CH674887A5 - - Google Patents

Description

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CH 674 887 A5

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Beschreibung

Die Anmeldung betrifft eine magnetische Flüssigkeitsdichtung mit mindestens einem, mit magnetisch leitfähiger Flüssigkeit gefüllten Polspalt, der durch eine stehende und eine, um eine Achse rotierende Fläche begrenzt ist.

Bekannte Anordnungen der eingangs genannten Art bestehen aus ein oder zwei ebenen Scheiben und einem zwischen diesen liegenden axial magneti-sierten Permanentmagneten. Die beiden Scheiben bestehen aus magnetisierbarem Material und bilden die Polschuhe. Mindestens der Spalt bei einem Polschuh und einer Welle wird mit einer magnetisch leitenden Flüssigkeit gefüllt und dichtet somit einen über der Dichtung liegenden Raum von einem unter der Dichtung liegenden Raum ab.

Üblicherweise ist eine solche magnetische Dichtung in einem Motor so eingebaut, daß die drehende Welle den magnetischen Rückschluß über die beiden Polschuhe bildet und diese somit nicht rotieren.

Es gibt aber auch Systeme, wo es vorteilhaft ist, die Welle stillstehen zu lassen. In diesem Falle muß die Dichtung, d. h. müssen die Polschuhe, rotieren. Bei sehr kleinem Wellendurchmesser treten in der Regel wenig Probleme auf, die Dichtung funktioniert mit einer stehenden Welle genauso wie mit einer rotierenden Welle. Mit zunehmendem Wellendurchmesser wird eine solche Dichtung instabil.

Bei großem Wellendurchmesser und vor allem bei entsprechend großer Drehzahl funktioniert die magnetische Abdichtung gar nicht mehr. Bei einem großen Wellendurchmesser sind die magnetischen Kräfte im Luftspalt der Dichtung evtl. nicht mehr imstande, die magnetisch leitende Flüssigkeit gegen die Fliehkräfte im Spalt zu halten.

Auf jeden Fall ist eine herkömmlich aufgebaute Dichtung in einem System mit stehender Welle unstabil, weil zufällig aus dem Spalt austretende Flüssigkeit sofort radial weggeschleudert wird, da die Fliehkräfte radial zunehmen und die magnetisch wirksame Kraft sehr stark abnimmt. Fig. 4 veranschaulicht diese Zusammenhänge.

Somit hat eine gattungsgemäße magnetische Dichtung insbesondere in Verbindung mit einer stehenden Welle den großen Nachteil, daß bereits kleinste Störungen, z. B. eine Schockbeanspruchung, ausreichen können, um die Flüssigkeit aus dem Bereich des noch ausreichend wirksamen magnetischen Feldes herauszubringen, was selbst bei nicht drehendem Motor geschehen kann und was bei laufendem Motor zum Abschleudern der Dichtflüssigkeit und somit zum Ausfall des Systems führt.

Der nachstehend beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere eine magnetische Dichtung der eingangs genannten Art für Systeme mit stehender, relativ dicker Welle auch bei hoher Drehzahl betriebssicher für lange Lebenszeit zu gestalten.

Bei der Erfindung wird durch eine Verlängerung des mechanischen Luftspaltes zwischen Dichtung und Welle durch ein NICHTMAGNETISCHES, vorzugsweise PARAMAGNETISCHES Material in mindestens einer axialen Richtung der Austritt von solcher magnetisch (und oft auch noch elektrisch) leitfähiger Dichtflüssigkeit aus dem Polspalt bzw. Luftspaltraum verhindert.

Die Figuren zeigen in

Fig. 1 und 2 einen Stand der Technik in verschiedener Ausgestaltung

Fig. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und

Fig. 4 und 5 zeigen Wirkungszusammenhänge, wie sie für die Erfindung wichtig sind.

Wie in Fig. 1 zu sehen, sind solche magnetischen Dichtungen oft aus ein oder zwei ebenen Scheiben aufgebaut, zwischen denen sich ein axial magneti-sierter Permanentmagnetring bildet, der mitsamt diesen Scheiben um eine Achse angeordnet ist. Diese beiden Scheiben bestehen aus weichmagnetischem, magnetisierbarem Material und bilden sozusagen die Polschuhe für einen magnetischen Kreis, der sich von den radialen Innenkanten dieser Polschuhe aus über die Welle 3 schließt. Die Fig. 1 zeigt eine rotierende Welle in einer solchen magnetischen Dichtung, die den Raum 10 vom unteren Raum 20 abdichtend trennt. Die eine Polscheibe 1 ist an der radialen Innenseite, sozusagen an ihrem Polschuh, also mit einer magnetisch leitenden Flüssigkeit, wie sie z.B. unter der Handelsbezeichnung Ferrofluidic bekannt ist, gefüllt. Der magnetische Kreis schließt sich vom Permanentmagneten, dessen axiale Magnetisierungsrichtung durch N/S gekennzeichnet ist, über die Polscheiben 1 und 4, über den Polspalt zwischen den Polscheiben 1, 4 und der Welle 3, über die ebenfalls magnetisierbare Welle 3. Der obere Polspalt unter der als Polschuh wirkenden Polscheibe 1 ist mit dieser Dichtflüssigkeit 44 gefüllt und dadurch magnetisch aktiv. Unter einem solchen Polschuh, also auch unter dem unteren Polschuh 4, ist ein Luftspalt, in dem sich die Dichtflüssigkeit befindet. Man versteht im Sinne dieser Erfindung also den Polspalt als den Luftspaltraum, der von der Dichtflüssigkeit im wesentlichen eingenommen wird.

