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Kupplungsvorrichtung, insbesondere für eine Motorkreiselpumpe
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stoff getrennten Rotoren, bei welchen bei einer gegebenen gegenseitigen Winkelstellung eine gerade Zahl von ungleichnamigen Dauermagneten einander gegenüberliegen, wobei die Dauermagnete des einen Rotors aus einem Werkstoff mit einer sehr hohen remanenten Induktion, etwa von 10000 Gauss oder mehr, vorzugsweise aus einer Magnetstahllegierung mit Eisen, Kobalt, Nickel, Aluminium, Kupfer und gegebenenfalls Titan (Ticohal od. dgl.) bestehen.
Derartige Kupplungsvorrichtungen können zweckmässig dazu benützt werden, in Strömungskreisläu- fen eines flüssigen Mediums, insbesondere im Wasserumlaufsystem einer Zentralheizungsanlage, den zum Antrieb einer Motorkreiselpumpe vorgesehenen Elektromotor von dem durch die Pumpe in Umlauf versetzten flüssigen Medium vollständig getrennt zu halten, wodurch gegenseitige Störungen des elektrischen und des hydraulischen Teils der Anlage vermieden werden.
Bei den bisher bekannten Kupplungsvorrichtungen der angegebenen Art wird nun zwar durch die hohe remanente Induktion der Dauermagnete des einen Rotors ein schlupffreier Mitlauf des zweiten Rotors sichergestellt, solange er nicht ausser Tritt fällt. Wenn jedoch der zweite Rotor aus irgendeinem Grund, z. B. bei einer Pumpe durch einen von der geförderten Flüssigkeit mitgeführten Festkörper, wie Rostoder Kesselsteinpartikel, festgeklemmt wird, werden beim Vorbeigang der Dauermagnete des ersten Rotors an den Dauermagneten des festgehaltenen zweiten Rotors die Magnete beider Rotoren gegenseitig entmagnetisiert.
Die Erfindung zielt darauf ab, diesen Nachteil unter Wahrung des durch die hohe remanente Induktion der Dauermagnete des einen Rotors gebotenen Vorteile zu beheben und erreicht dieses Ziel dadurch, dass bei einer Kupplungsvorrichtung der eingangs erläuterten Art die Dauermagnete des andern Rotors aus einem Werkstoff mit einer grossen Koerzitivkraft von 1500 Oersted oder mehr, z. B. aus einem harten Ferrit, insbesondere aus einem Ferrit mit Bariumoxyd (z. B. Ferroxdur I), bestehen.
Die Erfindung kann mit besonderem Vorteil bei einer Kupplungsvorrichtung angewendet werden, bei welcher die Wellen der Rotoren in einer Flucht liegen und der eine Rotor den andern glockenartig umgibt, wobei eine dichte Kappe aus-einem unmagnetischen Werkstoff zwischen beiden Rotoren, ohne sie zu berühren, durch den Luftspalt greift und mit dem Pumpengehäuse den innenliegenden Rotor, dessen Welle und das Pumpenlaufrad nach aussen hin hermetisch unter dem glockenartigen äusseren Rotor umkapselt, der aus einem Kranz von U-förmigen Dauermagneten aus dem Werkstoff hoher remanenter Induktion besteht, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Dauermagnete des inneren angetriebenen Rotors in an sich bekannter Weise in einem entsprechend magnetisierten glatten Ferritring vereinigt sind.
Diese besondere Konstruktion ermöglicht die Schaffung einer magnetischen Kupplungsvor- richtung, in welcher der in einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, rotierende Rotor auf Grund des Umstandes, dass er aus einem glatten Ring gebildet ist, der jedoch nichtsdestoweniger die Übertragung eines erhöhten Momentes auf Grund der äusseren U-förmigen Magnete ermöglicht, deren Rotation in der um-
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gebenden Atmosphäre praktisch keiner Bremsung unterworfen ist, der Rotation einen sehr geringen Widerstant entgegensetzt.
