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Lüfter mit verschleiß­freier Auslauf­bremse

Mehr Sicher­heit und Förder­menge, weniger Verwir­be­lung und Betriebs­ge­räusch


Lüfter gehören heute bei fast allen indus­tri­ellen Anlagen zur Stan­dard­aus­stat­tung. Sie kühlen, saugen ab, regu­lieren Luft­feuchte und vieles mehr. Der Nutzen liegt auf der Hand, kompakte Abmes­sungen und hohe Förder­leis­tung bei geringem Strom­ver­brauch bringen aber auch Einschrän­kungen bei der Sicher­heit. Ein normaler Lüfter läuft heute mit relativ hoher Dreh­zahl. Durch die leicht­gän­gigen Lager bedeutet das eine lange Auslauf­zeit, wenn der Lüfter abge­schaltet wird. Da rotie­rende Teile immer Verlet­zungs­ge­fahr mit sich bringen, wird die Sicher­heit über Schutz­gitter gewähr­leistet. Diese bringen aber aero­dy­na­mi­sche Nach­teile mit sich. Ein neuer Ansatz, der bei höherer Sicher­heit diese Nach­teile vermeidet, ist eine aktive Bremse im Lüfter. Wird der Lüfter ausge­schaltet, redu­ziert die verschleiß­freie elek­tro­ni­sche Bremse die Auslauf­zeit auf weniger als zwei Sekunden. Die kine­ti­sche Energie wird schnell abge­baut, das Verlet­zungs­ri­siko dras­tisch redu­ziert.

Bild 1: Der neue Lüfter mit inte­grierter Bremse Action­Brake baut genauso kompakt wie die herkömm­li­chen Modelle.

Rotie­rende Massen spei­chern Energie. Diese Eigen­schaft, die bei Schwung­rä­dern gewünscht ist, wird bei anderen Rotoren zur Gefah­ren­quelle. Dies trifft auch für Lüfter zu, deren Läufer die Energie des Motors durch Flügel auf die Luft über­tragen. Mit hoher Dreh­zahl lassen sich bei kompakten Abmes­sungen große Luft­vo­lu­mina bewegen. Gleich­zeitig steigt aber auch die gespei­cherte Energie im Lüfterrad und damit das Gefah­ren­po­ten­tial. Zum Schutz bietet der Lüfter­spe­zia­list ebm-papst aus St. Georgen nun neben Schutz­git­tern eine neue, aero­dy­na­misch bessere Alter­na­tive: die im Lüfter­motor inte­grierte aktive Bremse Action­Brake. Sie redu­ziert die Dreh­zahl in weniger als zwei Sekunden auf unge­fähr­liche Werte ohne dabei wie ein Schutz­gitter zusätz­li­chen Bauraum zu benö­tigen bzw. einen zusätz­li­chen Luft­wi­der­stand zu erzeugen (Bild 1). Ein Stan­dard­lüfter im Vergleich benö­tigt ohne Bremse 20 Sekunden um die Dreh­zahl auf unge­fähr­liche Werte zu redu­zieren.

Stand der Technik

Bild 2: Deut­lich sichtbar, Schutz­gitter fallen nicht nur optisch auf, sie behin­dern auch den Luft­strom

Schaltet ein Service­tech­niker ein Gerät aus und öffnet es, stellen die rotie­renden Läufer der Lüfter ein erheb­li­ches Gefah­ren­po­ten­tial dar. Dies gilt beson­ders für moderne Kompakt­lüfter, die mit hoher Dreh­zahl arbeiten, um hohen Gegen­druck zu über­winden oder einen großen Luft­strom zu erzeugen. Gleich­zeitig arbeiten in den Lüftern reibungs­arme Lager, um die Ener­gie­ef­fi­zienz und auch die Lebens­dauer zu erhöhen. Als Folge davon sorgt die gespei­cherte Energie im Rotor für lange Auslauf­zeiten. Wird dann die Rota­tion durch einen Gegen­stand oder gar einen Finger plötz­lich gestoppt, entlädt sich die kine­ti­sche Energie schlag­artig. Das führt zu Beschä­di­gungen oder schlimmsten Falls zu Verlet­zungen. Um dies zu vermeiden, ist es Vorschrift, bei schnell zugäng­li­chen Lüftern einen Berüh­rungs­schutz, also Schutz­gitter einzu­setzen (Bild 2). Gerade bei Hoch­leis­tungs­lüf­tern wird so aber ein Teil der ausge­feilten aero­dy­na­mi­schen Eigen­schaften wieder zunichte gemacht. Das Gitter erzeugt Verwir­be­lungen und damit Lärm, Gegen­druck und als Folge davon eine gerin­gere Förder­leis­tung. Das Gitter wirkt also als Ener­gie­ver­nichter, wie eine dauernd leicht ange­zo­gene Bremse. Die höhere Dreh­zahl erzeugt dabei noch­mals zusätz­li­chen Lärm (Tabelle 3a, Bild 3b).

