CN106471720B - 磁性耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁性耦合器，其具有内部转子(11)和至少局部包围该内部转子的外部转子(9)，内部转子和外部转子分别具有磁性材料(18)并通过磁力彼此耦合。内部转子(11)和/或外部转子(9)包含粉末状的可磁化材料(18)，该材料从与另一转子相对置的一侧在多个沿圆周分布的位置上被磁化。

Description

磁性耦合器
技术领域
本发明涉及一种具有如权利要求1前序部分所述特征的磁性耦合器，以及一种具有如权利要求15前序部分所述特征的、制造用于这种磁性耦合器的转子的方法。
背景技术
在本文中所述类型的磁性耦合器被视为现有技术，并且应用于例如离心泵中，用于将电机轴与泵轴驱动连接，同时还可使这两者彼此机械地分离。这样的磁性耦合器特别是被设置在用于输送干扰性介质的泵中，在此，在内部转子和外部转子之间的间隙中设有缝管(Spaltrohr)，该缝管构成缝管罐(Spaltrohrtopfe)的一部分，该缝管罐使泵对外密封并由此特别是也朝向电机被封闭。
专利文献EP2056432A1示出了一种视为现有技术的磁性耦合器，在该磁性耦合器中安装有方形的永磁体，该永磁体一方面被设置在内部转子中，另一方面也被设置在外部转子中。这样的转子的制造相比较而言是复杂的，因为永磁体需要被可靠地固定在各个转子中。此外，已知的磁性耦合器还具有径向的结构尺寸，其一方面受到永磁体的限制，另一方面不仅受到机械构造的限制，而且还与所需要的软磁性“支撑部(Backing)”有关，该支撑部被用作磁轭(Joch)并且对于闭合成磁性回路是不可或缺的。
就此而言更有利的是由专利文献US6841910B2已知的磁性耦合器，其中，磁体被设置为Halbach阵列，即，其结构使得上述的“支撑部”多余，并且是磁性高效的。当然，在此描述的耦合器是极度昂贵的，因为永磁体具有特殊的并且适配于转子的各个直径的形状，这一方面使得制造成本较高，另一方面还使得装配更复杂。
此外，对于前述类型的耦合器的永磁体还存在回收再利用的问题。这种耦合器在回收时必须小心翼翼地从承载体上分离下来，因此回收成本很高。
发明内容
在此背景下，本发明的目的在于提出一种在开始部分所提及类型的磁性耦合器，其一方面制造成本较低，另一方面在相对较小的结构尺寸下能够传递较高的力矩，并且磁性材料在需要时能够被良好地回收。
此外，本发明还提出了一种用于制造这种耦合器的转子的方法。
本发明的目的通过一种具有如权利要求1所述特征的磁性耦合器来实现。该目的所涉及方法的部分通过一种具有如权利要求15所述特征的方法来实现。本发明的优选的设计方案在从属权利要求、以下的说明书以及附图中给出。在此，在从属权利要求和说明书中给出的特征可以单独地、然而也可以通过适当的结合来进一步构造为根据权利要求1或权利要求15所述的根据本发明的技术方案。
根据本发明的磁性耦合器具有内部转子和至少局部包围该内部转子的外部转子，所述内部转子和外部转子分别包含有磁性材料并通过磁力彼此耦合。根据本发明，内部转子或外部转子或者这两个转子均包含有粉末状的可磁化材料，这些材料从与另一转子相对置的一侧在多个沿圆周分布的位置上被磁化。
本发明的基本思想在于，耦合器的转子不是如现有技术已知的那样由永磁体构成，而是配有粉末状的可磁化材料，这些材料在被安装到转子中之后根据磁性极点的数量，从随后与其磁性耦合的另一转子相对置的一侧，更确切地说是在多个沿圆周上分布的位置上被磁化。根据本发明，在该可磁化的材料中可能会产生复杂的磁化图案，而这种图案是难以通过预制的磁体达到的。
