04. Januar 2022

Druckfest gekapselte Motoren - Neustart bei den Niederspannungsmotoren

Besonders in explosionsgefährdeten Industriebereichen steht die Sicherheit an oberster Stelle. Um den strengen Richtlinien der chemischen und petrochemischen Industrie sowie der Erdöl- und Erdgasförderung gerecht zu werden, treibt die VEM-Gruppe die Neuentwicklung seiner druckfest gekapselten Asynchronmotoren in Eigenproduktion erfolgreich voran.

Motoren für explosive Einsatzgebiete

Seit Jahrzehnten ist die VEM-Gruppe ein zuverlässiger und gefragter Partner der Gas- sowie chemischen und petrochemischen Industrie weltweit. Gerade die Produktgruppen "Ex eb", "Ex ec", "Ex tc" und "Ex tb" haben sich für diese anspruchsvollen und rauen Einsatzgebiete etabliert und erfreuen sich einer steigenden Nachfrage.

Aufgrund des wachsenden Bedarfs durch diesen Kundenkreis entschloss sich die VEM-Gruppe, ihr Portfolio mit einer "Ex db (eb)" Produktgruppe zu ergänzen. Das Ziel des Firmenverbunds in diesem Segment: Führender Lieferant für Premium Ex-Antrieben zu werden. Durch die Fertigung der neuen Ex (db)-Motorenreihe werden die Standorte in Wernigerode sowie Zwickau ihre Fertigungskapazitäten ausbauen und in den entsprechenden Märkten weiter an Bedeutung gewinnen.

Neuentwicklung mit vielen Vorteilen

Die Zündschutzart "Ex db (eb)" ist außerhalb Europas weitaus gefragter als die vormals genutzte Zündschutzart. Zudem ist das Siegel "Made in Germany" weltweit bekannt und steht bei Ex d-Produkten für höchste Sicherheit sowie hervorragende Qualität. Als deutscher Hersteller für Ex d-Motoren konnte der VEM-Firmenverbund einige Vertriebswege weiter festigen und Beziehungen voranbringen. So hat sich die Gruppe bewusst für überwiegend deutsche Lieferanten entschieden, welche beispielsweise die Hauptkomponenten beibringen. Dies gewährleistet kurze, stabile Lieferketten, was es der VEM-Gruppe ermöglicht, zeitnah und konsistent zu bauen und zu liefern.

Das neue Motorkonzept weist diverse weitere Vorteile für den Betreiber auf. Es ist modular aufgebaut. Aufgrund des gewählten Baukastenprinzips können diese Antriebe kurzfristig und mit geringem Aufwand modifiziert werden. Zum Beispiel ist ein Umbau von IM B3 auf IM B35 mit der Montage eines separat gelieferten Flanschenringes, der variabel in seinen Abmaßen sein kann, kurzfristig zu realisieren.

Das Grundkonzept der Baureihe besteht darin, dass diverse Modifikationen am Motor nachträglich durchgeführt werden können, ohne die druckfeste Kapselung dabei öffnen zu müssen. Bei allgemeinen Modifikationen wie etwa dem Umbau der Klemmkastenlage (z.B. in Klemmkasten rechts) oder der Bauform ist beim neuen VEM-Motorkonzept keine spezielle Ex-Befähigung notwendig. Dies hat zur Folge, dass für diese Tätigkeiten kein gesondert geschultes Personal benötigt wird.

Außerdem können beim Aufbau bzw. Betrieb eines Motorenlagers extreme Kosteneinsparungen realisiert werden. Aufgrund der modularen Bauweise eignet sich der Asynchronmotor hervorragend dafür, da lediglich eine Grundausführung mit entsprechenden An- oder Umbauteilen zur Verfügung stehen muss. Ergänzungen können dann vor Ort durchgeführt werden. So kann der Motor jederzeit kurzfristig an den Kundenbedarf angepasst werden. Damit spart das "Baukastenprinzip" gleichzeitig Kosten.

Dem Explosionsdruck standhalten

Insbesondere in Einsatzgebieten wie der Chemie- oder Raffineriebranche, in denen explosionsfähige Atmosphären zum Beispiel durch Gas auftreten können, werden druckfest gekapselte Motoren dringend benötigt. Die neuen Ex (db)-Motoren können dem vierfachen des maximal zu erwartenden auftretenden Explosionsdrucks standhalten. Dafür wurden insbesondere das Gehäuse und die Lagerschilde in einer sehr starken Ausführung ausgeführt.

