DE102007028356A1 - Permanently excited rotor for working machines - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine (1), die direkt oder indirekt verbunden ist mit einem Motor (2), wobei eine Kraftübertragung vom Motor (2) auf die Arbeitsmaschine (1) mit mindestens einem durch magnetische oder elektromagnetische Felder angetriebenen Rotor (4) erfolgt, insbesondere ein Rotor zum Antrieb von Strömungsmaschinen, wobei der Rotor (4) mit Permanentmagneten (3) ausgestattet und für einen Betrieb in einer chemisch aggressiven Umgebung ausgebildet ist. Der Rotor (4) und eine damit verbundene Welle (6, 6.1, 6.2, 6.3) sind einteilig aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl aus der Gruppe ferritisch-austenischer Duplexstähle hergestellt und am Rotor angeordnete Permanentmagnete (3) sind vor chemischen Angriffen geschützt (Fig. 1).The invention relates to a working machine (1) which is directly or indirectly connected to a motor (2), wherein a power transmission from the motor (2) to the working machine (1) with at least one driven by magnetic or electromagnetic fields rotor (4) , in particular a rotor for driving turbomachines, wherein the rotor (4) equipped with permanent magnets (3) and adapted for operation in a chemically aggressive environment. The rotor (4) and a shaft connected thereto (6, 6.1, 6.2, 6.3) are made in one piece from a corrosion-resistant stainless steel from the group of ferritic-austenitic duplex steels and permanent magnets (3) arranged on the rotor are protected against chemical attack (FIG ).
Description
Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine, die direkt oder indirekt verbunden ist mit einem Motor, wobei eine Kraftübertragung vom Motor auf die Arbeitsmaschine mit mindestens einen durch magnetische oder elektromagnetische Felder angetriebenen Rotor erfolgt, insbesondere ein Rotor zum Antrieb von Strömungsmaschinen, wobei der Rotor mit über den Umfang verteilten Permanentmagneten ausgestattet und für einen Betrieb in einer chemisch aggressiven Umgebung ausgebildet ist.The The invention relates to a working machine, directly or indirectly Connected to a motor, being a power transmission from the engine to the working machine with at least one by magnetic or electromagnetic fields driven rotor takes place, in particular a rotor for driving turbomachines, wherein the Rotor with circumferentially distributed permanent magnets equipped and for operation in a chemically aggressive Environment is formed.
Solche Arbeitsmaschinen finden häufig Anwendung im Bereich der chemischen Industrie in Form einer Strömungs-Arbeitsmaschine, häufig einer Fördereinrichtung in Form einer Pumpe; ebenso bei Mischern und Rührern. Dort sind mit Permanentmagneten ausgestattet Rotoren in Magnetkupplungen, Hysteresekupplungen oder Spaltrohrmotoren eingesetzt. Für eine hermetische Abdichtung einer mit aggressiven, gefährlichen oder kostbaren Flüssigkeiten beaufschlagten Arbeitsmaschine sind derartige Rotoren innerhalb eines mit Fördermedium gefüllten Spalttopfes oder Spaltrohres angeordnet. Dieses im folgenden als Spaltelement bezeichnete Bauteil dient zur hermetischen Abdichtung zwischen zwei Räumen, zum einen der Umgebung und zum anderen einem mit gefährlichen Fördermedium gefüllten, den Rotor enthaltenden Raum. Die Beanspruchungskriterien ergeben sich aus den korrosiven, erosiven, abrasiven, kavitierenden und tribologischen Faktoren und/oder Beanspruchungen.Such Working machines are often used in the field of chemical industry in the form of a flow working machine, often a conveyor in the form of a pump; also with mixers and stirrers. There are permanent magnets equipped rotors in magnetic clutches, hysteresis clutches or Canned motors used. For a hermetic seal one with aggressive, dangerous or precious liquids acted upon Working machine are such rotors within a medium filled gap pot or canned arranged. This hereinafter referred to as a gap element component is used for hermetic Sealing between two rooms, on the one hand the environment and on the other hand one with dangerous medium filled space containing the rotor. The stress criteria arise from the corrosive, erosive, abrasive, cavitating and tribological factors and / or stresses.
