DE102017008513B4

DE102017008513B4 - Device and method for comminuting, deagglomerating, dispersing and mixing disperse substances and pumpable multiphase mixtures

Info

Publication number: DE102017008513B4
Application number: DE102017008513.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Halbedel; Oleg Kazak
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2037-09-08
Also published as: DE102017008513A1

Abstract

Vorrichtung zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen mittels magnetischer Felder, umfassend ein erstes zylinderförmiges magnetfelderzeugendes System (1) und ein dazu konzentrisch angeordnetes zweites zylinderförmiges magnetfelderzeugendes System (2), wobei der Innendurchmesser Dades ersten magnetfelderzeugenden Systems (1) größer als der Außendurchmesser Dides zweiten magnetfelderzeugenden Systems (2) ist und der Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten magnetfelderzeugenden System als Prozessraum (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und / oder das zweite magnetfelderzeugende System Flussleitelemente mit Nut- oder Zahnschrägungen (3a, 3b) über die gesamte Höhe/Länge der magnetfelderzeugenden Systeme (1, 2) aufweisen, in welche mehrsträngige, mehrpolige, geschrägte Spulenwicklungen (4a, 4b), die als verteilte Ein- oder Mehrschichtwicklungen mit einer Lochzahl gleich 1 ausgeführt sind, integriert sind.Device for comminuting, deagglomerating, dispersing and mixing disperse substances and pumpable multiphase mixtures by means of magnetic fields, comprising a first cylindrical magnetic field-generating system (1) and a second cylindrical magnetic field-generating system (2) arranged concentrically thereto, the inner diameter Da of the first magnetic field-generating system (1 ) is larger than the outer diameter of the second magnetic field generating system (2) and the space between the first and second magnetic field generating system is designed as a process space (6), characterized in that the first and/or the second magnetic field generating system has flux guide elements with groove or tooth bevels (3a, 3b) over the entire height/length of the magnetic field-generating systems (1, 2), in which multi-strand, multi-pole, skewed coil windings (4a, 4b), which are designed as distributed single or multi-layer windings with a number of holes equal to 1, are integrated.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen mittels magnetischer Felder, die einen Prozessraum durchdringen und eine sich zeitlich und örtlich ändernde Kraftverteilung auf im Prozessraum befindliche und als Mahlkörper dienende ferromagnetische Teilchen oder Körper bewirken. Als Reaktion auf die Krafteinwirkung bewegen sich die ferromagnetischen Teilchen oder Körper relativ zu einander und verursachen damit eine mechanische Beanspruchung in Form von Prall, Schlag, Druck und/ oder Reibung bzw. Scherung auf die dispersen Stoffe und pumpfähigen Mehrphasengemischen, die sich ebenfalls im Prozessraum befinden oder diesem zugeführt werden.The present invention relates to a device and a method for comminuting, deagglomerating, dispersing and mixing disperse substances and pumpable multi-phase mixtures by means of magnetic fields which penetrate a processing space and cause a force distribution that changes over time and location to ferromagnetic particles located in the processing space and serving as grinding media or effect body. As a reaction to the force, the ferromagnetic particles or bodies move relative to each other and thus cause mechanical stress in the form of impact, impact, pressure and/or friction or shear on the disperse substances and pumpable multi-phase mixtures, which are also located in the process space or be fed to it.

Aus dem Stand der Technik sind elektromechanische Mahlaggregate bekannt, deren elektromagnetische Erregersysteme entweder magnetische Drehfelder (z.B. DE 32 33 926 A1 , , DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 oder US 5,348,237 ) oder magnetische Wanderfelder ( DE 32 33 926 A1 , DE 32 40 021 A1 , DE 32 40 057 A1 , SU 110 3887 , EP 0 434 985 A1 ) oder magnetische Wechselfelder ( SU 480 447 , DE 25 56 935 A1 , DE 34 07 608 C2 , , EP 0 531 988 ) in einem Prozessraum erzeugen, um ferromagnetische Teilchen oder Körper, die als Mahlkörper dienen, relativ zueinander zu bewegen und somit einen mechanischen Druck in Form von Prall, Schlag und/ oder Reibung bzw. Scherung auf disperse Stoffe und pumpfähige Mehrphasengemische auszuüben und schlussendlich diese zu zerkleinern, zu desagglomerieren, zu dispergieren und/ oder zu mischen.Electromechanical grinding units are known from the prior art, the electromagnetic excitation systems of which either generate rotating magnetic fields (e.g DE 32 33 926 A1 , , DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 or U.S. 5,348,237 ) or traveling magnetic fields ( DE 32 33 926 A1 , DE 32 40 021 A1 , DE 32 40 057 A1 , SU 110 3887 , EP 0 434 985 A1 ) or alternating magnetic fields ( SU 480 447 , DE 25 56 935 A1 , DE 34 07 608 C2 , , EP 0 531 988 ) in a process room in order to move ferromagnetic particles or bodies that serve as grinding media relative to one another and thus exert mechanical pressure in the form of impact, impact and/or friction or shearing on disperse substances and pumpable multi-phase mixtures and ultimately close them crush, deagglomerate, disperse and/or mix.

Diese Erregersysteme haben allerdings den Nachteil, dass die generierten Magnetfelder im elektromagnetischen Wirkbereich (= Luftspaltraum bei DE 32 33 926 A1 , , DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 oder US 5,348,237 , DE 32 33 926 A1 , DE 32 40 021 A1 , DE 32 40 057 A1 , SU 110 3887 , EP 0 434 985 A1 oder Spuleninnenraum bei SU 480 447 , DE 25 56 935 A1 , DE 34 07 608 C2 , , EP 0 531 988 ) vorrangig nur zweidimensional sind, d.h. die dritte Richtungskomponente vernachlässigbar klein ist. Folglich bildet sich auch nur ein Vektorgradient mit 2 Richtungskomponenten aus, der wiederum auch vorrangig nur Dreh- und/ oder oszillierende Bewegungen der im Prozessraum vorhandenen Mahlkörper anregt. Es findet keine elektromagnetisch generierte Bewegung der im Prozessraum vorhandenen Mahlkörper in die Tiefe des Prozessraumes statt und damit auch keine Vermischung der dispersen Stoffe und pumpfähigen Mehrphasengemische in dieser Richtung.However, these excitation systems have the disadvantage that the generated magnetic fields in the electromagnetic effective range (= air gap space at DE 32 33 926 A1 , , DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 or U.S. 5,348,237 , DE 32 33 926 A1 , DE 32 40 021 A1 , DE 32 40 057 A1 , SU 110 3887 , EP 0 434 985 A1 or coil interior SU 480 447 , DE 25 56 935 A1 , DE 34 07 608 C2 , , EP 0 531 988 ) are primarily only two-dimensional, ie the third directional component is negligibly small. Consequently, only one vector gradient with 2 directional components is formed, which in turn primarily only stimulates rotary and/or oscillating movements of the grinding media present in the processing space. There is no electromagnetically generated movement of the grinding bodies present in the process space in the depth of the process space and thus no mixing of the disperse substances and pumpable multi-phase mixtures in this direction.

Außerdem sind die magnetischen Rückhaltekräfte für die Mahlkörper zu gering, sodass bei kontinuierlicher Zu- und Abführung des aufzubereitenden Materials die Mahlkörper entweder durch die Schwerkraft oder die Schleppkraft des Materialstromes außerhalb des elektromagnetisch aktiven Bereichs gelangen und hier infolge der immer kleiner werdenden Feldintensitäten nicht mehr aufbereitungswirksam sind und im Prozessraum ihr Füllgrad sinkt und auch hier die Aufbereitungseffekte (Zerkleinern und/ oder Desagglomerieren und/ oder Dispergieren und/ oder Mischen) abnehmen. Zudem weisen die verwendeten Wicklungsausführungen für die Erregersysteme im Betrieb große Ohm'sche Verluste auf, die die notwendige Leistung bzw. Energie für die Aufbereitungsaufgabe vergrößern und das elektromechanische Mahlaggregat sowie das aufzubereitende Produkt erwärmen oder zusätzliche Maßnahmen zur Verlustabführung (Kühlung) erforderlich sind.In addition, the magnetic retention forces for the grinding media are too low, so that when the material to be processed is fed in and removed continuously, the grinding media move outside the electromagnetically active area either due to gravity or the drag force of the material flow and are no longer effective for processing here due to the ever-decreasing field intensities and in the process space their degree of filling decreases and here too the processing effects (crushing and/or deagglomeration and/or dispersing and/or mixing) decrease. In addition, the winding designs used for the excitation systems have high ohmic losses during operation, which increase the power or energy required for the processing task and heat up the electromechanical grinding unit and the product to be processed, or additional measures to dissipate losses (cooling) are required.

Die magnetfelderzeugenden Systeme der in EP 0 510 256 B1 und DE 41 29 360 A1 vorgestellten Vorrichtungen zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen mittels magnetischer Felder erzeugen im Prozessraum (Spalt zwischen den magnetfelderzeugenden Systemen) vorrangig nur ein zweidimensionales Magnetfeld. Die dritte Komponente ist vernachlässigbar klein. Im Gegensatz zu den in EP 0510 256 B1 dargelegten Erwartungen können somit die Arbeitskörper (Mahlkörper) nicht in den elektromagnetisch aktiven Bereich der Ringspaltkammer gezogen und gehalten werden oder nicht, wie in DE 41 29360 A1 beschrieben, die magnetischen Rückhaltekräfte an den zu zerkleinernden magnetischen Materialteilen hinreichend lange Verweilzeiten des zu zerkleinernden magnetischen Materials im Prozessraum gewährleisten. Zudem sind die Mahlkörper in EP 0 510 256 B1 und das zu zerkleinernde magnetische Material in DE 41 29 360 A1 nicht gleichmäßig über die gesamte Länge / Höhe des Prozessraums verteilt. Letzteres gelingt in Grenzen in EP 0 510 256 B1 und in DE 41 29 360 A1 nur in einem Arbeitspunkt, nämlich dann, wenn die Schleppkräfte eines von unten (entgegen der Schwerkraft) in die Ringspaltkammer (Prozesskammer) eingebrachten Fluides (Mehrphasenstrom in EP 0 510 256 B1 oder gasförmiger oder flüssiger Trägerstrom in DE 41 29 360 A1 ) genutzt werden.The magnetic field generating systems of the in EP 0 510 256 B1 and DE 41 29 360 A1 The devices presented for crushing, deagglomerating, dispersing and mixing disperse substances and pumpable multi-phase mixtures by means of magnetic fields primarily generate only a two-dimensional magnetic field in the process space (gap between the magnetic field-generating systems). The third component is negligibly small. In contrast to the in EP 0510 256 B1 According to the expectations presented, the working bodies (grinding bodies) cannot be drawn and held in the electromagnetically active area of the annular gap chamber or not, as in DE 41 29360 A1 described, the magnetic retention forces on the magnetic material parts to be comminuted ensure sufficiently long dwell times of the magnetic material to be comminuted in the process space. In addition, the grinding media are in EP 0 510 256 B1 and the magnetic material to be crushed in DE 41 29 360 A1 not evenly distributed over the entire length / height of the process space. The latter is possible within limits EP 0 510 256 B1 and in DE 41 29 360 A1 only at one working point, namely when the drag forces of a fluid introduced from below (against gravity) into the annular gap chamber (process chamber) (multiphase flow in EP 0 510 256 B1 or gaseous or liquid carrier stream in DE 41 29 360 A1 ) be used.

Werden die Schleppkräfte infolge z.B. großer Durchsätze und / oder hoher Viskositäten zu groß, so werden die Arbeitskörper in EP 0 510 256 B1 aus der Ringspaltkammer ausgetragen oder in DE 41 29 360 A1 das zu zerkleinernde magnetische Material unzureichend zerkleinert. Es müsste also immer an jedem Ort und zu jeder Zeit im Prozessraum ein Gleichgewicht zwischen der magnetischen Rückhaltekraft, der Schwerkraft, der Auftriebskraft und der Schleppkraft bestehen. Dieses Gleichgewicht ist jedoch labil, da der optimale Arbeitspunkt ein lokales Maximum darstellt und es durch die magnetisch verursachten und zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen zwingend erforderlichen Bewegungskräfte (Beschleunigung, Bremsen, Drehung) gestört wird. Jegliche Änderungen der Lage der Mahlkörper oder des zu zerkleinernden magnetischen Materials und / oder infinitesimale Änderungen der Prozessparameter (infolge von Messfehlern oder Steuer-/Regelabweichungen) führen in EP 0 510 256 B1 zu unerwünschten Verdichtungen der Arbeitskörper im unteren Bereich des elektromagnetischen Prozessraumes bzw. deren Austritt in dieser Richtung und in DE 41 29 360 A1 zum unerwünschten vorzeitigen Austrag des zu zerkleinernden magnetischen Materials.If the drag forces become too great as a result of, for example, large throughputs and/or high viscosities, the working elements in EP 0 510 256 B1 discharged from the annular gap chamber or in DE 41 29 360 A1 the magnetic material to be crushed is insufficiently crushed. There must therefore always be a balance between the magnetic retention force, gravity, the buoyancy force and the drag force at any location and at any time in the process space. However, this equilibrium is unstable, since the optimal operating point represents a local maximum and it is disturbed by the kinetic forces (acceleration, braking, rotation) caused by magnetism and absolutely necessary for comminution, deagglomeration, dispersing and mixing. Any changes in the position of the grinding media or the magnetic material to be ground and / or infinitesimal changes in the process parameters (due to measurement errors or control/regulation deviations) result in EP 0 510 256 B1 to undesired compaction of the working bodies in the lower area of the electromagnetic process space or their exit in this direction and in DE 41 29 360 A1 to the undesired premature discharge of the magnetic material to be shredded.

Daneben wird in der WO 2004/070921 A1 eine Lösung zur Reduzierung von Störgrößen im Betriebsverhalten von permanentmagneterregten Drehstrommaschinen vorgeschlagen, bei der die Pollücken aller Pole gleich sind und ein Polpaar bei unveränderter Pollücke um einen bestimmten Abstand verschoben ist. Damit soll die Grundwelle des Rastmomentes ausgelöscht und höhere Harmonische des Rastmomentes zusätzlich gedämpft werden. Dies bewirkt in der Folge eine Beeinflussung der höheren Harmonischen der induzierten Spannungen.In addition, in the WO 2004/070921 A1 proposed a solution for reducing disturbances in the operating behavior of permanent-magnet three-phase machines, in which the pole gaps of all poles are the same and a pole pair is shifted by a certain distance with an unchanged pole gap. This is intended to eliminate the fundamental wave of the cogging torque and additionally dampen higher harmonics of the cogging torque. As a result, this affects the higher harmonics of the induced voltages.

Mit diesen Maßnahmen sollen in Induktionsmaschinen Oberschwingungen minimiert (Nutschrägungen glätten nutharmonische Spannungsoberschwingungen) und / oder bestimmte Oberschwingungen (Lochzahlanpassungen führen zur Unterdrückung unerwünschter Folgen von Oberschwingungen) unterdrückt werden, um einen ruhigen Maschinenlauf (z.B. ohne Rüttelkräfte und Rastmomente) zu gewährleisten und / oder Verluste (insbesondere Wirbelstromverluste) in den Flussleitelementen zu minimieren. Das gelingt aber in der dargestellten Art und Weise nur, weil in einem Teilsystem das Magnetfeld erzeugt und in einem weiteren Teilsystem Spannungen induziert werden, wobei ein Teilsystem mechanisch fixiert ist (Stator) und das andere Teilsystem als Läufer oder Rotor beweglich gelagert ist (rotier- oder verschiebbar). Zudem ist zwischen beiden Teilsystemen lediglich ein kleiner Luftspalt (« 5 mm), da eine induktive Kopplung erforderlich ist.With these measures, harmonics are to be minimized in induction machines (slot bevels smooth out harmonic voltage harmonics) and/or certain harmonics (adjustment of the number of holes lead to the suppression of undesirable consequences of harmonics) are to be suppressed in order to ensure smooth machine operation (e.g. without shaking forces and cogging torques) and/or losses ( in particular to minimize eddy current losses) in the flux guide elements. However, this is only possible in the manner shown because the magnetic field is generated in one sub-system and voltages are induced in another sub-system, with one sub-system being mechanically fixed (stator) and the other sub-system being movably mounted as a runner or rotor (rotating or moveable). In addition, there is only a small air gap (« 5 mm) between the two subsystems, since an inductive coupling is required.

Die magnetfelderzeugenden Systeme in den bekannten Vorrichtungen zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen) sind hinsichtlich ihrer Funktionsweise nicht mit denen von elektrischen Maschinen vergleichbar, da bei ersteren beide Teilsysteme elektrisch erregt sind und je ein Magnetfeld erzeugen, welche sich im Prozessraum (Luftspalt zwischen den Teilsystemen) überlagern. Zudem sind beide Teilsysteme mechanisch fixiert (Statoren) und, da eine induktive Kopplung hier nicht erforderlich ist, durch einen großen Luftspalt (>> 5 mm) voneinander beabstandet.The magnetic field-generating systems in the known devices for comminuting, deagglomerating, dispersing and mixing of disperse substances and pumpable multi-phase mixtures) are not comparable to those of electrical machines in terms of their functionality, since in the former both subsystems are electrically excited and each generate a magnetic field, which superimposed in the process space (air gap between the subsystems). In addition, both subsystems are mechanically fixed (stators) and, since inductive coupling is not required here, are separated from each other by a large air gap (>> 5 mm).

Auch die Nutzung von ein- und / oder mehrschichtigen Zahnspulenwicklungen ist im Elektromaschinenbau seit längerem bekannt (z.B. DE 10 2008 006 399 A1 oder You-Young Choe et al.: Comparison of Concentrated and Distributed Winding in an IPMSM for Vehicle Traction. Energy Procedia 14 (2012), pp 1368-1373). Damit können kürzere Wickelköpfe eingesetzt und die Stromwärmeverluste reduziert werden. Zudem sind die Spulen einfacher zu fertigen und die Wicklungsisolierung in den Nuten und in den Wickelköpfen ist einfacher ausführbar. Schließlich sind hochpolige Maschinenauslegungen mit geringen Aktivmassen realisierbar, wobei jedoch die zwangsläufig auftretenden Ober- und Unterschwingungen durch Sehnungen der Spulen unterdrückt werden müssen.The use of single and/or multi-layer tooth coil windings has also been known in electrical engineering for a long time (e.g DE 10 2008 006 399 A1 or You-Young Choe et al.: Comparison of Concentrated and Distributed Winding in an IPMSM for Vehicle Traction. Energy Procedia 14 (2012), pp 1368-1373). This means that shorter winding heads can be used and the current heat losses can be reduced. In addition, the coils are easier to manufacture and the winding insulation in the slots and in the winding overhangs is easier to implement. Finally, machine designs with a high number of poles can be implemented with low active masses, although the over- and under-oscillations that inevitably occur must be suppressed by the chords in the coils.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen bereitzustellen, mit denen die ferromagnetischen Teilchen und/ oder Körper (= Mahlkörper) im elektromagnetisch aktiven Bereich besser gehalten und elektromagnetisch über die Breite, Länge und Tiefe des Prozessraumes (dreidimensional) bewegt werden und nicht durch die auf sie wirkenden Schwer- oder Schleppkräfte des Materialstromes außerhalb des elektromagnetisch aktiven Bereiches des Prozessraums gelangen, so dass sie im Prozessraum eine mechanische Beanspruchung in allen Richtungen und/ oder Freiheitsgraden auf disperse Stoffe und pumpfähige Mehrphasengemische ausüben und diese effizient zerkleinern desagglomerieren, dispergieren oder mischen. The object of the present invention is therefore to provide a device and an associated method for comminuting, deagglomerating, dispersing and mixing disperse substances and pumpable multi-phase mixtures, with which the ferromagnetic particles and/or bodies (= grinding media) are better kept in the electromagnetically active range and are moved electromagnetically across the width, length and depth of the process space (three-dimensional) and do not get outside the electromagnetically active area of the process space due to the gravitational or drag forces of the material flow acting on them, so that they are subject to mechanical stress in all directions and/or in the process space or degrees of freedom on disperse substances and pumpable multi-phase mixtures and efficiently crush, deagglomerate, disperse or mix them.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des ersten oder zweiten Patentanspruchs und verfahrensseitig mit den Merkmalen des sechsten Patentanspruches.According to the invention, this object is achieved in terms of the device with the features of the first or second patent claim and in terms of the method with the features of the sixth patent claim.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements of the solution according to the invention are specified in the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen weist mindestens zwei zueinander konzentrisch angeordnete zylinderförmige magnetfelderzeugende Systeme auf, die Flussleitelemente mit integrierten geschrägten, mehrsträngigen und mehrpoligen Spulenwicklungen umfassen. Dabei können die Flussleitelemente als laminierte Blechpakete oder hochpermeable, gering elektrisch leitfähige, monolithische Kompositmaterialien und die Spulenwicklungen entweder als verteilte Einschichtwicklungen mit einer Lochzahl (= Spulenanzahl pro Pol 2p und Strang m) gleich 1 oder als konzentrierte ein- oder mehrschichtige Zahnspulenwicklungen ausgeführt sein.A device according to the invention for comminuting, deagglomerating, dispersing and mixing disperse substances and pumpable multiphase mixtures has at least two mutually concentrically arranged cylindrical magnetic field generating systems which include flux guide elements with integrated inclined, multistrand and multipole coil windings. The flux guide elements can be designed as laminated laminations or highly permeable, low electrically conductive, monolithic composite materials and the coil windings either as distributed single-layer windings with a number of holes (= number of coils per pole 2p and strand m) equal to 1 or as concentrated single- or multi-layer toothed coil windings.

