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Dauermagnetsystem für die Absonderung von ferromagnetischen Teilchen aus flüssigen oder gasförmigen Medien, insbesondere Ölablassschraube für Getriebe oder Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Dauermagnetsystem für die Absonderung und Sammlung von ferromagnetischen Teilchen aus flüssigen oder gasförmigen Medien, insbesondere eine ölablassschraube für Getriebe oder Brennkraftmaschinen.
Bei Dauermagnetsystemen für diesen Zweck bildet es ein wesentliches Erfordernis, dass sich das Magnetfeld einerseits zwecks Erzielung eines möglichst hohen Reinheitsgrades der Flüssigkeit oder des Gases von ferromagnetischen Abriebteilchen über einen räumlich weit ausgedehnten Einzugsbereich erstreckt und die angezogenen Abriebteilchen anderseits derart fest haften, dass sie nicht durch die Spülwirkung des Mediums abgerissen und erneut von diesem aufgenommen werden.
Es ist bereits ein Dauermagnetsystem für ähnliche Zwecke bekannt, welches aus einem topfförmigen Grundkörper aus weichmagnetischem Material und einem in dessen nur über einen Teil ihrer Länge zylindrischen Ausnehmung unter Zwischenschaltung einer unmagnetischen Trennhülse koaxial verankerten zylindrischen Einsatzkörper aus permanent-magnetischem Werkstoff besteht, der mit einem sich mindestens bis zum oberen Rand des topfförmigen Grundkörpers erstreckenden und zu seinem freien Ende hin konisch verjüngten Aufsatz aus ferromagnetischem Werkstoff, wie Weicheisen oder Stahl, versehen ist,
welcher mit seiner Basisfläche satt auf der gleich grossen Stirnfläche des Einsatzkörpers aufsitzt und in dessen Höhenbereich die ihn konzentrisch und mit radialem Abstand umgebende Innenwand des Grundkörpers einen sich an die Trennhülse anschliessenden und zu ihrem oberen Rande hin koaxial erweiterten Abschnitt aufweist. Obwohl es wünschenswert wäre, den auf diese Weise zwischen dem Aufsatz und der Innenfläche des erweiterten Abschnittes gebildeten V-förmigen Ringtrichter als Aufnahme- bzw. Sammelraum für die angezogenen ferromagnetischen Abriebteilchen ausnutzen zu können, ist dieser Effekt deswegen nicht erzielbar, weil sich die ferromagnetischen Abriebteilchen hiebei im wesentlichen nur im äusseren Bereich des über den Luftspalt zwischen dem Innenpol und dem oberen Rande des topfförmigen Grundkörpers geschlossenen Kraftlinienfeldes anlagern.
Die dort angelagerten Abriebteilchen sind daher nicht geschützt vor der äusseren Strömung in dem trichterförmigen Ringraum untergebracht und unterliegen demgemäss in hohem Masse der Gefahr, durch das strömende Medium abgerissen und erneut vom ölkreislauf aufgenommen zu werden. Diese Gefahr vergrössert sich in dem Augenblick, in dem Brückenbildung eintritt, d. h. in dem Augenblick, in dem die sich längs des den Luftspalt überbrückenden Kraftlinienfeldes vom äusseren und inneren Pol her beiderseits anlagernden Abriebteilchen Kurzschluss haben, da dies zu einer Verdichtung bzw.
Konzentrierung des Kraftlinienfeldes an dem dem Trichtergrund zugekehrten Rande der Brücke führt, mit der doppelten Folge, dass sowohl das Haftvermögen am äusseren Randbereich der Brücke als auch das Anzugsvermögen des sich axial in den ölraum hinein erstreckenden Kraftlinienfeldes erheblich vermindert werden.
Da sich diese Brückenbildung je nach Beladung des Ölstromes mit ferromagnetischen Abriebteilchen und der Stärke des magnetischen Kraftlinienfeldes relativ schnell vollzieht, erfüllt diese bekannte Bauart ihre Aufgabe als ölablassstopfen schon nach verhältnismässig kurzer Einsatzdauer nur noch unvollkommen.