In der Praxis ist es so, daß die relativ dünnen Polscheiben 1, 4 gegenüber der axial praktisch unbegrenzten Welle 3, radial und konzentrisch zueinander angeordnet, eine sozusagen sehr kleine Polschuhfläche bilden (gegenüber der anderen, den magnetisch wirksamen Luftspalt begrenzenden Oberfläche der Welle 3).

Dieses stark unterschiedliche Flächenverhältnis ist auch bei der umgekehrten Anordnung, wie sie Fig. 2 zeigt, erhalten. Dort rotiert das Abdichtungssystem, das aus den Scheiben 1, 4 mit dem dazwischenliegenden Permanentmagneten 2 aufgebaut ist, um die Achse 100 und die Welle 3 steht im Innern. Dieser rotierende Ring führt dadurch, daß er die magneto-liquide Abdichtungsflüssigkeit mitreißt, eine Schleuderbewegung auf diese aus, welche durch die Pfeile 6 angedeutet sind. Gerade an den Innenkanten der Polscheibe 1 macht sich diese Fliehkraftwirkung bemerkbar, so daß die Flüssigkeit über diese Kante radial nach außen gezogen werden kann. Der obere Spalt im Innern des Polschuhs bzw. der Polscheibe 1 ist mit der magnetisch leitenden Flüssigkeit gefüllt und dichtet den oberen

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Raum 10 vom unteren Raum 20 ab (ebenso wie in Fig. 1).

Solche Dichtungen werden verwendet in Antriebsmotoren für Hartplattenspeicher, welche bei einer Drehzahl von 3000 bis 6000 U/min rotieren, und sie sollen verhindern, daß in den Clean Room, in dem die Speicherplatten sich bewegen, Schmutz oder auch Fettpartikel aus dem Motor austreten können. Dieses Problem ist insbesondere in Verbindung mit sogenannten Inhub-Motoren aktuell, wo also der Motor als solcher sich im Clean Room, und zwar im Inneren in der Plattennabe, befindet. Auf der Plattennabe sitzen z.B. zwei oder mehr Scheiben, die einen standardisierten Innendurchmesser haben, der genau auf diese Nabe aufgepaßt ist. Das bedeutet, daß an den Motor im Innern dieser Nabe hohe Anforderungen bzgl. Leistung, Erhitzung und eben auch Abgedichtetheit gegenüber dem Clean Room gestellt werden. Bisher hat man zwar vorwiegend solche Motoren verwendet, bei denen die drehende Welle dem magnetischen Rückschluß über die beiden Polschuhe bildet, jedoch ist gerade im Zusammenhang mit diesen Inhub-Motoren (wie oben definiert) die Dichtheit eines solchen Motors in der Praxis oft problematisch. Da die Fliehkraftwirkung mit dem Quadrat der Drehzahl ansteigt, versteht es sich, daß bei langsamen Plattenspeichern, z.B. sogenannten Floppies, wo außerdem die Reinheitsanforderungen gar nicht so hoch sind, das Problem in diesem Maß nicht besteht.

Fig. 3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wo eine ebene Scheibe aus nichtmagnetischem Material mit der Ziffer 5 von gleicher Größe wie die ferromagnetische Deckscheibe 1 ist, sie kann sogar genau die gleiche Abmessung haben, was bedeutet: evtl. sogar aus dem gleichem Material gestanzt werden. Die Pfeile 7 kennzeichnen die Richtung, in der das magnetoliquide Material ausweichen kann, wenn eine Fliehkraftwirkung zustande kommt, wobei die Anordnung an sich nach Fig. 1 oder wie nach Fig. 2 grundsätzlich funktionieren kann, wenngleich in Fig. 3 durch den halbrunden Pfeil 77 angedeutet ist, daß das konkrete Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sich auf eine stehende Welle bezieht. Der Innenring aus nichtmagnetischem Material 66 schließt sich radial auf gleicher Höhe an die innere Schulter der Polscheibe 1 an, wodurch der Spalt zwischen der radialen Innenseite der Polscheibe 1 und der Welle 3 quasi über den Polspalt hinaus verlängert wird. Die radiale Innenfläche der Scheibe 5, der Scheibe 1 und des Ringes 66 sind also durchgehend, d. h. von gleichem Durchmesser. Im Sinne der Erfindung ist es jedenfalls, daß der Innendurchmesser der Scheibe 5 bzw. des Ringes 66 nicht größer ist als der Innendurchmesser der Polscheibe 1. Er kann sich eher in Stufen oder stetig noch etwas gegenüber dem Innendurchmesser der Scheibe 1 verkleinern, dann würde nämlich die Verschlußwirkung für die Dichtflüssigkeit 44 noch etwas größer sein.