Auf einen solchen mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor überträgt ein zweites Element, gewöhnlich ein äußeres Element, eine Antriebsenergie. Ist der Rotor Bestandteil von einem elektronisch kommutierten Motor, so wäre das zweite Element ein Stator mit einer Drehfeldwicklung. Durch deren umlaufende und auf den mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor einwirkenden magnetischen Drehfelder be sitzt ein solcher Antrieb einen wesentlich höheren Systemwirkungsgrad. Dadurch fallen für einen Anlagenbetreiber die Lebenszykluskosten einer durch einen solchen Rotor angetriebenen Maschine günstiger aus. Und ist der Rotor als Bestandteil einer Magnet- oder Hysteresekupplung ausgebildet, so überträgt ein rotierend angeordneter Außenrotor mit seinen Permanentmagneten seine Rotationsbewegung auf den mit der Arbeitsmaschine verbundenen Rotor. Die Magnetkräfte bewirken dabei den Mitnahmeeffekt. Bei einer hermetisch dichten Kupplung ist zwischen Rotor und Außenrotor ein dichtendes Spaltelement angeordnet.On transmits such equipped with permanent magnets rotor a second element, usually an outer one Element, a driving energy. Is the rotor part of one? electronically commutated motor, that would be the second element a stator with a rotating field winding. Through their circulating and acting on the rotor equipped with permanent magnets magnetic rotating fields be sitting such a drive a significant higher system efficiency. As a result, fall for a plant operator the life cycle costs of a through a such rotor driven machine cheaper. And is the rotor as part of a magnetic or hysteresis coupling formed so transmits a rotating arranged Outer rotor with its permanent magnets its rotational movement on the rotor connected to the working machine. The magnetic forces cause the deadweight effect. In a hermetically sealed Coupling is a sealing between rotor and outer rotor Split element arranged.
Solche Rotoren mit am Umfang angeordneten Permanentmagneten bestehen aus einem Rotoraktivteil für den magnetischen Rückschluss der Permanentmagnete und sind zur Drehmomentübertragung mit einer Welle verbunden. Das Rotoraktivteil ist von einer korrosionsbeständigen Metallhülle ummantelt, um die Oberflächen der Permanentmagnete vor dem Angriff durch die Flüssigkeit zu schützen und im Betrieb auftretende Fliehkräfte aufzunehmen. Eine solche Ummantelung reduziert zusätzlich den hydraulischen Widerstand des innerhalb eines Spaltelementes in der Flüssigkeit rotierenden Rotors. Das Drehmoment eines solchen Rotors wird mit der Welle auf ein Element einer Arbeitsmaschine, gewöhnlich ein Laufrad einer Pumpe, übertragen. Die Welle ist aus einem gegenüber der jeweiligen Flüssigkeit beständigen Material gefertigt. Aufgrund seiner Funktion besteht der Rotor aus einem magnetisch hoch permeablen, korrosionsunbeständigen Material. Deshalb sind zusätzlich zu der Ummantelung auch die Stirnflächen des Rotoraktivteils und die Übergange zur korrosionsbeständigen Welle durch zusätzliche Mittel abzudichten und vor Korrosion zu schützen. Dies erfolgt durch zusätzliche Schutzbleche oder Vergussmaßnahmen.Such Rotors with circumferentially arranged permanent magnets consist of a rotor active part for the magnetic return the permanent magnets and are for torque transmission connected to a wave. The rotor active part is of a corrosion resistant Metal shell sheathed to the surfaces of the Permanent magnets from attack by the liquid to protect and occurring during operation centrifugal forces receive. Such a sheath additionally reduces the hydraulic resistance of within a gap element in the liquid rotating rotor. The torque of a such rotor is used with the shaft on an element of a working machine, usually an impeller of a pump. The shaft is out of one opposite the respective fluid made of durable material. Because of its function The rotor consists of a magnetically highly permeable, corrosion-resistant Material. Therefore, in addition to the sheath and the End faces of the rotor active part and the transitions to the corrosion resistant shaft by additional Seal medium and protect against corrosion. This done by additional mudguards or potting.
Eine
andere Lösung zeigt die
Es ist Aufgabe der Erfindung, für einen im chemischen Bereich verwendbaren, flüssigkeitsumspülten Rotor einen Aufbau zu entwickeln, womit eine hohe Beständigkeit gegenüber korrosiven und/oder aggressiven Flüssigkeit gegeben und ein hoher Wirkungsgrad für einen mit einem solchen Rotor ausgestatteten Antrieb gewährleistet ist.It is an object of the invention, for a usable in the chemical field, flüssigkeitsum rinsed rotor to develop a structure, which gives a high resistance to corrosive and / or aggressive liquid and ensures high efficiency for a drive equipped with such a rotor.
Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass ein Rotoraktivteil und eine damit verbundene Welle aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl aus der Gruppe ferritisch-austenischer Duplexstähle mit 40–60% Ferrit hergestellt ist und dass in den Außenumfang eines solchen Rotoraktivteiles integrierte Permanentmagnete vor chemischen Angriffen geschützt sind. Durch die Ausbildung von Rotoraktivteil und Welle aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl aus der Gruppe ferritisch-austenischer Duplexstähle entfallen die bisher notwendigen Schutzmaßnahmen im Bereich zwischen Rotoraktivteil und dem Übergang zur Welle. In dem Rotoraktivteil kann die Welle oder können Wellenteile in an sich bekannter Art als separate Teile angeordnet sein. Ebenso kann der Rotor als ein einteiliger Rotor mit angeformter Welle gestaltet sein. Hierfür hat sich die Verwendung eines gegossenen oder geschmiedeten Vorformling und dessen spanabhebende Bearbeitung als vorteilhaft erwiesen. Die Verwendung eines Edelstahles aus der Gruppe ferritisch-austenischer Duplexstähle für einen Rotor mit angeformter oder in dem Rotoraktivteil angeordneter Welle oder Wellenteilen bedingen eine erhebliche Materialreduzierung im gesamten Herstellungsprozess.The Solution to this problem provides that a rotor active part and an associated shaft made of a corrosion resistant Stainless steel from the group of ferritic-austenitic duplex steels made with 40-60% ferrite and that in the outer circumference such a rotor active part integrated permanent magnets before chemical attacks are protected. Through the training of rotor active part and shaft made of a corrosion resistant Stainless steel from the group of ferritic-austenitic duplex steels eliminates the previously necessary protective measures in the area between rotor active part and the transition to the shaft. In the rotor active part can be the shaft or shaft parts be arranged in a conventional manner as separate parts. As well For example, the rotor can be designed as a one-piece rotor with an integrally formed shaft be. For this purpose, the use of a cast or forged preform and its machining proved to be advantageous. The use of a stainless steel from the Group of ferritic-austenic duplex steels for a rotor with molded or arranged in the rotor active part Shaft or shaft parts cause a significant reduction in material throughout the manufacturing process.
Dem vermeintlichen Nachteil einer schwierigeren Bearbeitung solcher Duplexstähle steht der gravierende Vorteil eines einzigen hochkorrosionsbeständigen Materials gegenüber. Dadurch wird gegenüber der bisherigen Verwendung von verschiedenen Materialien eine Bauteilstandarisierung, Materialminimierung und schnellere Fertigung erreicht. Die bisher erforderlichen separaten Schutzmaßnahmen einzelner Blechlamellen entfallen damit vollständig. Und im Gegensatz zu einem Rotorkörper aus einem magnetisch hochpermeablen Material weist der aus einem Duplexstahl bestehende Rotoraktivteil eine wesentlich geringere Drehmomentwelligkeit auf, wodurch das Rotationsverhalten verbessert wird.the supposed disadvantage of a more difficult processing of such Duplex steels represent the serious advantage of a single one highly corrosion resistant material. This will over the previous use of different materials a component standardization, material minimization and faster Production achieved. The previously required separate protective measures individual laminations are thus completely eliminated. And in Unlike a rotor body made of a magnetically highly permeable Material has the rotor active part consisting of a duplex steel a much lower torque ripple, whereby the Rotation behavior is improved.
Ausgestaltungen
sehen vor, dass das Rotoraktivteil aus mehreren Rotormodulen zusammengesetzt
ist, wobei eine axiale Länge eines Rotormoduls durch die
Abmessungen von darin anzuordnenden Permanentmagneten definiert
ist. Die Rotormodule sind formschlüssig und/oder mittels
einer Welle oder mittels Wellenteilen aneinander befestigt. Dadurch
ist in einfacher Weise eine Anpassung an die jeweils benötigte
Rotorbaulänge zur Erlangung der für den jeweiligen
Anwendungsfall notwendigen permanentmagnetischen Energie möglich.