Die Motorleistung könnte nicht mit gleich hohem Wirkungsgrad auf die Pumpenwelle übertragen werden, wenn die Permanentmagnete des inneren Rotors gleichfalls U-förmige Magnete wären, die für den Rotor eine erhebliche Sperre und einen erhöhten Widerstand in dem flüssigen Medium bewirken würden und zusätzlich gegen Korrosion empfindlich wären. Dies wäre ebensowenig möglich, wenn der äusse - re Rotor von einem Ferrit gebildet wäre, der in Hinblick auf seine schwache remanente Induktion die Übertragung eines erhöhten Momentes nicht ermöglicht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung liegen bei einer gegebenen Winkelstellung des einen Rotors gegenüber dem andern Rotor die Zentren der Pole eines jeden U-förmigen Dauermagneten des Antriebsrotors auf den Enden des Durchmessers eines Halbkreises, welcher Halbkreis auch durch die Zentren der beiden entsprechenden Pole des ringförmigen Dauermagneten des angetriebenen Rotors geht. Durch diese besondere Anordnung wird ein sicheres Intrittfallen des mit dem Antriebsmotor verbundenen Rotors und des mit der Pumpe verbundenen angetriebenen Rotors gewährleistet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässenKupplungsvorrichtung stehen die achsparallelen Aussenkanten der den Kranz des Antriebsrotors bildenden U-förmigen Magnete, die den angetriebenen Rotor umgeben, in Berührung mit den entsprechenden Kanten der ungleichnamigen Pole der Nachbarmagnete. Diese Ausführung ermöglicht die Ausbildung eines breiteren Luftspaltes zwischen den Magnetpolen der beiden Rotoren, wodurch auch der Einbau der Kappe erleichtert wird. Überdies wird durch die direkte Berührung der einander benachbarten ungleichnamigen Pole die Remanenz der Magnete verstärkt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf einige in den Zeichnungen veranschaulichte Ausführungsbeispiele der Kupplungsvorrichtung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einem Axialschnitt die erfindungsgemässe Kupplungsvorrichtung in einer Motorkreiselpumpe zur Beschleunigung des Wasserumlaufes in einer Zentralheizungsanlage, Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 zeigt in einer der Fig. 2 entsprechenden Darstellung eine abge- änderte Ausführungsform der erfindungsgemässen Kupplungsvorrichtung.
In den Zeichnungen stellt 1 eine Motorkreiselpumpe dar, welche zur Beschleunigung des Wasserumlaufes in einer Zentralheizungsanlage bestimmt ist und von einem Elektromotor 2 angetrieben wird, der ausserhalb eines nach aussen dicht abgeschlossenen Gehäuses 7, 7a angeordnet ist, das alle Teile der Pumpe 1 und ihre Welle 3 umschliesst und Anschlüsse 4 und 5 für die Zu- bzw. Abfuhr des Wassers aufweist.
Auf dem freien Ende der Welle 3 der Pumpe 1 ist eine Trommel montiert, welche wenigstens einen Dauermagneten 10 bildet, dessen entgegengesetzte Pole zyklisch längs des Umfanges miteinander abwechseln.
Die ausserhalb des Gehäuses 7, 7a der Pumpe angeordnete Trommel ist von einer dünnen Kappe 6 aus einem unmagnetischen Werkstoff umschlossen, die flüssigkeitsdicht an das Gehäuse 7,7a angeschlossen ist, um mit diesem einen die Pumpe 1 und ihre Welle 3 dicht umschliessenden Raum zu bilden.
Die Kappe 6 ist ihrerseits von einem glockenartigen Rotor 8 umschlossen, der auf dem Ende der Welle 9 des Motors 2 befestigt ist. Die Motorwelle 9 ist ausserhalb des dichten Gehäuses 7,7a der Pumpe und der Kappe 6 koaxial mit der Welle 3 der Pumpe angeordnet. Der glockenartige Rotor 8 trägt beim dargestellten Ausführungsbeispiel sechs U-förmige Dauermagnete 14, deren Pole den Magnetpolen de : Trommel auf der Pumpenwelle 3 zugewendet sind.