Sicher­heit ohne externe Bauteile

Tabelle 3a: Schall­leis­tungs­pegel im Vergleich; Lüfter mit Schutz­gitter und Lüfter ohne Schutz­gitter

Der neue Ansatz geht nun von einer inte­grierten Schnell­brem­sung über den Lüfter­an­trieb aus. Das bedeutet, im Dauer­be­trieb werden keine störenden Hinder­nisse mehr einge­setzt, der Lüfter kann mit opti­malem Wirkungs­grad arbeiten. Das spart zudem noch Monta­ge­auf­wand und erleich­tert den Einbau. Das Prinzip hinter der verschleiß­freien Bremse ist einfach und bewährt: Der Motor wird zum Gene­rator und der erzeugte Strom dann in Wärme umge­wan­delt. Die Technik bietet dabei verschie­dene Möglich­keiten für die Ausfüh­rung: Für höhere Leis­tungen sind externe Brems­wi­der­stände nötig, kleine Leis­tungen nutzen die Motor­wick­lungen über Kurz­schluss­schal­tung als Brems­wi­der­stand. Für die Lüfter­ex­perten stellte sich daher die Aufgabe, die Action­Brake optimal auf die Belange der Lüfter auszu­legen und möglichst auf externe Bauteile zu verzichten. Als opti­male Vari­ante stellte sich in Versuchs­reihen die Kurz­schluss­schal­tung der Motor­wick­lungen heraus. Aller­dings können dabei anfangs bei hoher Dreh­zahl durch die Induk­tion sehr große Ströme auftreten. Das bedeutet, dass die Wick­lungen kurz­fristig eine hohe Wärme­be­las­tung aushalten und die Steue­rungs­tran­sis­toren für diese Impuls-Ströme ausge­legt werden müssen. Zusätz­lich bedeuten hohe Ströme in Spulen immer ein starkes (Gegen-)Magnetfeld. Es besteht also die Gefahr, die Magneten im Rotor zu entma­gne­ti­sieren. Diese Probleme sind durch geeig­nete Bauteil­aus­wahl und Ausle­gung der Magnete gelöst. Der Brems­lüfter arbeitet daher so zuver­lässig und lang­lebig wie gewohnt.

Bild 3b: Betriebs­kenn­li­nien im Vergleich; Lüfter mit Schutz­gitter und Lüfter ohne Schutz­gitter

Wird die Betriebs­span­nung ausge­schaltet, geht die Elek­tronik in den Brems­modus. Sie zehrt dabei aus dem gela­denen Glät­tungs­kon­den­sator ihrer Strom­ver­sor­gung. Um die Funk­tion, also die Ansteue­rung der Kurz­schluss­tran­sis­toren der Elek­tronik, bis zum Still­stand des Rotors aufrecht­zu­er­halten, wird der Konden­sator bei nach­las­sender Span­nung durch kurze Lade­im­pulse aus dem „Brems­ge­ne­rator“ wieder aufge­laden. Dazu wird der Brems-Kurz­schluss kurz­zeitig aufge­hoben. Bei einem typi­schen Lüfter sind so Brems­zeiten von unter drei Sekunden möglich. Aus der inneren Wärme­ka­pa­zität der Bauteile und der maxi­malen Brems­energie ergibt sich dann ein Tempe­ra­tur­ni­veau, das sicher unter der maxi­malen Betriebs­tem­pe­ratur der einge­setzten Kompo­nenten liegt. So ist ein lang­jäh­riger, störungs- und wartungs­freier Betrieb sicher­ge­stellt. Die neue aktive Brem­sung bei Abschal­tung der Strom­ver­sor­gung am Lüfter eröffnet dem Anwender neue Möglich­keiten. Kurz gesagt, der Brems­lüfter bringt gleich eine ganze Reihe von Vorteilen auf einmal: Verzicht auf Schutz­gitter sowie deren Montage, dabei weniger Geräusch, bessere Leis­tung und gerin­gere Kosten durch gerin­geren Strom­ver­brauch. Auch bei der Logistik macht sich die gerin­gere Teile­zahl positiv bemerkbar. Die neuen Brems­lüfter sparen also Zeit und Geld und das bei gleich­blei­bendem Sicher­heits­ni­veau.

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