原则上，用于构造至少一个转子的粉末状可磁化材料可以通过辅助材料加以处理，该辅助材料能够促进凝聚、提高耐腐蚀性或者改进其他的特性。但是特别优选将这种粉末状的可磁化材料应用于没有添加剂的情况下，因为这样就可以关于所提供的容积置入最大密度的可磁化材料，这样的材料在磁化之后将产生相对较大的磁力。这样纯粹的、不混入添加剂的粉末状可磁化的材料的优点特别在于：该材料此后可以简单地通过将其加热至使磁化失效的温度被回收，随后可以在没有经过进一步处理的情况下被再次使用。
根据本发明的磁性耦合器优选是径向耦合器。作为可磁化的材料既可以使用各向同性的材料，也可以使用各向异性的材料。
所述磁化特别优选为：在耦合状态下，在横向于耦合器的纵向中轴线和旋转轴线的平面中，将转子之间的磁通密度调整为波浪线形的、优选为正弦形的分布。转子之间的磁通密度的正弦分布是最优的，然而处于限定内的偏差是容许的，因此任何规则的波浪线形分布也足以传递所需要的力矩。利用本发明可以实现很小的正弦形状扭曲。由此使得THD(总谐波失真)位于3.5％的范围内。
优选这种磁化是沿转子的圆周并关于耦合器的共同的纵向中心和旋转轴线以相同的角距离分散进行的。在此，两个转子始终具有相同的极点数量，例如八个或十二个沿圆周均匀分布的磁性极点。
由于磁性材料往往是易腐蚀的，因此当磁性材料被设置在密封封闭的容器中时，在泵中还有其他的应用中使用磁性耦合器是特别有利的。因此优选转子具有这样的容器：在该容器中设有可磁化的并且在磁化之后为磁性的材料。在此优选这些材料被压缩地设置，由此，一方面能够增大材料密度并因此也增大磁力，另一方面也因此使得材料在转子中是位置稳定的，也就是说，不会由于转子之间的力矩加载而运动。为此，也可以在材料中布置辅助性的措施，即使是在转子侧，例如凸起部、拔杆、轮辐等，它们被接入磁性材料中并且产生一定的形状配合。
然而，这种位于转子内部的容器也可以由至少一侧开放的环形空间构成，在该环形空间中压缩地填充可磁化材料，以便在后面进行磁化。在此，位于开放空间中的粉末状磁性材料优选配设有保护涂层以及粘合剂。粘合剂可确保使粉末状的磁性材料保持在其空间中的位置上，即使该环形空间被构造为一侧开放的。保护涂层可确保磁性材料不被腐蚀，即，被保护免于受到周围环境的影响。
特别优选地，至少外部转子的容器或环形空间具有中空圆柱的形状，并且外部转子的内径上相邻的磁性极点的间距Xa相对于外部转子中的磁性材料的厚度Ta的比例在2至3之间。该比例已经被证实是特别适宜的，并且体现了材料使用和效率之间的最优解，这也将确保：在开始部分所描述的磁化中，磁通基本保持在环形空间的内部或者说流至处于磁性有效连接的转子中。当在该处设有中空圆柱形的容器或者相应的环形空间时，前述的尺寸比例对于内部转子也是有利的，在此，在内部转子的外径上相邻的磁性极点的间距Xi相对于内部转子中的磁性材料的厚度Ti的比例在2至3之间。内部转子原则上不必构造为环形体，其也可以是圆柱形地或者具有型芯地由固体材料构成。当然，这里的磁性材料以前述的尺寸比例来设置就足够了。
无论是内部转子还是外部转子，间距Xa或Xi相对于厚度Ta或Ti在尺寸设置上的比例均优选在2.2至2.8之间，优选为约2.5。
当可磁化的和在磁化之后为磁性的材料被适宜地密封封闭在转子的环形空间中，并将转子的外壁设计为，包围磁性材料的壁的导磁率为1至2时，则磁通基本上保持在转子内，而用于磁回流(magnetischen Rückfluss)的“支撑部”或磁轭不再是必不可少的，这在制造技术和结构尺寸上是有利的。