Für die am Rotor 8 auf der Motorwelle 9 angeordneten Magnete 14, die eine sehr grosse remanente Induktion von z. B. 10,000 bis 11,000 Gauss oder mehr besitzen sollen, wird zweckmässig eine Magnetstahllegierung mit Eisen, Kobalt, Nickel, Aluminium, Kupfer und gegebenenfalls Titan benutzt, z. B. der Stahl Ticonal. Gemäss der Erfindung bestehen die Dauermagnete des Pumpenrotors 10 aus einem Werkstoff mit einer hohen Koerzitivkraft von 1500 Oersted oder mehr, z. B. aus einem harten Ferrit, insbesondere aus einem Ferrit mit Bariumoxyd (z. B. Ferroxdur I), der eine in der Wärme bestehen bleibende remanente Induktion besitzt.
Durch diese Wahl der Dauermagnete werden beträchtliche Vorteile erzielt.
Es sei z. B. angenommen, dass abweichend von der Erfindung für die Dauermagnete beider Rotorer
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nur 800 Oersted beträgt, und dass aus irgendeinem Grund, z. B. durch Eindringen einer Verunreinigung, diE Pumpe 1 sich verklemmt, so dass die Pole der Magente des einen Rotors vor den gleichnamigen Polen de Magnete des andern Rotors vorbeigehen ; in diesem Fall kann die verhältnismässig schwache Koerzitivkrai der Dauermagnete der Entmagnetisierung durch die sehr starke remanente Induktion von 10,000 Gauss de
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ihnen gegenüberliegenden Magnete nicht standhalten, so dass sich die Magnete gegenseitig entmagnetisieren und die Kupplung endgültig ausse Tritt fällt.
Wenn anderseits abweichend von der Erfindung die Dauermagnete beider Rotoren der Kupplung aus einem harten Ferrit hergestellt werden, so ist infolge der hohen Koerzitivkraft des Ferrits eine Entmagnetisierung nicht mehr zu befürchten, das übertragbare Moment wird jedoch infolge der schwachen remanenten Induktion der harten Ferrite (etwa 2,200 Gauss) stark verringert, so dass zur Herstellung des Intrittfallens der beiden Rotoren der Luftspalt sehr klein sein müsste.
Ein kleiner Luftspalt bedeutet nun bei einer derartigen Kupplung, bei welcher die Kappe 6 in dem Luftspalt die beiden Rotoren trennen soll, ohne sie zu berühren, einen beträchtlichen Nachteil, weil im Gegenteil ein grösserer Abstand zwischen den Rotoren und dieser Kappe erwünscht wäre, um zu verhindern, dass in der geförderten Flüssigkeit enthaltene Verunreinigungen einen Rotor durch Verklemmen an der ortsfesten Kappe blockieren können, wobei ferner ein grösserer Luftspalt auch grössere Herstellungstoleranzen ermöglicht und somit den Herstellungspreis der Anordnung verringern würde.
Die erfindungsgemässe magnetische Kupplung vermeidet die angeführten Nachteile. Es kann nämlich ein grosser Luftspalt vorgesehen werden, weil die grosse remanente Induktion der Magnete 14 bewirkt, dass sich ihre Kraftlinien über den Luftspalt und die Pole des Magneten 10 schliessen. Ferner schützt die hohe Koerzitivkraft von 1600 bis 1700 Oersted die Magnete 10 gegen Entmagnetisierung, während ihre remanente Induktion von nur 2200 Gauss für die Entmagnetisierung der Magnete 14 nicht ausreicht.
Die Benutzung eines harten Ferrits für den Magneten 10 in dem dichten Gehäuse 7,7a einer Warmwasserheizungspumpe ist ferner besonders zweckmässig wegen der Korrosionsfestigkeit eines derartigen Magne ten und wegen seiner Unempfindlichkeit gegen Entmagnetisierung durch die umgebende Wärme, die verhältnismässig hoch ist, da zum Wärmeinhalt des Heizungswassers noch die bei der Reibung im Lager 18 entstehende Wärme hinzutritt.
Um bei der vorstehend beschriebenen Ausbildung der Kupplungsvorrichtung ein sicheres Intrittfallen der Dauermagnete des Rotors 8 des Motors und des angetriebenen Rotors 10 sicherzustellen, erhalten erfindungsgemäss unter Berücksichtigung des Luftspaltes die Magnete 14 solche Abmessungen und Stellungen gegenüber dem Rotor 10, dass bei einer bestimmten Winkelstellung des Rotors 8 gegenüber dem Rotor 10 die Zentren N2 und S2 (Fig. 3) der Pole eines jeden U-förmigen Dauermagneten 14 im Rotor 8 auf den Enden eines Durchmessers eines Halbkreises Cl liegen, welcher durch die Achsen der beiden entsprechenden Pole Su, nit des ringförmigen Dauermagneten des angetriebenen Rotors 10 geht.