Wie die Fig. 5 zeigt, ist das magnetische Feld in axialer Nachbarschaft des Polschuhs z. B. 1 in der Fig. 3 zwar geringfügig schwächer, aber noch immer imstande, die minimal verschobene Flüssigkeit in die optimale Lage zurückzuholen (vgl. die Kurven der Fig..5 und 4 (Kraftwert bei Weg = 0)).

Paramagnetische Materialien können den Effekt der Erfindung noch verstärken.

Herstellungstechnisch kann es günstig sein, den aus Stahlblech hergestellten Polring und das ein-oder beidseitig anzubringende magnetisch nicht leitende Material im Verbund herzustellen und gemeinsam zu bearbeiten; beispielsweise ist ein solches Material ein in Schichten Sandwich-artig aufgebautes, also ein gewalztes mehrschichtiges Blech mit einem Stahlteii als Kern und an einer oder beiden Seiten Aluminium.

Ein solches mehrschichtiges Blech kann sehr preisgünstig in einem gemeinsamen Arbeitsgang bearbeitet bzw. gestanzt werden. Man kann sich das anschaulich ohne weiters vorstellen, wenn man die magnetisch leitende also vorzugsweise weichmagnetische Polscheibe 1 mit der flächengleich benachbarten, nichtmagnetischen Scheibe 5 (bzw. paramagnetischen Scheibe 5) betrachtet.

Die Erfindung ist also da von Bedeutung, wo man solche magnetischen Dichtungen bei relativ großen Drehzahlen und bei nicht zu kleinem Wellendurchmesser verwendet. Sie können in Elektromotoren auf dem Gebiet der Signalverarbeitung mit rotierenden und mit stehenden Wellen angewendet werden. Insbesondere bei solchen Datenspeichergeräten, die eine höhere Drehzahl aufweisen, ist sie wegen der stark zunehmenden Fliehkraftwirkung mit der Drehzahl von besonderer Bedeutung. Da an die radiale Genauigkeit und an die Laufgüte extreme Anforderungen bei solchen Geräten gestellt werden, können auch die Wellen oft nicht klein dimensioniert werden.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht beschränkt auf axial erregte Permanentmagnete in solchen Dichtungen. Die Magnete können auch durchaus radial magnetisiert sein. Das Entscheidende ist, daß in dem zylindrischen Dichtluftspalt die magnetisch (und evtl. noch zusätzlich elektrisch) leitende Flüssigkeit bei Rotation oder sonstiger Bewegung sicher gehalten wird. Hier stehen sich also immer eine axial kurze, im wesentlichen zylindrische und eine axial längere Zylinderfläche gegenüber, zwischen denen das Magnetfeld durch die magnetische Dichtflüssigkeit hindurchtreten muß. Es kann die axial längere oder die axial kürzere Stirnfläche oder Zylinderfläche stehen bzw. rotieren und, wie mehrfach schon erwähnt, ist das Problem bei stehenden Wellen größer, insbesondere dann, wenn die stehende Welle den Polspalt begrenzt. Anordnungen, bei denen die stehende oder rotierende Welle nicht selbst mit ihrer Oberfläche den Polspalt bzw. den Luftspalt des Flüssigkeitspolspaltes begrenzt, bauen ohnehin radial größer, und dort ist das Problem wiederum verschärft, so daß auch dort die Erfindung benützt werden sollte.

Claims (6)

Patentansprüche

1. Magnetische Flüssigkeitsdichtung mit mindestens einem mit magnetisch leitfähiger Flüssigkeit gefüllten Polspalt, der durch eine stehende und eine um eine Achse rotierende Fläche begrenzt ist, da-

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durch gekennzeichnet, daß der zwischen stehender und rotierender Fläche bestehende, den Polspalt bildende Luftspalt durch nichtmagnetisches oder paramagnetisches Material (5, 66) in axialer Richtung verlängert ist.

2. Magnetische Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material (5, 66) an der radialen Außenseite der Dichtung, in axialer Richtung seitlich neben dem Polspalt, vorzugsweise an beiden Seiten angeordnet ist, wobei dessen Innendurchmesser vorzugsweise gleich oder kleiner als der der Polscheibe (1) ist.

3. Magnetische Flüssigkeitsdichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Verwendung für Systeme mit stehender Welle, dadurch gekennzeichnet, daß das den Luftspalt bildende, verlängernde Material als Scheibe (5) auf die Polscheibe (1 ) gesetzt ist, derart, daß der Luftspalt verlängert wird.

4. Magnetische Flüssigkeitsdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das den Luftspalt bildende, verlängernde Material als Ring (66) axial zwischen Polscheiben 1 und 4 gesetzt ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Flüssigkeitsdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht- oder paramagnetische Material (5, 66) und das magnetische Material im Verbund hergestellt und gemeinsam verarbeitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Dichtung enthaltenen magnetischen und nichtmagnetischen Zonen durch Um-spritzen einer aus mindestens einem Polring bestehenden Dichtung mit Kunststoff hergestellt wird.

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