DE10003153A1 - Turboradialgebläse - Google Patents

Abstract

Das Turboradialgebläse weist einen Stator (35) auf, der in einem Statorgehäuse (10) enthalten ist, und ein in einem Pumpengehäuse (11) rotierendes Laufrad (13). Das Laufrad (13) enthält einen Hohlraum (23) mit einer Lageranordnung (26), die auf einem abstehenden Lagerdorn (25) gelagert ist. Der Pumpenraum (12) ist von dem Statorraum (22) durch eine dünne Trennwand (21) getrennt. Dadurch wird in dem Statorraum (22) Atmosphärendruck aufrechterhalten. Das Gebläse besteht aus wenigen Komponenten und hat eine kurze Baulänge. Es ist weitgehend wartungsfrei und es besteht keine Kontaminationsgefahr des Laufradbereiches durch Öl.

Description

Die Erfindung betrifft ein Turboradialgebläse mit einem drehbar gelagerten Laufrad und einem das Laufrad treibenden Motor.

Turboradialgebläse in der Vakuumtechnik sind sowohl in ein­ stufiger wie auch in zweistufiger Ausführung üblicherweise so aufgebaut, dass Laufrad, Motor und Lagerung räumlich hinterein­ ander angeordnet sind, wobei das Laufrad sich zwischen den Lagern befindet oder fliegend gelagert sein kann. Die Lagerschmierung erfolgt mittels Öl, das durch eine Ölfördereinrichtung zu den Lagern gefördert wird. Solche Turboradialgebläse haben eine große axiale Baulänge und eine große Zahl von Bauteilen. Sie erfordern komplizierte Aus­ wuchtvorgänge. Ferner besteht die Gefahr der Kontamination des Laufradbereichs mit dem für die Lagerschmierung vorgesehenen Öl. Der Motor befindet sich im Vakuum, wodurch eine aufwendige Wicklungsisolation erforderlich ist, mit der Folge schlechter Wärmeübergänge und einer abgedichteten Leitungsdurchführung für die Stromleitungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turboradialge­ bläse zu schaffen, das eine kompakte Bauform hat und aus wenigen Komponenten kostengünstig hergestellt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist der Motor ein permanenterregter Scheibenläufermotor, der an dem Laufrad befestigte Permamentmagnete mit axialer Magnetfeldausrichtung und ortsfeste Statorspulen aufweist. Der Motor ist somit teil­ weise in das Laufrad integriert und in unmittelbarer Laufrad­ nähe angeordnet. Hierdurch wird die Baulänge des Gebläses ver­ ringert. Ferner ist das Laufrad mit einer Lageranordnung, welche in einem Hohlraum des Laufrades untergebracht ist, auf einem in den Hohlraum ragenden feststehenden Lagerdorn ge­ lagert. Die Lagerung des Laufrades erfolgt also ausschließlich im Innern des Laufrades, wobei eine mitdrehende Welle nicht er­ forderlich ist. Vielmehr kann die Laufradnabe unmittelbar auf der auf dem Lagerdorn sitzenden Lageranordnung gelagert sein. Mit einer derartigen Lagerung werden auch Vibrationen des Laufrades vermieden. Es ergeben sich geringe Rotorverluste und dadurch eine Erhöhung des Wirkungsgrades. Der feststehende Lagerdorn erleichtert die Fertigung. Für den Motor kann eine einfache Wasserkühlung installiert werden.

Vorzugsweise wird die Lageranordnung mit Fett geschmiert, wobei mindestens eine Fettkammer in dem Hohlraum des Laufrades vorge­ sehen ist. Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, Magnet­ lager einzusetzen, die ebenfalls wartungsfrei sind. Denkbar ist auch die Kombination. Magnetlager und fettgeschmiertes Lager.

Vorzugsweise ist der Hohlraum des Laufrades zur Rückseite hin offen und am rückwärtigen Ende des Hohlraumes ist zwischen dem Laufrad und dem Lagerdorn ein Dichtspalt ausgebildet. Dieser Dichtspalt verhindert das Einsaugen von Schmierfett und Lager­ bestandteilen aus dem Hohlraum in den Pumpenraum. Es ist auch möglich, an dieser Stelle eine Dichtung einzusetzen, jedoch könnte dann Abrieb von der Dichtung in den Pumpenraum gelangen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der den Hohlraum begrenzenden Wand und einem gut wärmeleitend auf dem Lagerdorn sitzenden Distanzring ein schmaler Wärmeübertragungsspalt von höchstens 0,5 mm Breite zur Ableitung von Wärme von dem Laufrad auf den Lagerdorn gebildet. Durch die Ausbildung eines schmalen Wärmeübertragungsspalts wird Wärme von dem Laufrad auf den gekühlten Lagerdorn abge­ leitet.

