagertypen: Axiallager. (Quelle: Reto Schöb, http://n.ethz.ch/...Theorie und Praxis der Magnetlagertechnik – eine kurze Einführung)

Aktive Lager müssen dauerhaft mit elektrischer Energie versorgt werden. Deshalb sind sie trotz Versorgungssicherheit, höchster Zuverlässigkeit von Steuerung und Stellglied mit konventionellen, mechanischen Fanglagern vor Störungen in diesen Einrichtungen zu schützen.

Passive Magnetlager
Solche Radial- und Axiallager verzichten wegen der an- und abstoßenden Kräften infolge der Wechselwirkung zwischen den Magneten auf die aktive Regelung. Folgende Bauarten sind bekannt:

• permanentmagnetische Lager (Bild 6),
• Kombinationen mit supraleitenden Materialien.

Bild 4: Fünf Freiheitsgrade (exlusive der Rotation) einer Welle. (Quelle: http://levitec.lt-i.com/)

Neuerdings werden Permanentmagneten vorteilhaft in aktive Lager integriert.

Lagereigenschaften
Magnetische Systeme arbeiten verschleiß- und wartungsfrei. Außerdem verzichten sie auf Schmiermittel. Wegen fehlender Reibung erwärmen sie sich kaum. Zu weiteren Pluspunkten gehören: thermische, elektrische und mechanische Isolation zwischen Lager und gelagertem Körper, Eignung für hohe Drehzahlen, fehlender Abrieb (Einsatz für staubfreie Umgebung), hermetische Kapselbarkeit, höhere Lebensdauer, Lagerkraftsteuerung und elektronische Überwachung, Unwuchtkompensation (nur bei aktiven Systemen). Daneben stehen Nachteile wie Komplexität, Kosten/Aufwand, Platz- und Hilfsenergiebedarf.

Anwendungen
Versagen konventionelle Lager bieten sich Magnetlager als Alternative. Zudem steigt das Interesse an Antrieben mit Lagerkraftmaschine.

Bild 7: Größenvergleich 3 kW Normmotor – hochtourige, magnetgelagerte Maschine. (Quelle: Reto Schöb, Dissertation eth Zürich; www.n.ethz.ch)

Typische Einsatzfelder sind Prozesstechnik (Bild 7; Pumpen, Verdichter, Zentrifugen, Direkt-/Antriebe, Drehgeber, Scheibenläufermotore), Gaswirtschaft, Reinraumtechnik, Chemie-, Lebensmittelindustrie, Werkzeugmaschinen, Energieversorgung (rotierende Speicher).

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause