Die grundsätzliche Funktionsweise einer Zentrifuge ist schnell erklärt: Durch schnelles Schleudern trennt sie die Bestandteile von Suspensionen und Emulsionen. Benötigt werden solche Geräte sowohl in medizinischen Laboren als auch in der Forschung – zum Beispiel für die Untersuchung von Blutproben und Zellkulturen oder in der Mikro- und Molekularbiologie. Auf dem Markt erhältlich sind größere Standzentrifugen oder Tischmodelle mit einer kleinen Stellfläche. „Wir beliefern schon seit vielen Jahren Hersteller von Tischzentrifugen mit passenden Antriebslösungen“, sagt Wolf Meyer, Produktmanager bei der Vertriebsgesellschaft von Groschopp. „Über die Zeit haben wir in diesem Bereich einiges an Erfahrung gesammelt.“
Vorteile von Induktionsmotoren
Dabei kommen insbesondere Induktionsmotoren von Groschopp zum Einsatz – ein für Zentrifugen besonders beliebter Motorentyp mit wesentlichen Vorteilen: Weil die einzigen Verschleißteile die Lager der Welle sind, ist diese Antriebslösung nahezu wartungsfrei. Zudem lassen sich Induktionsmotoren einfach durch Frequenzumrichter regeln. Eine Alternative sind Synchron-Reluktanzmotoren: Sie sind ebenfalls wartungsfrei, erzielen hohe Beschleunigungen und haben einen hohen Wirkungsgrad. Der Antrieb wird kompakter, was in der Praxis viele Vorteile hat. Allerdings sind bei diesen Antriebsmodellen spezielle Umrichter für die Regelung nötig. Kommutatormotoren hingegen lassen sich einfach und kostengünstig regeln. Aufgrund des Bürstenverschleißes ist eine regelmäßige Wartung aber unabdingbar. Deshalb werden sie heute immer seltener eingesetzt.
Anforderungen an die Antriebstechnik
Egal, für welchen Motortyp sich der Anwender jeweils entscheidet – die Antriebslösung muss immer den speziellen Anforderungen von Zentrifugen entsprechen. Besonders wichtig ist, dass sie die benötigten Drehzahlen ermöglicht – in regulären Tischzentrifugen bis rund 26.000 U/min. Trotz dieser vergleichsweise hohen Drehzahl dürfen die Geräte jedoch keinesfalls zu heiß werden, um nicht die empfindlichen Proben zu beschädigen. „Zentrifugen sind zwar zumeist luftgekühlt, verfügen aber aus eben genanntem Grund auch oft über eine aktive Kompressorkühlung“, erklärt Wolf Meyer. Durch eine individuelle Auslegung der Wicklung, die insbesondere die magnetischen Eigenschaften, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor des Motors sowie Umgebungstemperaturen berücksichtigt, lässt sich nicht nur die Motorerwärmung verringern, sondern auch der Energieverbrauch so niedrig wie möglich halten. Weil Tischzentrifugen in Bezug auf eine möglichst geringe Stellfläche konzipiert sind, müssen die eingesetzten Motoren zudem sehr kompakte Abmessungen aufweisen. Dabei ist vor allem die Gerätehöhe ein kritischer Faktor – schließlich stehen die Zentrifugen oft erhöht auf einem Labortisch, damit sie sich bequem be- und entladen lassen. Für die Bauform der Motoren bei senkrechtem Einbau bedeutet das: Lieber kurz und mit großem Durchmesser als lang und dünn.
Leiser und vibrationsarmer Betrieb
Ein Labor ist keine Produktionshalle – dementsprechend sollten die Motoren möglichst leise und vibrationsarm laufen. Erreichen lässt sich das unter anderem durch eine hohe Masse des Motorgehäuses, wodurch nur geringe Eigenschwingungen auftreten. Hierbei spielt auch die Materialverteilung – zum Beispiel die Ausbildung der Flansche – eine große Rolle. Hilfreich ist zudem eine geringe Wellendurchbiegung, die durch einen möglichst kleinen Lagerabstand erreicht wird. Einen erhöhten Rundlauf gewährleisten die Lösungen von Groschopp durch eine definierte Wuchtgüte. Eine sehr geringe Restunwucht sorgt dafür, dass der Motor nicht seinerseits das System noch anregt. „Bei allen Maßnahmen ist es wichtig, diese durch Messungen in der Zentrifuge zu verifizieren“, sagt Meyer. „Nur so lässt sich der Motor in Abhängigkeit von der jeweiligen Zentrifuge anpassen.“ Bei der Messung der Vibrationen ist z.B. nicht nur die Höhe des Ausschlags aussagekräftig, sondern auch bei welcher Frequenz er auftritt. Die Zentrifuge muss im Drehzahl-Betriebsbereich ruhig laufen. Zudem sollten die kritischen Resonanzen möglichst weit davon entfernt sein und zügig durchfahren werden. Auch bezüglich der Lautstärke gibt es einiges zu berücksichtigen: So achtet Groschopp nicht nur auf den absoluten Wert, sondern zusätzlich auf die Amplitude um den Mittelwert. Um hier beste Ergebnisse zu erzielen, sind gegebenenfalls weitere Tests nötig. „Selbst die Auswahl der Wälzlager wirkt sich auf Lautstärke und Vibrationen aus“, betont Meyer. „Die Qualität der Lager und deren Schmierung ist besonders relevant. Durch auftretende Axial- und Radiallasten ist neben den richtigen Wälzlagern aber auch die entsprechende Vorspannungseinstellung sehr wichtig.“ Nicht zuletzt spielt die Gestaltung der Lagersitze (Fest-/Loslager) sowie des Schiebesitzes eine entscheidende Rolle. Treten dann immer noch Eigenschwingungen auf, sind gegebenenfalls zusätzlich noch Sonderlösungen beim Design der Motorwelle erforderlich. „Kein ganz einfaches Unterfangen, oft sind mehrere iterative Schritte notwendig“, weiß Meyer. „Manche Sonderausführungen der Welle erfordern ebenfalls in der Fertigung große Erfahrung.“