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Um eine Brückenbildung zu verhindern und ferner zu erreichen, dass die ferromagnetischen
Abriebteilchen vom Trichtergrunde her angezogen und auch dort angelagert werden, wäre es nicht nur notwendig, einen in axialer Richtung wesentlich verlängerten Trichterraum zu schaffen, sondern ausserdem Voraussetzung, dass die dem konischen Aufsatz gegenüberliegende Innenwand des V-förmigen
Ringtrichters nicht aus dem Isolationsmaterial der unmagnetischen Trennhülse, sondern auf ganzer
Länge durch das Weicheisen des topfförmigen Grundkörpers gebildet wird ;
denn nur auf diese Weise bildet sich innerhalb des trichterförmigen Ringraums ein Magnetfeld mit zum Trichtergrund hin zunehmender Feldliniendichte aus, wie es gleichermassen Voraussetzung dafür ist, dass die aus dem Ölstrom angezogenen ferromagnetischen Abriebteilchen im Trichtergrund festgehalten werden und die
Bildung einer den Trichter bereits am äusseren Rande absperrenden Brücke aus angezogenen
Abriebteilchen verhindert wird.
Es ist zwar auch bereits eine Ölablassschraube ähnlicher Ausbildung mit ausreichend gross bemessenem Ringtrichter bekannt, bei welcher die äussere Wandung des Ringtrichters durch den topfförmigen Grundkörper aus weichmagnetischem Material gebildet wird. Da hiebei jedoch die
Innenwandung des Ringtrichters von der Aussenfläche des Einsatzkörpers aus permanent-magnetischem
Werkstoff selbst gebildet wird, kann sich auch hiebei innerhalb des Ringrichters kein Magnetfeld mit zum Trichtergrund hin zunehmender Feldliniendichte ausbilden ; denn bei einem durch Magnetisierung streng orientierten stabförmigen Einsatzkörper aus permanent-magnetischem Werkstoff treten im
Gegensatz zu den Verhältnissen bei einem Aufsatzkörper aus Weicheisen oder Stahl seitlich praktisch keine Feldlinien aus.
Selbst im Falle einer nur schwachen Magnetisierung treten die Feldlinien nur allenfalls an den Enden seitlich aus. Bildet ein solcher Einsatzkörper aus permanent-magnetischem
Werkstoff die Innenwandung des Trichters, so kann sich innerhalb des Trichters folglich kein oder nur allenfalls ein sehr schwaches Magnetfeld ausbilden, dessen Gradient überdies nicht zum Trichtergrund, sondern gerade entgegengesetzt gerichtet wäre.
Ähnlich liegen die Verhältnisse auch bei einer weiteren bekannten Ausführungsform, bei welcher im Höhenbereich des Ringtrichters ebenfalls ein ferromagnetischer Aufsatz sowie zwischen dem
Einsatzkörper und dem topfförmigen Grundkörper eine unmagnetische Trennhülse fehlen, sich der V-förmige Ringtrichter aber im übrigen über die ganze Höhe des von der Innenwand des Grundkörpers durch einen Luftspalt getrennten Einsatzkörpers erstreckt.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Dauermagnetsystem zu schaffen, welches die zuvor beschriebenen Nachteile der bekannten Bauarten vermeidet und bewirkt, dass die aus dem strömenden Medium angezogenen ferromagnetischen Abriebteilchen unmittelbar am Trichtergrunde angelagert und dort geschützt vor der Spülwirkung des Mediums sicher festgehalten werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der eingangs zuerst beschriebenen bekannten Bauart aus, kennzeichnet sich dieser gegenüber jedoch dadurch, dass die Ausnehmung des Grundkörpers aus einer am unteren Ende geschlossenen Sackbohrung besteht, in welcher sich der zylindrische Längenbereich nur auf etwa die untere Hälfte der axialen Ausnehmungslänge erstreckt, während der sich hieran anschliessende obere Längenabschnitt bis zu seinem oberen Rande konisch erweitert ist, wobei der permanent-magnetische Einsatzkörper nur umfangsseitig von der etwa seiner Länge entsprechenden unmagnetischen Trennhülse umschlossen, unterseitig unmittelbar satt auf dem Boden der Sackbohrung aufgesetzt und bezüglich seiner Länge auf die untere Hälfte der Sackbohrung begrenzt ist und dass der Aufsatz kegelstumpfförmig ausgebildet ist,
wobei durch die Mantelfläche des Kegelstumpfes und den ihr gegenüberliegenden konischen Längenabschnitt der Sackbohrung ein gegenüber der Breite wesentlich tiefer bemessener ringförmiger Einzugstrichter spitzwinkeligen Querschnitts mit zu dem durch die Oberkante der Trennhülse gebildeten Trichtergrund hin zunehmender Feldliniendichte gebildet ist.
