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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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