根据本发明的一种优选的扩展方案，内部转子中的和外部转子中的磁性极点沿纵向方向观察被适宜地倾斜设置，亦即关于纵向中心和旋转轴线的平行线成10°至60°的角度，优选为15°，在此，这种倾斜设置可以在方向变换的条件下实现，或者也可以沿着一曲线实现，在此，这种设计(倾斜设置或曲线延伸)的意义和目的在于，使极点的长度相对于转子的几何高度增大。由此可以将缝管损失降至最低。成V形走向的极点是特别有利的，也就是说，在各个转子的高度上产生锯齿形图案。
优选地，用于内部转子和/或外部转子的粉末状可磁化材料有0％到50％是由软磁性材料组成的，并且有50％到100％是由硬磁性材料组成的。对组成成分的选择将根据经济上和技术上的观点来进行，即，尽可能地选择低成本的材料，但是也可以根据技术功能(即转矩的传输)对其的要求而增加更昂贵的材料。
根据本发明的一种优选的设计方案，可以如同现有技术那样为一个转子配备永磁体，在此，特别优选将该永磁体设置为Halbach阵列配置，以确保较高的磁性效率。
对于制造技术而言特别有利的是，转子中的可磁化材料或者说随后为磁性的材料由一个或多个优选为环形的并且由粉末状材料预制而成的成型体构成。该成型体优选在没有粘合剂的情况下仅通过挤压粉末而形成，并且具有一定的内部粘结性，该内部粘结性至少足以能够用机器来处理该成型体，并将该成型体设置在转子中或者设置在转子的容器中。该成型体可以根据需要具有形状配合件，该形状配合件在转子侧与对应设计的形状配合件共同作用，以确保各个成型体在转子内部的转动安全性。优选地，这种预制通过挤压来实现，这还具有提高材料密度的优点，由此也改进了以后的磁性特征。根据需要，粉末状的材料可以通过合适的粘合剂被构造成稳定且可操作的成型体。
根据本发明的用于制造根据本发明的磁性耦合器转子的方法的特征在于，粉末状的可磁化材料首先被设置在转子之中或之上，随后从转子的耦合器激活的一侧进行磁化，亦即相应地使所期望的极点数量以相同的间距分布在该侧的圆周上。
这样的方法可以自动地进行。可磁化的材料是容易处理的，因为其还不是磁性的，并因此可以作为散装件来输送。通过挤压，可以根据需要构成可用机器处理的型件。在此，根据本发明的一种扩展方案设计为，将可磁化的材料放置入转子中，也就是放置在转子中的特地为此配置的空间中，例如环形空间中，并在该处进行压缩，随后，通过转子壁的焊接和/或变形将该转子空间关闭。在此，可磁化材料可以或者被粉末状地放入，或者被已经预制地放入。在后一种情况下还有一个优点在于，可以在转子内部实行进一步的压缩。在此，转子空间或者通过焊接被密封地封闭，或者通过变形、即向内折叠边缘并可能与随后的焊接一起来实现封闭。被预制的可磁化材料可以被构造成一个不中断地延伸360°的环，或者被构造成延伸例如180°的部分环。
替代焊接地，这种密封的封闭也可以通过粘接或者通过在接合元件之间配置合适的密封件来实现。
特别有利地，用于转子的可磁化材料优选通过挤压被放入到两个或多个环形的成型体之间，然后将成型体叠放地设置在转子的环形空间中并填满该环形空间，并且优选再次进行压缩，随后密封地封闭该环形空间。
原则上，对内部转子的磁化是从外周进行，而对外部转子的磁化是从内部进行。这可以通过加入电磁体产生极点来逐步地实现，随后使各个转子进一步转动一预设的角度，直至所有的极点均围绕纵向中心轴线均匀地分布。令人惊奇的是已经发现：如果同时建立所有的极点是特别有利的。这样做的优点在于，可以使磁通密度的正弦形分布的扭曲保持在很低的水平。
附图说明
下面参照在附图中示出的实施例进一步说明本发明。其中：
图1以非常简化的纵截面图示出了一多级离心泵，其具有电机座和位于其中的磁性耦合器，
图2以放大视图示出了图1中的细节部分B，
图3以非常简化的、放大的且立体的纵截面图示出了内部转子和外部转子，
图4以示意图示出了被磁化情况下的外部转子，
图5示出了在内部转子和外部转子中的磁化，以及在转子之间的间隙中在横向于纵轴线的平面中的磁通密度分布，
图6示出了外部转子在横向于纵轴线的平面中的磁取向，
图7示出了内部转子在横向于纵轴线的平面中的磁取向，
图8示出了在根据现有技术的具有方形永磁体的磁性耦合器中的磁取向和磁通，以及
图9示出了在根据本发明的耦合器中在横向于纵轴线的平面中的磁取向和磁通。
具体实施方式
在图1中示出的离心泵是多级离心泵1，其结构与已知的Grundfos CR型号的离心泵相符。在此，可以是利用立轴2运行的泵，该泵具有站立于地面上的底座3，通过护罩4对外封闭的中间部分连接在该底座上，离心轮5在该中间部分中被安装在轴2上。在一侧被收纳在底座3中的护罩4在另一侧被收纳在头部6中，轴2的上端部从该头部中向外引出。在头部6的上方设有所谓的电机座7，该电机座被设计用于收纳在图1中未示出的、用于驱动泵1的电动机。
在电机座7的区域中设有磁性耦合器8，该磁性耦合器具有通过收纳部10与电机轴连接的外部转子9以及抗扭地与轴2的上端部连接的内部转子11。在外部转子9和内部转子11之间设有缝管罐12，该缝管罐将泵1密封地封闭在头部6的区域中。
所示出的离心泵1是内联泵。通过吸入接口到达底座3中的吸入空间13中的液体通过彼此相叠的泵级从叶轮被输送到导向器，并且从那里被输送向下一级，并通过在护罩4内构成的环形通道被引导回底座3，然后从那里被输送至压力接口，正如在现有技术中所指出的那样。与电机的驱动连接通过磁性耦合器8来实现，在此，外部转子9与电机轴抗扭地连接，而内部转子11与离心泵1的轴2抗扭地连接。力矩传递仅磁性地通过缝管罐12实现。
外部转子9具有基本上中空圆柱形的环形形状，其具有被强化的支承外壁14，该外壁径向向外地限定向上开放的环形空间15。该环形空间15向下通过构成环形空间15的底部的壁16来限定，壁16齐平地连接在外壁14上。在壁16的内侧上，内壁17与外壁14平行地向上延伸，直至达到与在图2和图3中明显可见的外壁14的强化部分所达到的相同的距离。在向上开放的环形空间15中填充可磁化的粉末状材料18，该材料填满环形空间15并通过挤压工具从上方被压缩。在此，粉末状材料18可以或者呈粉末状地填满环形空间15并被逐层地压缩，或者由之前通过挤压形成的(未示出的)磁通组成，该磁通被彼此相叠地放入环形空间15中并且随后再次被挤压。
环形空间15在被填充粉末状的可磁化材料18并压缩之后通过环形盖19被关闭，该盖向上封闭环形空间15，并周向地与内壁17和外壁14焊接在一起，从而使得材料18被周围的材料(在此是不锈钢)密封地封闭。外壁14具有向上伸出的凸缘状部分21，该凸缘状部分被设计用于收纳相应阶梯状构成的转动部件20，该转动部件形成用于电机轴的收纳部10的一部分。转动部件20在两侧周向地通过焊接与外部转子9连接。
由此构成的并在图4中示意性示出的转子构件通过磁化装置的头部22的进入从内侧、即在内壁17上被磁化，亦即产生以相同的角距离沿圆周分布的期望数量的极点，在此例如为八个极点。为此，头部22具有八个(未示出的)磁化探针，这些磁化探针通过一个或多个电磁体被磁性地操控，并如下地对材料18实施所期望的磁化：在耦合状态下与接下来还将具体描述的同样为八个极点的内部转子11相关联地，在转子9和11之间的间隙中、即缝管罐12的区域中产生磁通密度的正弦分布，如图5所示。
