DE10121709A1 - Elektromagnetisches Antriebssystem - Google Patents

Abstract

Bei einem elektromagnetischen Antriebssystem für einen Verbraucher, der sich innerhalb einer Kammer, beispielsweise einer Sterilisierkammer, befindet, die von der Umgebung mindestens teilweise durch eine Wand aus magnetfelddruchlässigem Material getrennt ist, wobei außerhalb der Kammer phasenverschoben strombeaufschlagte Erregerspulen vorgesehen sind und ein Bereiche des Kammerinnenraumes durchsetzendes bewegtes magnetisches Feld erzeugt wird, das mit einem im Kammerinnenraum drehbar gelagerten Rotor zum Antrieb des Verbrauchers in Wechselwirkung tritt, wird eine Vereinfachung des Aufbaus und eine Verringerung der Abmessungen in Axialrichtung bei Erhöhung der Antriebsmomente und Erhöhung des Wirkungsgrades dadurch erreicht, daß von den Erregerspulen umschlungene Kerne von dem außerhalb der Kammer gelegenen Bereich, in dem sich die Erregerspulen befinden, dicht durch die Kammerwand hindurch zu innerhalb der Kammer liegenden Polstücken geführt sind, von denen die Feldlinien des bewegten magnetischen Feldes ausgehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Antriebssystem für einen Verbraucher, der sich innerhalb einer Kammer befindet, die von der Umgebung mindestens teilweise durch eine Wand aus magnetfelddurchlässigem Material getrennt ist.

Allgemein bekannt sind magnetische Rühreinrichtungen mit einer Gerätebasis, welche ein Magnetfeld-Erzeugungssystem enthält. Auf die Gerätebasis wird ein Rührgefäß auf­ gesetzt, in welchem sich eine zurührende oder zu durchmischende Flüssigkeit befindet, in die ein magnetischer Rührstab eingebracht ist. Durch Erregung der Magnetspulen mit phasenversetzten Strömen bildet sich über der das Rührgefäß tragenden Fläche der Ge­ rätebasis ein elektromagnetisches Drehfeld aus, welches die Wand des Rührgefäßes durchdringt und mit dem im Rührgefäß befindlichen Rührstab in Wechselwirkung tritt. Das aus der Gerätebasis und dem Rührstab gebildete Antriebssystem stellt somit einen Synchronmotor dar, dessen Polrad hier die Gestalt des magnetischen Rührstabes hat. Dieses Rührstab ist also sowohl Antriebsrotor als auch Verbraucher des Antriebssy­ stems.

Verbraucher, welche höhere Antriebsdrehmomente erforderlich machen, etwa in einer Kammer befindliche Pumpen, Lüfterräder oder Rührflügel, werden im allgemeinen von einem außerhalb der Kammer befindlichen Antriebsmotor aus, mittels einer Welle an­ getrieben, welche über eine gas- oder flüssigkeitsdichte Durchführung in die Kammer zu dem betreffenden Verbraucher reicht. Die sichere Abdichtung der rotierenden An­ triebswelle bereitet jedoch mitunter Schwierigkeiten.

Eine dichte Durchführung der Antriebswelle für den in einer Kammer befindlichen Ver­ braucher konnte durch ein Antriebssystem vermieden werden, das in der deutschen Offenlegungsschrift 197 39 785 beschrieben ist. Dieses bekannte Antriebssystem für einen Verbraucher, der sich innerhalb einer Kammer befindet, die von der Umgebung mindestens teilweise durch eine Wand aus magnetfelddurchlässigem Material getrennt ist, enthält außerhalb der Kammer befindliche, zyklisch phasenverschoben strombeauf­ schlagte Erregerspulen zur Erzeugung eines Bereiche des Kammerinnenraumes durch­ setzenden magnetischen Drehfeldes, welches mit einem im Kammerinnenraum befindli­ chen und dort drehbar gelagerten Rotor in Wechselwirkung tritt, und ein mit Perma­ nentmagneten bestücktes Magnetpolrad, das einerseits ein mit dem Magnetfeld der Er­ regerspulen in Wechselwirkung tretendes Primärmagnetfeld und anderseits das Bereiche des Kammerinnenraumes durchsetzende magnetische Drehfeld als Sekundärmagnetfeld erzeugt. In diesem Antriebssystem ist also das mit Permanentmagneten besetzte Mag­ netpolrad einerseits als Rotor eines außerhalb der Kammer befindlichen Synchronmo­ tors und andererseits als der außerhalb der Kammer befindliche Teil einer durch die Kammerwand hindurch wirkenden Magnetkupplung zu betrachten, deren in der Kam­ mer befindliche Teil der mit dem Verbraucher gekuppelte Rotor ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektromagnetisches Antriebssystem der eingangs definierten Art so auszugestalten, daß der Aufbau vereinfacht, die Abmessungen in Axialrichtung vermindert, die erzielbaren Antriebsmomente erhöht und der Wirkungsgrad verbessert werden.