Im Gegensatz zu den bekannten Bauarten wird bei dem erfmdungsgemäss ausgebildeten Dauermagnetsystem dadurch ein sich über die ganze Höhe des Ringtrichters erstreckendes Magnetfeld mit zum Trichtergrund hin zunehmender Feldliniendichte erzeugt, dass der aus permanent-magnetischem Werkstoff bestehende Einsatzkörper mit seinem oberen Rand noch unterhalb des Trichtergrundes abschliesst und der die innere Wandung des Ringtrichters bildende konische Aufsatz aus ferromagnetischem Werkstoff, wie Weicheisen oder Stahl, besteht und folglich trotz seiner auf Grund Induktion gleichfalls magnetischen Eigenschaften die Besonderheit besitzt, die Feldlinien nicht nur axial, sondern auch seitlich austreten zu lassen, wobei die diesem Aufsatz gegenüberliegende gegenpolige Trichterwand aus dem weichmagnetischen Werkstoff des topfförmigen Grundkörpers besteht.
Das sich auf diese Weise über die gesamte Höhe des Trichters ausbildende Magnetfeld ist nicht homogen, sondern hinsichtlich der Verteilungsdichte seiner Feldlinien differenziert. Die Art der Differenzierung hängt von einer Reihe leicht beeinflussbarer Faktoren ab, die es ermöglichen, die Zone
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grösster Feldliniendichte ohne weiteres in den Trichtergrund zu verlegen und zugleich sicherzustellen, dass die Dichte der Feldlinien vom oberen Rande des Trichters bis zu seinem Grunde hin im wesentlichen stetig zunimmt.
Liegt die Oberkante des permanent-magnetischen Einsatzkörpers etwa in Höhe oder noch unterhalb des Trichtergrundes, wobei er gegen die Innenwandung des weichmagnetischen Grundkörpers durch eine unmagnetische Trennhülse abgeschirmt ist und wird ein aus Weicheisen oder nicht zu hartem
Stahl bestehender konischer Aufsatz verwendet, der sich mindestens zum oberen Rande des Trichters erstreckt, so ist es bei jedem praktisch in Betracht kommenden öffnungswinkel des Ringtrichters allein wegen des sich zum Trichtergrund hin kontinuierlich verengenden Luftspaltes möglich, den Verlauf der
Feldlinien so zu beeinflussen,
dass sie in Richtung auf den Trichtergrund zunehmend dichter werden.
Im Rahmen praktisch in Betracht kommender Abmessungsverhältnisse zwischen Durchmesser und axialer Länge des topfförmigen Grundkörpers ist dieses Ergebnis unter den angegebenen Bedingungen stets zu erzielen. Lediglich in den Fällen, in denen der konische Aufsatz zum Zwecke einer wesentlichen Vergrösserung des axialen Anzugsbereichs die mehrfache Länge des hochmagnetischen
Einsatzkörpers besitzt und daher erheblich über den oberen Rand des topfförmigen Grundkörpers hinausragt, kann die damit einhergehende Vergrösserung des axialen Höhenunterschiedes zwischen seinem magnetischen Ausstrahlungspunkt und dem ihm gegenüberliegenden Ringpol des weichmagnetischen Grundkörpers zu einer solchen Verzerrung des Magnetfeldes führen,
dass die Zone grösster Feldliniendichte zur Trichteröffnung hin verschoben wird. Dieser Folge kann jedoch durch
Vergrösserung des Trichter-öffnungswinkels entgegengewirkt werden. Obschon diese Vergrösserung des Trichter-Öffnungswinkels auch durch einen flacheren Anstieg des erweiterten Teils der Sackbohrung erzielt werden kann, ist es im Sinne dieses Effektes günstiger, den Kegel-öffnungswinkel des konischen Aufsatzes zu vergrössern, da diese Massnahme zusätzlich zu der Vergrösserung des Luftspaltes die wesentlich weitere Wirkung hat, durch die stärkere Einschnürung und straffere Bündelung des Magnetflusses den magnetischen Ausstrahlungspunkt, d. h. den eigentlichen Magnetpol, zur Basis hin zu verschieben.