在该示出的实施方式中，内部转子11被类似于外部转子9地构成。内部转子具有被强化的内壁23，该内壁被构造为中空圆柱形的，并且向外地连接有环形空间24，该环形空间在其下侧通过底部25限定，在其外侧通过围绕的外壁26限定。该环形空间24同样被填充粉末状的可磁化材料18，这些材料在该处被压缩。在此，可以按照与外部转子9类似的方式，材料18或者被逐层地填充并压缩，或者优选被放置在呈环形的预挤压成形件中，该成型件根据需要整体上再次在环形空间24中被挤压，随后该环形空间向上通过环形盖27被封闭，该盖在其外侧周向地与外壁26焊接在一起，并在内周上周向地与内壁23焊接在一起，由此使得环形空间24与位于其中的材料18一起被密封地封闭。内壁23与离心泵1的轴2抗扭地连接。环形空间24内部的可磁化材料18在外侧上、也就是从外壁26上被磁化，更确切地说同样是在八个极点上被磁化，这些极点优选同时被磁化并且围绕纵向中心轴线28具有相同的角距离，该角距离为45°。
借助于图6和图7可以清楚地看到环形空间15或环形空间24内部的材料18的磁化。在此还示出了什么样的尺寸比例是有利的。图6示出了横向于纵轴线18穿过外部转子9的部分，其中示出了在此示例性示出的八个极点的磁性取向在磁性材料18内部的指向。内部转子和外部转子具有相同的极点数量。
这样的设置在下述情况下是特别有效：间距Xa，即内径上的、也就是在外部转子9的内壁17上的相邻的磁性极点的间距，相对于磁性材料18在外部转子9中的厚度Ta的比例在2至3之间，优选为2.5。相应地，内部转子11的尺寸被选择为：在内部转子11的外壁26的外径上的相邻磁性极点的间距Xi相对于在内部转子11中的磁性材料的厚度Ti的比例在2至3之间，优选在2.2至2.8之间，理想地为2.5。如果该比例小于2，则磁体具有不利的工作点，因为磁体材料被不当地使用。如果T过大，则磁化会变得更加困难。在2至3之间的理想状况下，磁体粉末的损耗是最少的，并且能够达到最高的磁通密度。
特别是如图5所示，切向的磁通量29在环形空间15或24内延伸，而径向的磁通量30穿过环形间隙和缝管罐12并根据极点的设置产生磁通密度B的正弦分布，这种正弦分布对于力矩传递是特别有利的。
图8和图9示出了在根据本发明的磁性耦合器的情况下(图9)和在根据专利文献EP2056432A1的现有技术的情况下(图8)的磁性取向以及磁通线走向，从中可以清楚地看到：磁通几乎仅在磁性材料18的内部、即在环形空间15和24中实现，因此可以省去例如现有技术中的“支撑部”或者说磁轭，这将降低径向的结构尺寸。
附图标记列表
1 离心泵
2 轴
3 底座
4 罩
5 离心轮
6 头部部件
7 电机座
8 磁性耦合器
9 外部转子
10 用于电机轴的收纳部
11 内部转子
12 缝管罐
13 吸入空间
14 外壁
15 外部转子的环形空间
16 壁(底部)
17 内壁
18 粉末状的可磁化/磁化的材料
19 盖
20 转动部件
21 凸缘状的部分
22 头部
23 内壁
24 内部转子的环形空间
25 底部
26 外壁
27 盖
28 纵向中心和转动轴线
29 切向的磁通
30 径向的磁通
B 磁通密度
Xa 外部转子内周上的极点间距
Xi 内部转子外周上的极点间距
Ta 外部转子的环形空间的径向净宽，厚度
Ti 内部转子的环形空间的径向净宽，厚度。

Claims (18)

1.一种磁性耦合器，具有内部转子(11)和至少局部包围所述内部转子的外部转子(9)，所述内部转子和所述外部转子分别具有磁性材料(18)并且通过磁力彼此耦合，其中，所述内部转子(11)和/或所述外部转子(9)包含能被磁化的、粉末状的材料(18)，这些材料从与另一转子相对置的一侧在多个沿圆周分布的位置上被磁化，并且所述内部转子和/或所述外部转子具有密封封闭的容器(15，24)或至少在一侧开放的环形空间，在所述容器或至少在一侧开放的环形空间中设置所述磁性材料，其特征在于，所述外部转子(9)的至少容器(15)或环形空间具有中空圆柱的形状，并且所述外部转子(9)的内径上的相邻的磁性极点(S，N)的间距Xa相对于在所述外部转子(9)中的磁性材料(18)的厚度Ta的比例在2和3之间，和/或所述内部转子(11)的至少容器(24)或环形空间具有中空圆柱的形状，并且所述内部转子(11)的外径上的相邻的磁性极点(S，N)的间距Xi相对于所述内部转子(11)中的磁性材料(18)的厚度Ti的比例在2和3之间。