Dieses Ziel wird Erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip besteht darin, für den über den Rotor in­ nerhalb der Kammer geführten magnetischen Schließungskreis dadurch einen Minimal­ wert des magnetischen Widerstandes zu erzielen, daß die Luftspalte in diesem Kreis in den Kammerinnenraum hinein verlegt werden und verhältnismäßig eng ausgebildet werden können, da sie nicht gleichzeitig auch der magnetfelddurchlässigen Wand zwischen Kammerinnenraum und der freien Umgebung Platz bieten müssen.

Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise in einem Axialschnitt gezeigte Ansicht eines elektromagnetischen Antriebssystems der hier angegebenen Art unter Weglassung einiger Teile aus Gründen der Übersichtlichkeit; und

Fig. 2 eine Untersicht, d. h. eine Ansicht vom Kammerinnenraum aus, des Antriebssystems nach Fig. 1.

In den Zeichnungen ist eine magnetfelddurchlässige Wand eines Behälters oder einer Kammer mit 1 bezeichnet. Die Wand 1 trennt einen Innenraum 2 des betreffenden Be­ hälters oder der Kammer von der freien Umgebung 3. In dem Innenraum 2 kann ein Vakuum oder ein erhöhter Druck, eine tiefe oder hohe Temperatur, eine aggressive At­ mosphäre und dergleichen aufrechterhalten sein.

Innerhalb des Kammerinnenraumes 2 befindet sich ein nicht dargestellter Verbraucher, der durch das hier angegebene Antriebssystem in Umdrehung zu versetzen ist und der mit dem Antriebssystem über eine Hohlwelle 4 gekuppelt ist. Das dem Antriebssystem zugekehrte Ende der Hohlwelle 4 ist über ein Lager 5, beispielsweise ein Kugellager, an einer an der Wand 1 befestigten Achse 6 abgestützt und drehfest mit dem Rotor 7 des Antriebsmotors verbunden. Auf Einzelheiten des Rotors 7 wird weiter unten noch näher eingegangen. Es genügt hier die Feststellung, daß der Rotor 7 mit einem bewegten magnetischen Feld, insbesondere einem Drehfeld in Wechselwirkung kommt und von diesem mitgenommen wird.

Der Rotor 7 ist, wie insbesondere aus der Untersicht von Fig. 2 erkennbar ist, von einem Kranz von Polstücken 8 umgeben, welche kreisringsektorförmige Gestalt haben. Von den Polstücken 8 ragen mit Außengewände versehene zylindrische Kerne 9 nach aufwärts jeweils durch Bohrungen 10 der Wand 1, wobei die Bohrungen 10 auf einem Teilkreis liegen, der größeren Durchmesser hat, als der Außendurchmesser des Rotors 7 beträgt. Der Außenumfang des Rotors 7, die von den nach innen weisenden Flächen der Polstücke 8 begrenzte Zylinderfläche und der Teilkreis der Bohrungen 10 sind zu der Hohlwelle 4 und zu der Achse 6 koaxial.

Die Polstücke 8 sind mittels auf die Kerne 9 aufgeschraubter, an der Außenseite der Wand 1 aufliegender Muttern 11 unter Zwischenlage von Dichtungsringen 12 gegen die Innenseite der Wand 1 angespannt und festgezogen. Gemäß einer in Fig. 2 angedeu­ teten Abwandlung kann anstelle der einzelnen, jeweils den Rand einer Bohrung 10 um­ gebenden Dichtungsringe 12 auch ein großer, durchgehender Dichtungsring mit zu den Bohrungen 10 jeweils fluchtenden Bohrungen oder Durchbrüchen vorgesehen sein.