Die Motorbauteile haben eine geringe Fertigungstoleranz. Dies ist nicht nur dem gefährlichen Einsatzgebiet geschuldet, sondern auch der Aufgabe, die der Motor bei einer möglichen Explosion erfüllen soll: Da eine mögliche Explosion im Motorinnenraum keinesfalls nach außen treten soll, muss die entstehende Flamme durch die sogenannte Zündspalte soweit abgekühlt werden, dass sie erlischt.

Komplexe Hindernisse überwinden und Prüfungen für notwendige Zertifikate bestehen

Die Verwirklichung der Kundenanforderungen stellte VEM vor eine zu meisternde Herausforderung, da alle Aspekte von Qualität über Sicherheit und Kosten bis hin zur Fertigung berücksichtigt werden mussten. Die eigens hergestellten Ex db (eb)-Motoren mussten sich in langwierigen Verfahren beweisen, um letztendlich die Marktzulassung zu erreichen. Die Prüfungen waren unter anderem:

• Ermittlung des zu erwartenden maximalen Drucks (bei -40°C)
• Vierfach-Druckprüfung (IBExU)
• Schutzartprüfung IP6x (für den Einsatz in Zone 21)
• Erwärmungsprüfung (VEM)
• Zündspaltprüfung (IBExU)
• Schlagprüfung (IBExU)

Zudem musste das Zertifikat für Qualität und Sicherheit erweitert werden, damit Motoren der Zündschutzart "druckfeste Kapselung" in Eigenfertigung hergestellt werden dürfen.

Die Motoren konnten allen Prüfungen erfolgreich standhalten, sodass VEM die komplette Produktion übernehmen und durchführen kann. Auch musste sich die VEM-Gruppe um die Serialisierung von Bauteilen bzw. die Chargenverfolgung kümmern. Da der Motor durch sein "Baukastenprinzip" für den Aufbau von Motorenlagern geeignet ist, wurde zu dem Anlass eine neue Arbeitsstelle im Firmenverbund geschaffen. Diese soll eine optimale Verfolgung und Bestandsaufnahme der Module garantieren.

VEM unterhält seit einigen Jahren Beziehungen in die Chemie-Industrie. Bisher konnte der Firmenverbund allerdings nur zum Weiterverkauf lizensierte Fremdfabrikate vertreiben. Aus diesem Grund wurde die Gruppe bisher nicht als Produzent, sondern allein als Lieferant von Ex (db)-Motoren wahrgenommen - diesem Eindruck wird mit der neuen Antriebslösung aktiv entgegengewirkt. Aufgrund der hohen Qualität und der herausragenden Ergebnisse in allen Zulassungsprüfungen sieht der Firmenverband positiv in die Zukunft und ist sich sicher, sich als Produzent von Ex (db)-Motoren etablieren zu können.

Spannende Prozesse nach dem Startschuss

Sobald das Projekt angelaufen war, konnte die VEM-Gruppe ein Lastenheft zusammen mit der Konstruktion und dem Vertrieb erstellen, woraus das Entwicklungsteam und die Konzeptfindung entstanden. Hierbei mussten zuerst wichtige Themen geklärt werden, beispielsweise wie sich der Firmenverband als Hersteller von Ex (db)-Motoren etablieren wollte, wie diese besser gemacht werden könnten und wie stark sich die Wettbewerber im Feld präsentierten. Bereits von Anfang an war klar, dass neue abteilungsübergreifende Strukturen für die Baureihe aufgebaut werden müssen. Um eine solide Basis für die Motoren herzustellen, war der Start aufgrund der geplanten Neuentwicklung der Motoren vor allem konstruktions- und techniklastig. Die Konstruktion definierte schnell und präzise Toleranzen für Spaltabmessungen und notwendige Wandstärken.

Um eine optimale Kommunikation zwischen den Abteilungen herzustellen, wurden Monat für Monat neue Abteilungen in den Prozess einbezogen. So benötigte es die Berechnung, um die Auslegung der Motoren (W43R) zu definieren. Ebenso wurde die Technologie angesprochen, welche die Herstellung der Bauteile bewerten oder neue Vorrichtungen anfragen sollte. Der Einkauf war zuständig für die Lieferantenqualifizierung für die neuen Modelle und Kaufteile, wie etwa die Aderleitungsdurchführungen. Auch die Qualitätssicherung musste diverse Unterlagen für die neue Reihe zusammenstellen, während das Prüffeld alle Kraft in die Vorbereitung der Erwärmungs- und Typenprüfung steckte. Montage und Technologie konnten alsbald die Prototypenfertigung und weiter die Serieneinführung in Angriff nehmen. Der mechanischen Fertigung kam das Prüfen und Messen der neuen Bauteile zu, da die Toleranzen für Motoren eng sind und eine präzise und genaue Anfertigung aller Kleinteile notwendig für einen optimalen Ablauf ist. Auch die Logistik wurde mit der Lagerung und dem Transport der neuen Ex (db)-Bauteile betraut.