2.根据权利要求1所述的磁性耦合器，其特征在于，所述磁化为：在耦合状态下，在横向于所述耦合器的纵向中心和旋转轴线(28)的平面中，将所述转子(9，11)之间的磁通密度(B)调整为波浪线形的分布。
3.根据权利要求1或2所述的磁性耦合器，其特征在于，所述磁化在所述转子(9，11)的圆周上关于所述耦合器的共同的纵向中心和旋转轴线(28)以相同的角距离分布。
4.根据权利要求1或2所述的磁性耦合器，其特征在于，在所述容器(15，24)或环形空间中以压缩的方式设置所述磁性材料。
5.根据权利要求1或2所述的磁性耦合器，其特征在于，所述环形空间中的粉末状的磁性材料具有保护涂层并配设有粘合剂。
6.根据权利要求1或2所述的磁性耦合器，其特征在于，间距Xa、Xi相对于厚度Ta、Ti的比例在2.2至2.8之间。
7.根据权利要求1或2所述的磁性耦合器，其特征在于，所述外部转子(11)的包围所述磁性材料的外部壁(14)的导磁率在1和2之间。
8.根据权利要求2所述的磁性耦合器，其特征在于，在所述内部转子和所述外部转子(9，11)中的磁性极点(N，S)沿纵向方向观察是倾斜地延伸。
9.根据权利要求1或2所述的磁性耦合器，其特征在于，在所述内部转子和所述外部转子(9，11)中的磁性极点(N，S)沿纵向方向观察成曲线形地延伸。
10.根据权利要求1或2所述的磁性耦合器，其特征在于，所述粉末状的、能磁化的材料(18)的0至50％的体积由软磁性的材料组成，并且50至100％的体积由硬磁性的材料组成。
11.根据权利要求1或2所述的磁性耦合器，其特征在于，一个所述转子具有永磁体，该永磁体被设置为Halbach阵列配置。
12.根据权利要求1或2所述的磁性耦合器，其特征在于，所述转子(9，11)中的磁性材料(18)通过一个或多个成型体构成。
13.根据权利要求2所述的磁性耦合器，其特征在于，所述磁化为：在耦合状态下，在横向于所述耦合器的纵向中心和旋转轴线(28)的平面中，将所述转子(9，11)之间的磁通密度(B)调整为正弦形的分布。
14.根据权利要求6所述的磁性耦合器，其特征在于，间距Xa、Xi相对于厚度Ta、Ti的比例为2.5。
15.根据权利要求8所述的磁性耦合器，其特征在于，在所述内部转子和所述外部转子(9，11)中的磁性极点(N，S)沿纵向方向观察在方向变更的条件下倾斜地延伸。
16.根据权利要求8所述的磁性耦合器，其特征在于，在所述内部转子和所述外部转子(9，11)中的磁性极点(N，S)沿纵向方向观察是倾斜地延伸，关于相对于所述纵向中心和旋转轴线(28)的平行线所成的角度在10°和60°之间。
17.根据权利要求16所述的磁性耦合器，其特征在于，在所述内部转子和所述外部转子(9，11)中的磁性极点(N，S)沿纵向方向观察是倾斜地延伸，关于相对于所述纵向中心和旋转轴线(28)的平行线所成的角度为15°。
18.根据权利要求12所述的磁性耦合器，其特征在于，所述转子(9，11)中的磁性材料(18)通过一个或多个为环形的并且由粉末状的材料(18)预制成的成型体构成。
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