Zwischen dem Laufrad und den Statorspulen kann eine druckdichte magnetisch durchlässige Trennwand angeordnet sein. Diese Trenn­ wand kann aus einer Membran, aus einem Faserverbundwerkstoff oder einer Vergußmasse bestehen. Sie bewirkt eine Vakuum­ dichtung zwischen dem Pumpenraum und dem Motorraum, so dass der im Motorraum enthaltene Stator sich auf der Atmosphärenseite befindet und nicht in einem Vakuumraum. Dies ermöglicht eine einfachere und billigere Wicklungsisolation der Statorwick­ lungen. Ferner ist an dem Statorgehäuse keine druckdichte Stromdurchführung erforderlich. Vielmehr kann ein einfacher Klemmenkasten benutzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Turboradialgebläse kann auch die Küh­ lung wesentlich dadurch vereinfacht werden, dass eine Kühlvor­ richtung in dem Statorgehäuse untergebracht wird. Diese Kühl­ vorrichtung kühlt sowohl den Stator als auch den Lagerdorn und bewirkt eine Wärmeabfuhr der vom Laufrad auf den Lagerdorn übertragenen Wärme.

Wenn die Drehposition des Laufrades ermittelt werden soll, kann ein entsprechender Geber auf induktiver, kapazitiver oder op­ tischer Basis vorgesehen sein, der im Stator angeordnet ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung des Motors als Scheibenläufermotor besteht darin, dass die Stator­ spulen den Rotor anziehen, so dass eine mechanische Aufbringung einer vorspannenden Axialkraft auf das Laufrad nicht erforder­ lich ist.

Das erfindungsgemäße Turboradialgebläse eignet sich insbe­ sondere für schnelllaufende Gebläse, beispielsweise für den Einsatz in schnellgeströmten CO₂-Lasern.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher er­ läutert.

In der Zeichnung ist ein Turboradialgebläse im Längsschnitt dargestellt.

Das Turboradialgebläse weist ein Statorgehäuse 10 und ein Pumpengehäuse 11 auf. Das Pumpengehäuse 11 enthält einen Pumpenraum 12, in dem ein drehbares Laufrad 13 angeordnet ist, welches eine Nabe 14 und davon abstehende Flügel 15 aufweist. Die Flügel 15 haben Außenkanten, die der Kontur der Wand des Pumpengehäuses 11 mit geringem Spalt folgen. Die Pumpe saugt das zu pumpende Fluid axial an und fördert es radial zu den Auslässen 16.

Die Nabe 14 des Laufrades 13 enthält ein Trägerteil 17, welches aus einem Rohrabschnitt 18 und einem Flanschabschnitt 19 besteht. Der Flanschabschnitt 19 bildet die rückwärtige Endwand des Laufrades 13. Er enthält Ausnehmungen, in denen Permanent­ magnete 20 angeordnet sind. Diese Permanentmagnete haben eine axiale Magnetfeldausrichtung. Dies bedeutet, dass der Nordpol N und der Südpol S auf einer parallel zur Laufradachse verlau­ fenden Linie liegen. Das Trägerteil 17 und die Nabe 14 bestehen aus amagnetischen Material.

Angrenzend an die Permanentmagnete 20 ist eine Trennwand 21 vorgesehen, die den Innenraum 22 des Statorgehäuses 10 von dem Pumpenraum 12 trennt. Die Trennwand 21 besteht aus einer magne­ tisch durchlässigen Membran, vorzugsweise aus Fasserverbund­ werkstoff, oder einer Vergußmasse. Sie bewirkt eine Vakuumab­ dichtung zwischen dem Statorraum 22 und dem Pumpenraum 12.

Das Laufrad 13 weist einen inneren Hohlraum 23 auf, der am vor­ deren Ende mit einer Kappe 24 abdichtend verschlossen ist. In diesen Hohlraum 23 ragt ein Lagerdorn 25 hinein, auf dem das Laufrad 13 mit einer Lageranordnung 26 gelagert ist. Zu der Lageranordnung gehören zwei Wälzlager, nämlich ein vorderes Kugellager 27 und ein rückwärtiges Kugellager 28. Diese Kugel­ lager sitzen auf dem Lagerdorn 25 und sie lagern den Rohrab­ schnitt 18 des Trägerteils 17. An jedes Kugellager grenzt min­ destens eine Fettkammer 29 an, die ein pastöses Fett zur Lager­ schmierung enthält. Mindestens eines dieser Lager kann auch als Magnetlager ausgeführt sein. Prinzipiell ist auch eine komplette Lagerausführung in Magnetlager möglich.

Auf dem äußeren Ende des Lagerdorns 25 ist eine Kappe 30 be­ festigt, welche ein Tellerfederpaket 31 abstützt, das seiner­ seits gegen das vordere Kugellager 27 drückt und damit die Lageranordnung axial zusammengepresst hält.

Zwischen den Kugellagern 27 und 28 befindet sich auf dem Lager­ dorn 25 ein Distanzring 32 aus gut wärmeleitendem Material, der in engem Kontakt mit dem Lagerdorn 25 steht. Zwischen der den Hohlraum 23 begrenzenden Wand des rohrförmigen Teils 18 und dem Distanzring 32 befindet sich ein Wärmeübertragungsspalt 33 mit einer Breite von höchstens 0,5 mm, vorzugsweise von ca. 0,4 mm, zur Ableitung der Wärme von dem Laufrad 13 über den Distanzring 32 zum Lagerdorn 25.