Die Spulenwicklungen werden mit einem entsprechend mehrsträngigen Stromsystem gespeist, sodass im Prozessraum ein dreidimensionales, sich zeitlich und örtlich änderndes Magnetfeld mit einer sich zeitlich und örtlich dreidimensional ändernden Vektorgradientverteilung entsteht. Letztere bewirkt oberhalb einer Mindestfeldstärke eine dreidimensionale Kraftverteilung, die größer als die auf im Prozessraum befindliche ferromagnetische Teilchen und/ oder Körper (Mahlkörper) wirkenden magnetischen Anziehungs- und Schwerkräfte ist.The coil windings are fed with a corresponding multi-strand current system, so that a three-dimensional magnetic field that changes over time and space with a vector gradient distribution that changes three-dimensionally over time and space is created in the process space. Above a minimum field strength, the latter causes a three-dimensional force distribution that is greater than the magnetic attraction and gravitational forces acting on ferromagnetic particles and/or bodies (grinding bodies) located in the process space.

Der Effektivwert einer Richtungskomponente des Vektorgradienten an den Enden der magnetfelderzeugenden Systeme ist immer ins Innere des Prozessraumes gerichtet, sodass die hier befindlichen ferromagnetischen Teilchen und/ oder Körper entgegen den Schwer- und Schleppkräften im elektromagnetisch aktiven Bereich zurückgehalten werden und sich im elektromagnetischen Wirkbereich des Prozessraumes determiniert dreidimensional bewegen und somit eine dreidimensionale mechanische Beanspruchung in Form von Prall, Schlag, Druck und/ oder Reibung bzw. Scherung auf die dispersen Stoffe und pumpfähigen Mehrphasengemische ausüben, wodurch diese effizient zerkleinert, desagglomeriert, dispergiert oder gemischt werden.The effective value of a directional component of the vector gradient at the ends of the magnetic field-generating systems is always directed towards the interior of the process space, so that the ferromagnetic particles and/or bodies located here are held back against the gravitational and drag forces in the electromagnetically active area and are determined in the electromagnetic effective area of the process area move three-dimensionally and thus exert a three-dimensional mechanical stress in the form of impact, shock, pressure and/or friction or shearing on the disperse substances and pumpable multi-phase mixtures, whereby these are efficiently comminuted, deagglomerated, dispersed or mixed.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, welche die Erfindung jedoch nicht einschränken. Es zeigt:

