Shaker-Abwärme im Griff

Schwingungsprüfungen mit elektrodynamischen Schwinganlagen – sogenannten Shakern – sind ein zentraler Bestandteil bei der Entwicklung und Zulassung von Bauteilen und Produkten. Ob in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt oder bei Konsumgütern: Nur unter realitätsnahen Belastungen lassen sich Aussagen über Lebensdauer und Zuverlässigkeit treffen.

Die hierfür erforderlichen Kräfte sind erheblich. In den luftgekühlten Schwinganlagen unseres Kunden Tira GmbH werden beispielsweise Prüflinge auf Beschleunigungen von bis zu 350 G und Geschwindigkeiten von bis zu 5 m/s gebracht. Die dabei entstehende Abwärme stellt eine zentrale Herausforderung dar. Ohne
leistungsfähige Kühlung ist ein stabiler und normgerechter Betrieb nicht möglich.

Abwärme als kritischer Einflussfaktor

Die Funktionsweise eines elektrodynamischen Shakers ähnelt der eines Lautsprechers: Die Schwingbewegung entsteht durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom in der Schwingspule und einem Magnetfeld.

Ein erheblicher Teil der eingesetzten elektrischen Energie wird dabei in Wärme umgewandelt. Diese Verluste treten insbesondere in der Schwingspule auf und führen zu einer kontinuierlichen Erwärmung des Systems.

Steigt die Temperatur über den zulässigen Bereich hinaus, erhöht sich der elektrische Widerstand der Spulen. Die Folgen sind unmittelbar messbar: Die eingebrachte Kraft erfordert mehr Eigenleistung. Im Extremfall können normgerechte Prüfbedingungen nicht mehr eingehalten werden. Gleichzeitig steigt das Risiko von Materialschäden und Anlagenausfällen.

Eine stabile thermische Betriebsführung ist daher Voraussetzung für reproduzierbare und normkonforme Prüfergebnisse sowie für die Einhaltung einer stabilen Arbeitsweise und Lebensdauer.

Gezielte Luftführung im Inneren des Shakers

Um die entstehende Wärme zuverlässig abzuführen, werden leistungsfähige Hochdruckventilatoren oder Seitenkanalverdichter eingesetzt. Sie fördern Umgebungsluft gezielt durch das Innere des Shakers.

Die Luft strömt dabei direkt an den Windungen der Spulen entlang und nimmt die entstehende Wärme unmittelbar auf. Entscheidend für die Effizienz dieses Prinzips ist die Art der Anbindung: Eine saugseitige Integration der Lufttechnik verhindert, dass sich die Kühlluft durch Kompression zusätzlich erwärmt, bevor sie die kritischen Bauteile erreicht. Dadurch bleibt die Kühlleistung auch bei hohen thermischen Lasten konstant.

Hohe Anforderungen an die Lufttechnik

Die Auslegung der Lufttechnik ist maßgeblich für die Leistungsfähigkeit der gesamten Anlage. Insbesondere bei Dauertests muss ein stabiler Volumenstrom bei gleichzeitig hohen Druckdifferenzen gewährleistet sein.

Eine besondere Herausforderung stellen die sehr engen Strömungsquerschnitte im Inneren des Shakers dar. Die Spaltmaße im Bereich der Spulen liegen typischerweise bei nur wenigen Millimetern. Dadurch entstehen erhebliche Druckverluste, die durch die Ventilatoren überwunden werden müssen.

Zudem ist der Kühlbedarf nicht konstant: Mit steigender Temperatur erhöht sich der notwendige Volumenstrom, um die thermische Stabilität aufrechtzuerhalten. Entsprechend erforderlich ist eine Lufttechnik, die fl exibel auf wechselnde Betriebsbedingungen reagieren kann.

Bedarfsgerechte Regelung für maximale Effizienz

Entscheidend für einen effi zienten Betrieb ist eine auf den Anwendungsfall abgestimmte Luftkennlinie. Sie stellt sicher, dass der Ventilator über einen breiten Lastbereich zuverlässig arbeitet. Um den jeweils benötigten Betriebspunkt im Lastbereich präzise anzusteuern, regelt ein Frequenzumrichter die Luftleistung auf Basis von Temperaturmessungen im Shaker. Steigt die thermische Belastung, wird die Drehzahl des Ventilators automatisch erhöht, sodass der erforderliche Volumenstrom bereitgestellt wird. Sinkt die Temperatur, reduziert sich die Leistung entsprechend.

Diese bedarfsgerechte Regelung bietet mehrere Vorteile:

• konstantes Einhalten der Prüfbedingungen
• energieeffi zienter Betrieb
• reduzierte mechanische und thermische Belastung der Komponenten

Insbesondere bei lang andauernden Prüfzyklen trägt dies wesentlich zur Gesamtanlageneffi zienz und zur Lebensdauer der eingesetzten Komponenten bei.

Geräuschreduktion als zusätzlicher Faktor

Mit steigender Drehzahl erhöht sich auch der Geräuschpegel der Lufttechnik. Um ergonomische Anforderungen und gesetzliche Grenzwerte einzuhalten, kommen daher schallgedämmte Systeme zum Einsatz.

Durch gezielte Maßnahmen wie Schalldämmhauben lassen sich auch bei hohen Luftleistungen die zulässigen Schallpegel zuverlässig einhalten – ohne die Kühlleistung zu beeinträchtigen.

Fazit

Die Kühlung ist ein entscheidender Erfolgsfaktor für den zuverlässigen Betrieb elektrodynamischer Schwinganlagen. Insbesondere bei luftgekühlten Systemen bestimmt die Auslegung der Lufttechnik maßgeblich die Qualität der Prüfergebnisse und die Wirtschaftlichkeit des Betriebs.

Eine leistungsfähige Luftführung, ausgelegt auf hohe Druckverluste und variierende Volumenströme, in Kombination mit einer intelligenten, temperaturabhängigen Regelung, schaff t die Grundlage für:

• präzise und reproduzierbare Messergebnisse
• hohe Anlagenverfügbarkeit
• langfristig wirtschaftlichen Betrieb