Während dieser magnetische Ausstrahlungspunkt bei permanent-magnetischem Werkstoff ziemlich nahe unterhalb der stirnseitigen Endfläche liegt, ist er bei ferromagnetischem Werkstoff, wie Weicheisen oder Stahl, verhältnismässig weit zur Stabmitte hin verschoben, u. zw. in umso weiterem Masse, je grösser die Feldstärke des ihm unmittelbar induzierenden permanent-magnetischen Einsatzkörpers ist. Er wird schliesslich umso mehr zur Basis hin verschoben, je straffer der Magnetfluss durch die den permanent-magnetischen Einsatzkörper umgebende unmagnetische Trennhülse orientiert bzw. geführt und je stärker die stirnseitig austretenden Feldlinien durch die konische Verjüngung des Aufsatzes eingeschnürt werden.
Durch diese Mittel kann nicht nur bei einem sich lediglich bis zum Topfrand erstreckenden Aufsatzkörper, sondern auch bei einem zwecks Vergrösserung des axialen Anzugsbereichs gegenüber dem permanent-magnetischen Einsatzkörper mehrfach längeren Aufsatz sichergestellt werden, dass das sich innerhalb des Trichters ausbildende Magnetfeld eine bis zum Trichtergrund hin zunehmende Dichte der Feldlinien aufweist, d. h. ein Magnetfeld mit zum Trichtergrund hin gerichtetem Gradienten entsteht.
Zweckmässig wird der kegelstumpfförmige Aufsatz durch Verstemmen des den Trichtergrund bildenden oberen Randes der unmagnetischen Hülse auf der Stirnfläche des permanent-magnetischen Einsatzkörpers festgeklemmt. Auf diese Weise wird eine fertigungstechnisch einfache und zuverlässige, d. h. einwandfrei leitende Verbindung zwischen dem Aufsatz und dem permanent-magnetischen Einsatzkörper ermöglicht.
Schliesslich ist es zweckmässig, mindestens in den Fällen, in denen der Aufsatz eine gegenüber der Länge des Einsatzkörpers mehrfach grössere Länge aufweist, diesen nicht aus Weicheisen, sondern aus einem Stahl mit gegenüber Weicheisen wesentlich höherer Härte herzustellen, da es dies im Rahmen der angegebenen Abmessungsverhältnisse und in Verbindung mit der Wahl eines geeigneten Trichterwinkels erleichtert, innerhalb des Trichters ein Magnetfeld zu behalten, bei dem die Dichte der Feldlinien zum Trichtergrund hin stetig zunimmt.
Um allzu grosse Induktionsverluste zu vermeiden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Dauermagnetsystem erst in zusammengebautem Zustand seiner sämtlichen Einzelteile als Ganzes der Magnetisierung durch das Induktionsfeld eines eisengeschlossenen Stromkreises zu unterwerfen. Da die nicht aus permanent-magnetischem Werkstoff bestehenden Teile des Systems hiebei durch das Induktionsfeld des eisengeschlossenen Stromkreises magnetisiert werden, braucht diese Induktion nicht durch den permanent-magnetischen Einsatzkörper selbst bewirkt zu werden, so dass sein hohes magnetisches Anzugsvermögen im wesentlichen unbeschränkt aufrechterhalten wird.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung an dem Ausführungsbeispiel einer Ölablassschraube erläutert.
Es zeigen : Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der ölablassschraube und Fig. 2 eine Draufsicht auf die Ölablassschraube gemäss Fig. 1.