Auch können damit lange Rotorbaulängen einfach
realisiert werden. Jedes Rotormodul besteht hierbei aus einem massiven Edelstahlblock
aus der Gruppe der Duplexstähle. Eine Verwendung von Modulen
in Form von paketierten Blechschnitten, wie sie durch die
Eine Maßnahme, wonach die Permanentmagnete unterhalb der Rotoroberfläche angeordnet sind, schützt die Permanentmagnete vor dem Angriff durch korrosive oder aggressive chemische Fördermedien. Die Rotoroberfläche kann hierbei durch eine dünnwandige Hülse aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl aus der Gruppe der ferritisch-austenischen Duplexstähle gebildet sein. Eine solche Hülse wird an einem Rotoraktivkörper oder an einem aus Rotormodulen zusammengesetzten Rotoraktivkörper dichtend befestigt. Dies kann mittels Laserschweißen oder anderer bekannter Mittel erfolgen.A Measure, according to which the permanent magnets below the rotor surface are arranged, the permanent magnets protects against attack by corrosive or aggressive chemical media. The rotor surface can in this case by a thin-walled sleeve a corrosion resistant stainless steel from the group of be formed ferritic-austenic duplex steels. A Such sleeve is on a rotor active body or on a rotor active body composed of rotor modules sealingly attached. This can be done by laser welding or other known means.
Bei
einem Verzicht auf eine zusätzliche Hülse zur
Ausbildung der zylindrischen Rotoroberfläche können
die Permanentmagnete direkt innerhalb der Oberfläche des
Rotoraktivkörpers angeordnet sein. Hierbei werden die Permanentmagnete
dicht unterhalb der äußeren Oberfläche
beziehungsweise der zylindrischen Außenumfangsfläche
innerhalb des Rotoraktivkörpers angeordnet, um durch die
massive Rotoroberfläche einen Schutz gegen Korrosionsangriffe
auf die gefährdeten Permanentmagnete zu erhalten. Ein solches
Einsetzen der Permanentmagnete in den Rotor, den Rotoraktivkörper
oder in mehrere massiv ausgebildete Rotormodule sieht Taschen vor, die
sich von einer Rotorstirnseite aus in axialer Richtung dicht unter
der Außenumfangsfläche erstrecken und die Permanentmagnete
aufnehmen. In Abhängigkeit von Art und Aufbau solcher Taschen
müssen nach einer Montage an einer oder beiden Rotorstirnseiten
nur die Aufnahmeöffnungen der Taschen abgedichtet werden.
Dazu sind die an mindestens einer Rotorstirnseite angeordneten Aufnahmeöffnungen der
Magnettaschen durch separate Mittel verschlossen. Zwar ist durch
die
Bei Verwendung von mehreren Rotormodulen wird die Abdichtung der Permanentmagnete an jedem Rotormodul vorgenommen. Ein aus Duplexstahl gefertigtes Rotormodul mit fertigungstechnisch optimierter Axiallänge wäre auf einer CNC-Werkzeugmaschine als ein Serienprodukt nahezu vollautomatisch herstellbar.at Using multiple rotor modules will seal the permanent magnets made on each rotor module. A made of duplex steel Rotor module with production optimized axial length would be on a CNC machine tool as a serial product Almost fully automatic.
Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die in Taschen des Rotoraktivteiles angeordneten Permanentmagnete schalenförmig, stabförmig, quaderförmig oder ähnlich ausgebildet sind.refinements the invention provide that in pockets of the rotor active part arranged permanent magnets shell-shaped, rod-shaped, cuboid or similar.