Unter der Annahme, dass ein angetriebener Rotor 10, dessen Durchmesser gleich dem in der Zeichnung dargestellten ist, an seinem Umfang zwölf gleich weit voneinander entfernte, längs des Umfanges miteinander abwechselnde Pole S, N aufweist, und dass zwischen dem Rotor 10 und dem Antriebsrotor 8 ein Luftspalt dl vorgesehen werden soll, können die Abmessungen der Magnete 14 aus Ticonal und ihre Lage in dem Antriebsrotor 8 folgendermassen bestimmt werden :
Man zieht eine zu dem Umfang des Ringes 10 tangentiale, von den beiden benachbarten Punkten SI und N, gleich weit entfernte Gerade 1"und im Abstand dl von der Geraden 11 eine Parallele 12'
Die Mittellinie m zwischen den Punkten S 1 und N 1 schneidet die Gerade 12 in dem Punkt P welcher der Mittelpunkt des durch die Punkte SI und Ni gehenden Kreises cl ist.
Dieser Kreis cl schneidet die Gerade 12 an den Punkten N2 und S, auf welchen die Zentren der Pole eines Magnetes 14 aus Ticonal des treibenden Rotors 8 liegen müssen.
Da sich nämlich bei einem U-förmigen Magnet aus Ticonal die mittlere magnetische Kraftlinie von dem Zentrum N2 eines Poles zum Zentrum S2 des andern Poles auf einem Halbkreis schliesst, wird bei Vorgehen in der obigen Weise sichergestellt, dass die Kraftlinien eines Magneten 14 mit den entsprechenden Polen S1 und N1 des Dauermagnetes 10 am besten zusammenwirken.
Wenn jetzt eine Kupplung hergestellt werden soll, welche von einem gleichen angetriebenen Rotor 10 das gleiche Drehmoment wie bei dem obigen Beispiel, aber über einen doppelt so grossen Luftspalt d. h. von 2d1'übertragen soll, so geht man folgendermassen vor :
Man zeichnet eine zu 11 parallele Gerade Ig in einem Abstand 2dl und einen Kreis c2, dessen Mit-
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Die Schnittpunkte Ng und S3 des Kreises C2 mit der Geraden 13 bestimmten die Stellen der Zentren, welche die Pole des Magnetes 14a aus Ticonal im Rotor 8a einnehmen müssen.
Bei einem gegebenen Durchmesser des angetriebenen Rotors 10 erhält man offenbar den grössten Luftspalt mit einem Antriebsrotor 8a, in welchem die U-förmigen Magnete 14a mit ihren Aussenkanten die Pole der beiden Nachbarmagnete berühren, wie dies in Fig. 3 mit vollausgezogenen Linien dargestellt ist.
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Dies ist eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemässen Kupplung, da der grosse Luftspalt eine bequeme Unterbringung der Kappe 6 ermöglicht, ohne dass eine besonders genaue Einpassung erforderlich ist, wobei verhindert wird, dass von der von der Pumpe geförderten Flüssigkeit mitgeführte Verunreinigungen den Rotor 10 an der diesen Rotor zu nahe liegenden Kappe 6 blockieren.
Bei Benutzung des Rotors 8a wird natürlich auch eine andere Kappe 6a vorgesehen, die von dem Rotor 10 weiter als die Kappe 6 entfernt ist. Im unteren Teil der Fig. 3 ist nur ein Abschnitt dieser Kappe 6a dargestellt.
Die gegenseitige Berührung ungleichnamiger Pole bietet ausserdem den Vorteil, die Remanenz der Magnete 14a, d. h. deren remanenten Nutzfluss, zu verstärken.
Wenn ein noch grösserer Luftspalt hergestellt werden soll, dann muss ein angetriebener Rotor 10 mit grösserem Durchmesser benutzt werden.