Nach Festziehen der Muttern 11 auf den Kernen 9 werden auf sämtliche dieser Kerne Erregerspulen 14 aufgeschoben. Diese Erregerspulen 14 sind über in Fig. 1 nur sche­ matisch angegebene Leitungen 15 zu einer Statorwicklung zusammengeschaltet, welche zyklisch phasenverschoben strombeaufschlagbar ist, derart daß innerhalb des Kammerinnenraumes ein resultierendes bewegtes Magnetfeld, insbesondere ein magnetisches Drehfeld, erzeugt wird.

Nach Aufschieben der Erregerspulen 14 wird über sämtliche aufragenden Kerne 9 ein Jochring 16 geschoben, der mit den Bohrungen 10 der Wand 1 jeweils fluchtende Boh­ rungen 17 zur Aufnahme der Kerne 9 aufweist. Schließlich wird der Jochring 16 durch auf die noch über den Jochring 16 aufragenden Abschnitte der Kerne 9 'aufgeschraubte Muttern 18 befestigt. Es versteht sich, daß, wie bereits gesagt, die Wand 1 aus magne­ tisch nicht aktivem, magnetfelddurchlässigem Material besteht, während die Polstücke 8, die Kerne 9 und der Jochring 16 aus magnetisch aktivem Werkstoff, insbe­ sondere magnetisch weichem Material bestehen, wobei jedenfalls die Polstücke 8 aus derartigem Material unter gleichzeitiger Erfüllung der Anforderung gefertigt sind, daß die Polstücke 8 den im Kammerinnenraum herrschenden Bedingungen standhalten müs­ sen.

Sind die Polstücke 8 mit den Kernen 9 einstückig ausgebildet, so bestehen selbstver­ ständlich auch die Kerne 9 aus entsprechendem Material, beispielsweise aus nicht ro­ stendem, magnetisch aktivem Material. Sind aber die Polstücke 8 und die Kerne 9 je­ weils getrennte Bauteile, so müssen nur die Polstücke 8 aus dem den Bedingungen im Kammerinnenraum standhaltenden Werkstoff gefertigt sein und die Kerne 9, welche in Gewindesackbohrungen der Polstücke 8 eingeschraubt sind, können dann aus einem anderen, gegebenenfalls thermisch und/oder chemisch weniger widerstandsfähigen Ma­ terial bestehen.

Gemäß einer Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion können die Kerne 9 fest mit dem Jochring 16 verbunden, beispielsweise verschweißt sein, so daß zur Mon­ tage der Jochring und die Kerne zunächst mit den Erregerspulen bestückt und dann mit den den Polstücken 8 zugekehrten Enden in die Bohrungen 10 eingeführt werden, wo­ nach mit Gewindesackbohrungen versehene Polstücke 8 von dem Kammerinnenraum 2 her auf die Kerne aufgeschraubt werden, was wiederum unter Zwischenlage von Dich­ tungsringen oder einem einzigen, entsprechend großen Dichtungsring nach der Art des Dichtungsringes 13 geschieht.

In den Rotor 7 sind Permanentmagnetstücke 19 eingebettet, welche jeweils wechselnde Orientierung ihrer Magnetisierung aufweisen, so daß ein Synchronmaschinenpolrad gebildet ist, dessen Polpaarzahl im vorliegenden Beispiel 2 beträgt.

Es versteht sich, daß vom Fachmann je nach den Anforderungen des Antriebs für einen speziellen Verbraucher auch andere Polpaarzahlen und andere Zahlen von Erregerspu­ len 14 gewählt werden können.

Abweichend von dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Rotor 7 auch als Asynchron-Kurzschlußläufer ausgebildet sein, welcher mit dem durch die Erreger­ spulen 14 erzeugten und zwischen den Polstücken 8 zur Wirkung kommenden magneti­ schen Drehfeld in Wechselwirkung tritt.