Zwischen dem rückwärtigen Ende des Rohrabschnitts 18 des Trägerteils 17 und dem Lagerdorn 25 ist ein Dichtspalt 34 ge­ bildet. Dieser Dichtspalt ermöglicht eine Gasabsaugung aus dem Pumpenraum 12 in den Hohlraum 23. Von dem Hohlraum erfolgt eine Ableitung durch eine (nicht dargestellte) Bohrung im Lagerdorn 25. Der Dichtspalt 34 stellt die einzige Öffnung des Hohlraumes 23 dar.

In dem Statorraum 22 befindet sich der Stator 35 mit den Statorspulen 36, die in ein Eisenpaket 37 eingelassen sind. Der Stator 35 bildet zusammen mit dem die Permanentmagnete 20 enthaltenden Trägerteil 17 den Scheibenläufermotor 44. Die Statorspulen 36 liegen auf demselben Kreis, auf dem sich die Permanentmagnete 20 bei Rotation des Laufrades 13 bewegen. Ein elektronischer Kommutator erzeugt in den Statorwicklungen 36 zyklisch umlaufend Strom, so dass die Statorwicklungen ein umlaufendes Magnetfeld erzeugen. Das Laufrad 13 folgt mit seinen Permanentmagneten 20 diesem Magnetfeld. Es handelt sich bei dem Scheibenläufermotor quasi um eine Magnetkupplung für den berührungslosen Laufradantrieb. Der Luftspalt zwischen den Statorspulen 36 und den Permanentmagneten 20 ist von der Trennwand 21 durchsetzt. Diese Trennwand ist abdichtend an einem Sockel 38 befestigt, der auf einer Bodenwand 39 des Statorgehäuses 10 fest montiert ist und einen Bestandteil des Lagerdorns 25 bildet. Da die Trennwand 21 den Statorraum 22 von dem Vakuumteil trennt, herrscht im Statorraum 22 Atmosphären­ druck. In der Wand des Statorgehäuses 10 befindet sich eine Kabelöffnung 40 für die Durchführung von Stromkabeln. Ferner ist eine Rohrdurchführungsöffnung 41 vorgesehen, durch welche Rohrleitungen 42 hindurchführen, die Bestandteil einer von Kühlwasser durchströmten Kühlschlange ist, welche die Kühlvor­ richtung 43 bildet. Die Kühlvorrichtung 43 kühlt sowohl den Stator 35 als auch den Lagerdorn 25 und führt die Wärme aus dem gesamten Gebläsegehäuse ab.

Das Turboradialgebläse besteht aus wenig Einzelteilen und ist kostengünstig herstellbar. Es ist weitgehend wartungsfrei.

Claims (9)

1. Turboradialgebläse mit einem drehbar gelagerten Laufrad (13) und einem das Laufrad treibenden Motor, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein permanenterregter Scheibenläufermotor (44) ist, der an dem Laufrad (13) befestigte Permanent­ magnete (20) mit axialer Magnetfeldausrichtung und orts­ feste Statorspulen (36) aufweist, und dass das Laufrad (13) mit einer Lageranordnung (26), welche in einem Hohlraum (23) des Laufrades untergebracht ist, auf einem in den Hohlraum (23) ragenden feststehenden Lagerdorn (25) ge­ lagert ist.

2. Turboradialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (26) eine Fettschmierung mit min­ destens einer Fettkammer (29) aufweist.

3. Turboradialgebläse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Hohlraum (23) des Laufrades (13) nur zur Rückseite hin offen ist und dass am rückwärtigen Ende des Hohlraums (23) zwischen dem Laufrad (13) und dem Lagerdorn (25) ein Dichtspalt (34) ausgebildet ist.

4. Turboradialgebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass zwischen der den Hohlraum (23) begrenzenden Wand und einem gut wärmeleitend auf dem Lager­ dorn (25) sitzenden Distanzring (32) ein schmaler Wärme­ übertragungsspalt (33) von höchstens 0,5 mm Breite zur Ab­ leitung von Wärme von dem Laufrad (13) auf den Lagerdorn (25) gebildet ist.

5. Turboradialgebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass zwischen dem Laufrad (13) und den Statorspulen (36) eine druckdichte magnetisch durchläs­ sige Trennwand (21) angeordnet ist.

6. Turboradialgebläse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspulen (36) in einem unter Atmosphärendruck stehenden Statorgehäuse (10) enthalten sind, welches eine Kühlvorrichtung (43) enthält.

7. Turboradialgebläse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (38) des Lagerdorns (25) in wärmeleitendem Kontakt mit dem Stator (35) steht und aus diesem herausragt und dort der Einwirkung der Kühlvorrichtung (43) ausgesetzt ist.

8. Turboradialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lager in fettgeschmierter Ausführung und ein Lager, vorzugsweise das Untere, als passives Magnetlager ausgeführt ist.

9. Tuboradialgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung mit aktiven Magnetlagern ausgeführt ist.