Nach vielen erfolgreich bestandenen Prüfungen konnte die VEM-Gruppe Ende 2020 mit der neu entstandenen Motorenserie in den Verkauf gehen. Gleichzeitig wurden Mustermotoren an einen großen Kunden aus der Chemieindustrie ausgeliefert. Diese befinden sich momentan in einer bisweilen sehr erfolgreichen Qualifizierung des Motorkonzepts.

Besondere druckfeste Motoren mit besonderer Konzeption

Die neue Baureihe musste nicht zuletzt aufgrund ihres besonderen Einsatzgebiets extremen Prüfungen und strengen Richtlinien standhalten. Die Konstruktionen sind dafür konzipiert, in Temperaturbereichen von -40°C bis hin zu +55°C fehlerfrei zu arbeiten. Zudem mussten alle Voraussetzungen zum sicheren Handhaben mit brennbaren Stäuben und zum Projektieren von Schutzmaßnahmen gegen Staubexplosionen erfüllt sein, um die Zulassung für Staub-Ex (tc / tb) in der Schutzart IP65 zu erhalten. Die VEM-Gruppe arbeitete hart daran, die Motoren auf die aktuellen höchsten Wirkungsgrade IE3 und IE4 zu bringen und der VIK-Empfehlung zu entsprechen.

Das gesamte Grundkonzept der Maschine musste im besten Fall in Anlehnung zu den Serienteilen entwickelt werden, um das gewünschte "Baukastenprinzip" zu ermöglichen, da sowohl die Aktivteile, als auch die Rippenkontur und das Lagersystem aus einer Serie stammen. Durch den Einsatz des gleichen Materials konnten alle Vorteile der W43R-Reihe auf die neuen Bauteile übertragen werden.

Auch die Idee, mechanische Komponenten schnittstellenabhängig tauschen zu können, benötigte einige Modifizierungen - so können mittlerweile etwa Füße, Flansche, Klemmkästen, Lüfter und Lüfterhauben nach Kundenwunsch gewechselt werden. Alle Festigkeitsnachweise für zu erwartende Explosions- und daraus abgeleitete Prüfdrücke mussten zeitnah und erfolgreich eingeholt werden. Auch ein Anliegen war das Versprechen der kurzen Lieferzeiten, wofür einige Teile der bereits bestehenden Wertschöpfungskette umstrukturiert wurden. Dies gewährleistet kurze Lieferwege und eine schnellere Lieferzeit, da Übersee-Transporte für Bauteile nahezu entfallen.

Des Weiteren ist das Gehäuse mit Fußleisten auf 4x45° konstruiert worden und kann auch für Motoren, bei denen sich der Klemmenkasten auf der N-Seite befindet, eingesetzt werden (Y-Bauform). Auch die Serialisierung ist für die VEM-Gruppe ein besonderer Schritt, da die Rückverfolgung von Bauteilen gewährleistet sein muss. Zusätzlich sind die Produktion innerhalb enger Toleranzen und die Ausmessung der für Ex d relevanten Passungen Besonderheiten, denen sich der Firmenverband gerne und voller Elan annimmt, um das Beste für seine Kunden zur Verfügung stellen zu können.

Herausragender Verkaufsstart für VEM

Nicht zuletzt aufgrund des lobenswerten und engagierten Einsatzes aller Beteiligten von der Konstruktion bis hin zum Prüffeld konnte eine ganze Serienfertigung nach Zeitplan umgesetzt werden. Bereits zwei Baugrößen wurden letztes Jahr zum Verkauf zugelassen, fünf weitere werden noch 2021 folgen. Die stetige Nachfrage nach Motoren der neuen Baureihe gibt der Weitsicht der VEM-Gruppe recht. So konnte sie direkt am ersten Tag nach Verkaufsstart der Baureihe die ersten Kundenaufträge verbuchen. Auch die Zulassung bei dem schon bekannten Chemiekunden ist bereits angelaufen. Ein größerer Auftrag über 24 Ex (db)-Motoren wurde von der VSK (Worms), einem der etablierten Instandhalter in der Chemiebranche, in Auftrag gegeben.

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