Bei der dargestellten Ausführung ist der den Dauermagneten aus einem harten Ferrit bildende Ring 10 auf einen Dorn 11 aus unmagnetischem Werkstoff aufgesetzt und an einer Schulter lla des Dornes durcr eine ebenfalls aus einem unmagnetischen Werkstoff bestehende Mutter 12 festgespannt, die auf einen Gewindeteil des Domes aufgeschraubt ist. Der Dom 11 ist mittels einer Schraube 13 an der Welle 3 befestigt.
Der glockenförmige Rotor 8 ist aus einem unmagnetischen Werkstoff hergestellt, welcher ein Metall eine Legierung aus Leichtmetall oder ein Kunststoff sein kann. Der Rotor 8 hat U-förmige Ausnehmun - gen, deren Enden bündig mit dem inneren Umfang des Glockenkörpers abschneiden und je einen Magnet 14 enthalten, der in seiner Ausnehmung z. B. durch eine Schraube, einen Splint, durch einen Klebstoff oder auch durch Einformung in den Werkstoff des glockenförmigen Rotors 8 gehalten wird.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung, bei welcher der Rotor 8 sechs Magnete 14 trägt, kann unter der Voraussetzung, dass der Rotor 8 etwa 210 mm Durchmesser hat, die magnetische Kupplung von der Welle 9 auf die Welle 3 mit einem Wirkungsgrad von praktisch 100% (es tritt weder ein Schlupf noch eine Erwärmung durch Wirbelströme auf) ein Moment von etwa 3 kg. cm übertragen.
Bei dem obigen Zahlenbeispiel beträgt der Luftspalt zwischen dem Ring 10 und der Glocke 8 etwa 3 mm, was für die Unterbringung der Kappe 6 ausreicht, mit der natürlich weder der Ring 10, noch des Rotor 8 in Reibungsberührung kommen dürfen.
Die Kappe 6 kann z. B. durch Ziehen aus unmagnetischem rostfreiem Stahlblech von z. B. 0,6 odei 0, 8 mm Dicke hergestellt werden. Sie kann auch aus einem Kunststoff oder einem beliebigen andern unmagnetischen, starren Werkstoff hergestellt werden. Sie trägt an ihrem Rand einen ringförmigen Flansch 6b, mit dem sie unter Zwischenschaltung einer flachen Dichtung durch Schrauben an dem Teil des Gehäuses der Pumpe befestigt ist.
Der mittels eines Bügels 15 lösbar am Gehäuse 7 der Pumpe befestigte handelsübliche Motor 2 kann leicht ausgetauscht werden.
Im Gehäuse 7, 7a der Pumpe 1 kann eine Absetzkammer 16 und in dieser eine magnetische Falle vorgesehen werden, die durch einen koaxial zu einem Lager 18 der Pumpenwelle 3 durch einen Deckel H der Pumpenkammer gehaltenen Ring 17 gebildet wird und magnetische Teilchen aus der geförderten Flüssigkeit abfängt. Die Teile des Pumpengehäuses und der Motortragbügel sind durch Schraubenbolzen 2 ( miteinander lösbar verbunden.
Der Ring 17 wird durch einen Dauermagneten gebildet, welcher aus einem dem Werkstoff des Rin. ges 10 gleichen Werkstoff besteht. Der magnetische Fluss des Ringes 17 schliesst sich einerseits über die Kammer 16 und anderseits über die Welle 3, wordurch ferromagnetische Verunreinigungen (Feilspäne Rost usw.) in der Absetzkammer 16 zurückgehalten werden, so dass sie nicht unter die Kappe 6 gelanger können.
Das freie Ende der Welle 3 der Pumpe wird zweckmässig durch eine Öffnung 21 im Teil 7a des Ge- häuses zugänglich gemacht, welche durch eine abnehmbare Schraubkappe 22 verschlossen ist.
Das Ende 23 der Welle 3 kann die Form einer Sechskantmutter haben und etwas über ein in der Öff. nung 21 angeordnetes Lager 24 vorspringen (Fig. 1), um bei Verklemmen der Pumpe die Welle mittel eines Schraubenschlüssels verdrehen zu können.
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