Schließlich kann der Rotor auch ein sich auf das bewegte magnetische Feld ausrichtender und ihm folgender Weicheisen-Rotor sein, etwa ein aus kreuzförmigen Blättchen zusammengesetztes Blechpaket, welches zwecks Verbesserung der Anlaufeigenschaften einen bestimmten Versatz zwischen den Einzelblechen in Umfangsrichtung aufweist.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß bei einer größeren Polzahl des stillstehenden Magnetfelderzeugungssystems das bewegte magnetische Feld auch durch Strombeaufschlagung benachbarter Erregerspulen oder benachbarter Erregerspulengruppen mit wechselnder Stromrichtung gleichsam vorgetäuscht werden kann.

Ein elektromagnetisches Antriebssystem der hier angegebenen Art kann auch, wie der Fachmann aus vorstehendem ersieht, als ein elektromagnetischer Dreh-Schrittmotor verstanden werden.

Um bei größeren, den elektromagnetischen Antriebssystem zu erzeugenden Drehmomenten ein Außertrittfallen des Rotors gegenüber dem bewegten magnetischen Feld zu vermeiden, kann gemäß einer weiteren Abwandlung auch vorgesehen sein, die jeweilige relative Drehstellung des Rotors zu detektieren und die Strombeaufschlagung der Erregerspulen abhängig von dem Detektierungsergebnis zu steuern, was allerdings an sich bekannt ist.

Man erkennt, daß der hier angegebene Antrieb in Axialrichtung minimale Abmessungen aufweist und von abzudichtenden Durchführungen für rotierende Wellen freigehalten ist. Bei einfachem Aufbau der gesamten Dichtungskonstruktion für die Durchführung der Kerne des Magnetfelderzeugungssystems wird ein minimaler magnetischer Wider­ stand des über den Rotor geführten magnetischen Schließungskreises erreicht und ein intensives magnetisches Feld unmittelbar in dem innerhalb des Kammerraumes befind­ lichen Bereich zwischen den Polstücken erzeugt.

Hat der aus magnetfelddurchlässigem Material bestehende Wandteil die Gestalt eines Behälterdeckels aus Kunststoff, so kann die Anordnung von Kernen auch in den Kunst­ stoff eingegossen werden, wobei die Kerne 9 in dem im Kunststoff eingebetteten Ab­ schnitt mit entsprechenden Bünden zur Verbesserung der Abdichtung versehen sind.

Claims (11)

1. Elektromagnetisches Antriebssystem für einen Verbraucher, der sich innerhalb einer Kammer (2) befindet, die von der Umgebung mindestens teilweise durch eine Wand (1) aus magnetfelddurchlässigem Material getrennt ist, mit außerhalb der Kammer befindlichen, phasenverschoben strombeaufschlagten Erregerspulen (14) und mit Mitteln zur Erzeugung eines Bereiche des Kammerinnenraumes (2) durchsetzenden bewegten magnetischen Feldes, welches mit einem im Kammerinnenraum befindlichen und dort drehbar gelagerten Rotor (7) in Wechselwirkung tritt, der den Verbraucher antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß von den Erregerspulen (14) umschlungene Kerne (9) von dem außerhalb der Kammer liegenden Bereich, in dem sich die Erregerspulen (14) befinden, dicht durch die Kammerwand (1) hindurch zu innerhalb der Kammer liegenden Polstücken (8) geführt sind, von denen die Feldlinien des bewegten magnetischen Feldes ausgehen.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (9) auf der von der Kammerwand (1) abliegenden Seite der Erregerspulen (14) durch einen Jochring (16) verbunden sind.

3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (9) und/oder die Polstücke (8) jeweils gegenüber der Kammerwand (1) über Dichtringe (12) oder an einem gemeinsamen Dichtring (13) anliegende Flächen abgedichtet sind.

4. Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne von auf sie aufgeschraubten Polstücken (8) gegen die Kammerwand (1) festgespannt sind.

5. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (9) im Bereich der Durchführung durch die Kammerwand (1), welche aus gießbarem Kunststoff besteht, in diese eingegossen sind.

6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher ein Lüfterrad ist.

7. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher ein Rührwerk ist.

8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) ein mit Dauermagnetstücken (19) besetztes Polrad ist.

9. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Asynchronmotor-Kurzschlußläufer ist.

10. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein sich auf das bewegte magnetische Feld ausrichtender und ihm folgender Weichteile-Rotor ist.

11. Antriebssystem nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Rotorstellung detektierbar und abhängig vom Detektierungsergebnis das bewegte magnetische Feld steuerbar ist.