Antriebstechnik

Von der Tiefe…

…bis ins Weltall: Der EC22 HD von Maxon hält extreme Umweltbedingungen aus
Ein Blick in das Innenleben des EC22 HD-Motors mit der speziellen Wicklung von Maxon.
Erdöl ist das schwarze Gold der Erde – um an diesen Schatz zu kommen, sind innovative und moderne Technologien zur Förderung von Erdöl und Erdgas erforderlich. Motoren von Maxon werden hier für die Funktion der Ventilsteuerungen, Auslösemechanismen und Messgeräte eingesetzt.

K ein Auto fährt heute ohne Treibstoff, und viele Heizungen würden ohne Erdöl nicht funktionieren. Mehr als 85 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs beruht auf den fossilen Energieträgern Öl, Gas und Kohle. Um an diese wertvollen Ressourcen unserer Erde gelangen zu können, muss zunehmend tiefer gebohrt werden, was kein leichtes Unterfangen ist. Die Tiefbohrtechnik – in der Öl- und Gas-Exploration „Downhole Drilling“ ge-nannt – ermöglicht die Förderung von Öl und Gas aus Tiefen von über 2.500 Metern. Gekoppelt mit der Richtbohrtechnik – die dynamische Lageausrichtung einer Tiefenbohrung – ist die Erschließung bislang unerreichbarer Vorkommen mit Bohrtiefen von zurzeit circa 5.000 und Bohrlängen bis 11.000 Metern möglich.

Höchste Anforderungen an die Motoren

Der endliche Energieträger Erdöl ist aus dem heutigen Leben nicht wegdenkbar. Deshalb wird in vielen Regionen der Welt das schwarze Gold aus dem Erdinneren zutage gefördert. Unter anderem in USA, Russland, England, China und im Nahen Osten gibt es etliche Öl- und Gasförderanlagen, egal ob zu Land oder im Meer, die täglich mehrere Tausend Barrel Öl oder Erdgas fördern. Alle Bohrungen haben eins gemeinsam: Die Anforderungen an das verwendete Material sind sehr hoch. Vor allem die Bohrköpfe müssen extreme Bedingungen aushalten können. Die in dieser Tiefe herrschenden Temperaturen und Druckverhältnisse, verbunden mit den starken Vibrationen, die während des Bohrvorgangs auftreten, machen auch den Einsatz von Elektroantrieben zu einer echten Herausforderung. Denn die Bedingungen mehrere Kilometer unter der Erdoberfläche sind alles andere als technologiefreundlich. Bei bis zu 200 Grad müssen robuste Materialien zum Einsatz kommen, die auch bei diesen hohen Temperaturen hundertprozentig zuverlässig arbeiten.

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Der EC22 HD (Heavy Duty) Motor von Maxon Motor erfüllt für diese extremen Umweltbedingungen alle Voraussetzungen. Weiterentwicklungen von Elektronik und Motoren machen den Bohrablauf besser kontrollier- und steuerbar. So wird die Turbine im Bohrwerkzeug beispielsweise durch den Schlammfluss angetrieben. Über eine magnetische Kopplung verwandeln sich Motoren in Generatoren und liefern die elektrische Energie für verschiedene Antriebsfunktionen. Durch dieses autarke System entfällt die Notwendigkeit für teure, umweltschädliche Lithium-Batterien. Mit dem EC22 HD kann die Lage des Bohrkopfes während des Bohrprozesses dynamisch gemessen (MWD/Measurement While Drilling) und ausgerichtet werden. Diese Messung erfolgt durch Beschleunigungsmesser, Neigungssensoren und andere Instrumente zur genauen Darstellung der Position des Bohrkopfes. Damit die gemessenen Werte an die Oberfläche gelangen, wandelt die MWD-Technologie die Daten in Impulse um, die an die Bohrplattform kommuniziert werden. Dieses System wird durch Elektromagnete oder HD-Motoren angetrieben. Auch in diversen Tiefbohr-Werkzeugen werden hydraulische Ventile oder Klappen über elektromechanische Antriebe angesteuert.

Für den EC 22 HD hat Maxon das passende Getriebe im Angebot, das GP 22 HD. Viele Anwendungen, insbesondere bei Tiefenbohrungen, benötigen ein robustes Getriebe, das die Anforderungen präzise erfüllt. Die meisten Anwendungen unter Tage verlangen sehr hohe Drehmomente bei einer zum Teil nur sehr geringen Einsatzdauer. Eine spezielle Eigenschaft der Getriebe sind die integrierten Bohrungen für den ungehinderten Durchfluss von Öl. Denn das Getriebe kann – genauso wie der Motor – in Öl arbeiten. Die verschiedenen Varianten des EC 22 sind für den Betrieb in Luft oder für den Unter-Öl-Betrieb – zum Beispiel in Hydrauliköl geflutet – optimiert.

Hohe Temperaturen, hohe Drücke

Die Motoren werden ohne Klebstoff gebaut und haben kein mechanisches Kommutierungssystem. Dadurch kann der Motor extremen Temperaturen standhalten und liefert auch im Ultrahochvakuum stabile Leistungen. Die Typenleistung ist abhängig vom umgebenden Medium und beträgt 80 Watt in Luft und, aufgrund der wesentlich höheren Wärmeabfuhr, 240 Watt in Öl. Die Motoren sind für Umgebungstemperaturen von über 200 Grad und atmosphärische Drücke bis zu 1.700 bar ausgelegt. Werden die Motoren mit Öl gekühlt, können sie sogar Temperaturen bis 240 Grad aushalten. Weitere Anforderungen an die Motoren mit einem Durchmesser von 22 Millimetern sind Resistenz gegen Vibrationen bis zu 25 grms (Schwingbeschleunigung) sowie gegen Schläge und Stösse bis zu der 100-fachen Erdbeschleunigung (100 g). Ein Vergleich: Formel-1-Fahrzeuge werden mit zwei g und Kampfflugzeuge mit bis zu 13 g belastet. Ein Mensch kann rund zehn g – also das Zehnfache seines Körpergewichts – aushalten; allerdings sind das Extremwerte, und nur Astronauten und Piloten können diese hohen körperlichen Belastungen für eine bestimmte Zeit aushalten.

Entwicklung für den Einsatz auf der Venus

Neben der extrem hohen Widerstandskraft gegen die Umweltbedingungen in der Tiefe haben die Maxon-HD-Motoren einen hohen Wirkungsgrad: in der Luft werden 88 Prozent erreicht, in Öl leistet der Motor mehr als 70 Prozent. Mit diesen Eigenschaften kann der EC22 in unzähligen anderen Gebieten nützlich sein – so auch unter den Extrembedingungen im Weltraum. Mit ihren rastmomentfreien Laufeigenschaften verfügen die Motoren über hervorragende Regeleigenschaften und sind deshalb hervorragend für hochpräzise Positionierungsaufgaben im All geeignet – auch bei niedrigen Drehzahlen. Die Motoren werden in Zukunft auch auf der Venus zum Einsatz kommen – die NASA plant einen Flug dorthin. Da dort Temperaturen von bis zu 480 Grad herrschen, geht die Weiterentwicklung der Präzisionsmotoren für Extrembedingungen weiter. pb

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