Ebenso ist es möglich, einen Rotor mit oder ohne Flusssperren zwischen den im Außenumfang angeordneten Permanentmagneten auszustatten. Einem für die Flusssperren bedingter geringfügig erhöhter Fertigungsaufwand steht der längerfristige Vorteil einer entsprechenden Reduzierung des Polstreuflusses gegenüber. Somit ist eine langfristige Energieeinsparung für eine damit ausgerüstete Arbeitsmaschine gewährleistet.As well It is possible to use a rotor with or without flow barriers between the permanent magnets arranged in the outer circumference equip. One for the river barriers caused slightly increased production costs is the longer-term advantage a corresponding reduction of the Polstreuflusses opposite. Thus, a long term energy saving for one thus equipped machine guaranteed.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Verwendung eines Edelstahles aus der Gruppe der ferritisch-austenischen Duplexstähle für solche permanent erregten Rotoren praktisch keinen energetischen Effizienznachteil bedeutet. Zwar besitzen korrosionsbeständige Materialien in Form der Duplexstähle eine kleinere magnetische Permeabilität, welche den magnetischen Spannungsabfall in einem Rotorkörper erhöht. Dadurch sinken die permanenterregte Luftspaltinduktion und die sogenannte Polradspannung und damit das Luftspaltdrehmoment nur leicht. Da aber mit abnehmender Luftspaltinduktion gleichzeitig auch die bisherigen Eisenverluste in einem den Rotor umgebenden Ständer eines Antriebsmotors und auch im Rotor selbst zurück gehen, ändert sich der Wirkungsgrad eines solchen Antriebsmotors bei geeigneter Auslegung der Material- und Wandstärken nur unwesentlich gegenüber den bisherigen Ausführungen mit magnetisch hoch permeablem aber nicht korrosionsbeständigem Material.According to the invention was recognized that the use of a stainless steel from the group of ferritic-austenic Duplex steels for such permanently excited rotors practically means no energy efficiency disadvantage. Though have corrosion-resistant materials in the form of duplex steels a smaller magnetic permeability, which is the magnetic Increased voltage drop in a rotor body. Thereby decrease the permanent-magnet air gap induction and the so-called Polradspannung and thus the air gap torque only slightly. There but with decreasing air gap induction at the same time the previous ones Iron losses in a stator surrounding the rotor Drive motor and also go back in the rotor itself changes the efficiency of such a drive motor at a suitable Design of the material and wall thickness only insignificant compared to the previous versions with magnetic highly permeable but not corrosion resistant material.
Beim Einsatz des Rotors als Teil einer durch Magnetkräfte angetriebenen Kupplung verhält es sich analog. Bei Magnet- oder Hysteresekupplungen ist das innere Kupplungsteil ebenfalls ein permanentmagneterregter Rotor, der im Prinzip baugleich wie beim permanenterregten Pumpenmotor ist. Somit ist eine Teileverkopplung grundsätzlich möglich. Durch den modularen Aufbau des Rotors ergibt sich der Vorteil ei ner Drehmomentstaffelung für eine Produktbaureihe unterschiedlicher Antriebsleistungen.At the Use of the rotor as part of a magnetic force driven Coupling behaves analogously. For magnetic or hysteresis clutches the inner coupling part also a permanent magnet excited rotor, the same in principle as the permanent-magnet pump motor is. Thus, a part coupling is possible in principle. Due to the modular structure of the rotor, there is the advantage ei ner Torque graduation for a product series different Drive performance.
Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Permanentmagnete schalenförmig, stabförmig, quaderförmig oder ähnlich ausgebildet sind.refinements of the invention provide that the permanent magnets are shell-shaped, rod-shaped, cuboidal or similar are formed.
Ebenso ist es möglich, einen Rotor mit oder ohne Flusssperren zwischen den im Außenumfang angeordneten Permanentmagneten auszustatten, um somit diesen einen magnetischen Kurzschluss zu verhindern.As well It is possible to use a rotor with or without flow barriers between the permanent magnets arranged in the outer circumference equip, thus preventing this one magnetic short circuit.
Bei dem korrosionsbeständigen ferritisch-austenitischen Duplexstahl mit 40–60% Ferrit handelt es sich um einen Werkstoff, wie er beispielsweise durch die Werkstoffnummern bekannt ist: 1.4362, 1.4410, 1.4460, 1.4462, 1.4464, 1.4469, 1.4470, 1.4517, 1.4593at the corrosion-resistant ferritic-austenitic duplex steel with 40-60% ferrite is a material, such as he is known for example by the material numbers: 1.4362, 1.4410, 1.4460, 1.4462, 1.4464, 1.4469, 1.4470, 1.4517, 1.4593
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen dieembodiments The invention are illustrated in the drawings and are in described in more detail below. It show the
Der
Rotoraktivteil
Die
Die
Arbeitsmaschine kann hierbei – wie dargestellt – eine
Pumpe
Sind
solche Taschen
In
der
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