Die in den Zeichnungen veranschaulichte ölablassschraube besteht aus einem Sechskantkopf - -1--, einem Bund --2-- und einem mit Aussengewinde-3-versehenen Stopfen-4-.
Dieser weist eine konzentrische Bohrung--5--auf, welche aus einem sich etwa bis zur halben Stopfenhöhe erstreckenden unteren kreiszylindrischen Abschnitt --6-- und einem sich hieran anschliessenden, sich innenseitig kegelförmig erweiternden Bereich--7--besteht.
Der Stopfen --4-- bildet einen topfförmigen Grundkörper --8-- aus weichmagnetischem Material. In diesen ist in den Abschnitt--6--der Sackbohrung--5--ein sich über deren axiale Länge erstreckender kreiszylindrischer Einsatzkörper-9-mit gegenüber dem Abschnitt-6geringerem Durchmesser koaxial eingesetzt, welcher aus einem permanent-magnetischen Werkstoff, insbesondere einem Dauermagneten aus einer Aluminium-Nickel-Kobalt-Verbindung, besteht.
Dieser Einsatzkörper --9-- liegt mit seiner unteren Stirnfläche satt am Boden --10-- der Sackbohrung --5-- des topfförmigen Grundkörpers-8-an, während auf die obere Stirnfläche ein sich über den oberen Rand des Grundkörpers hinaus erstreckender, zu seinem freien Ende hin konisch verjüngter Aufsatz --11-- aufgesetzt ist, der aus ferromagnetischem Werkstoff, im vorliegenden Falle aus einem kohlenstoffreichen Stahl, besteht. In den Ringraum zwischen dem Einsatzkörper --9-- und der Innenwand des topfförmigen Grundkörpers --8-- ist eine Hülse --12-- aus unmagnetischem Material, z. B.
Kupfer, Messing, Aluminium oder auch aus nichtmetallischen unmagnetischen
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eine Schwächung des magnetischen Feldes vermieden wird. Mit ihrem, die obere Polfläche des Einsatzkörpers --9-- um ein Geringes überragenden Endbereich klemmt die Hülse --12-- den Aufsatzkörper --11-- fest, wozu dieser Endbereich beim Zusammenbau lediglich zwischen dem Aufsatz und dem unteren Bereich der abgeschrägten Innenwand verstemmt bzw. plastisch verformt wird.
Durch den sich zu seinem freien Ende hin konisch verjüngenden Aufsatz --11-- einerseits und die sich zum freien Ende hin konisch erweiternde Innenwand--7--des topfförmigen Grundkörpers --8-- anderseits, wird ein im Querschnitt etwa V-förmig gestalteter, ringförmiger Einzugstrichter --13-- geschaffen, dessen Grund--13a--der verstemmte obere Randbereich der Hülse --12-bildet und welcher als Sammelraum für die aus dem strömenden Medium angezogenen ferromagnetischen Abriebteilchen dient.
Nach dem vollständigen Zusammenbau der Einzelteile wird die in den Zeichnungen veranschaulichte ölablassschraube durch das Induktionsfeld eines eisengeschlossenen Stromkreises als Ganzes magnetisiert. Dadurch bildet sich in dem den permanent-magnetischen Einsatzkörper-9-in
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entsteht. Während der über die obere Kante des Grundkörpers-8-herausragende Aufsatz-11- einerseits für eine Ausweitung des Einzugsbereiches aus dem topfförmigen Grundkörper heraus nach aussen sorgt, bedingt sein nach unten zunehmender Durchmesser in Verbindung mit der Konizität der Innenwandung des topfförmigen Grundkörpers --8-- eine Verengung des Luftspaltes und damit eine zunehmende Intensität des magnetischen Feldes zum Grunde-13a--des Ringtrichters-13-hin.
Dieser Effekt ist in erster Linie massgeblich dafür, dass sich die angezogenen ferromagnetischen Teilchen vom Grunde des Ringtrichters her anlagern und eine vollständige Ausfüllung des Sammelraumes ermöglichen, ohne dass der Sammelraum vorzeitig durch Brückenbildung gegenüber der Aufnahme weiterer ferromagnetischer Abriebteilchen gesperrt wird.
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