1 - einen Querschnitt (links) und die Spulenwicklungen (rechts) einer Erregeranordnung eines bekannten elektromechanischen Mahlaggregates mit in Nuten verteilter, dreisträngiger (m=3), vierpoliger (2p=4), gesehnter (ε_l=2, _ε||=1 ) Zweischichtwicklung mit den Lochzahlen der Wicklung des äußeren Erregersystems q_l=3 und des inneren Erregersystems q_ll=2 (Stand der Technik)
2 - einen Ausschnitt aus dem Querschnitt der Erregeranordnung des bekannten elektromechanischen Mahlaggregates nach 1 mit einer Unterteilung der Prozessraumbreite in Kreise j = 1...16 für die Berechnung der Effektivwerte der Richtungskomponenten des Vektorgradienten im elektromagnetisch aktiven Bereich und ihre Verteilung
3 - die Verteilung der Effektivwerte der r- (links, ∇B_r,ff (j)) und φ-Komponente (rechts, ∇B_φ,eff (j) ) des magnetischen Vektorgradienten auf den Kreisen j = 1...16 im Prozessraum des Mahlaggregates nach 1 bei verschiedenen Prozessraumfeldstärken H_δ
4 - die Verteilung der z-Komponente VB_z,j,eff (z) des Effektivwertes des magnetischen Vektorgradienten auf ausgewählten Kreisen: j = 1 in Nähe des inneren magnetfelderzeugenden Systems, j = 8 in Mahlspaltmitte und j = 16 in der Nähe des äußeren magnetfelderzeugenden Systems des Mahlaggregates nach 1
5 - einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten verteilten, dreisträngigen (m=3), vierpoligen (2p=4), nicht gesehnten (ε_|=0, ε_||=0), jedoch geschrägten Zweischichtwicklungen mit der Lochzahl q_l=3 der Spulenwicklung des äußeren magnetfelderzeugenden Systems und der Lochzahl q_ll=2 der Spulenwicklung des inneren magnetfelderzeugenden Systems
6- die Verteilung der z-Komponente ∇B_z,j,eff (z) des Effektivwertes des magnetischen Vektorgradienten auf ausgewählten Kreisen: j = 1 in Nähe des inneren magnetfelderzeugenden Systems, j = 8 in Mahlspaltmitte und j = 16 in der Nähe des äußeren magnetfelderzeugenden Systems eines Mahlaggregates nach 5
7 - einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten verteilten, ungesehnten, dreisträngigen (m=3) und vierpoligen (2p=4) Einschichtwicklungen mit Lochzahlen q_l=q_ll=1
8 - die Verteilung der Effektivwerte der r- (links) und φ-Komponente(rechts) des magnetischen Vektorgradienten auf den Kreisen: j = 1...16 im Prozessraum eines Mahlaggregates nach 7 im Vergleich zu der Erregeranordnung nach 1 bei einer Prozessraumfeldstärke von H_δ = 70 kA/m
9 - einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten konzentrierten, dreisträngigen und vierpoligen Einschichtzahnspulenwicklungen
10 - einen Querschnitt einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten konzentrierten, dreisträngigen und vierpoligen Zweischichtzahnspulenwicklungen
11 - die Verteilung der Effektivwerte der r- und φ-Komponentedes magnetischen Vektorgradienten auf den Kreisen, j = 1...16 im Prozessraum von Mahlaggregaten nach 9 und 10 im Vergleich zu der Erregeranordnung nach 1 bei einer Prozessraumfeldstärke von H_δ = 70 kA/m

The invention is explained in more detail below with reference to the figures, which, however, do not limit the invention. It shows:

1 - A cross-section (left) and the coil windings (right) of an excitation arrangement of a known electromechanical grinding unit with three-strand (m=3), four-pole (2p=4), long-sighted (ε _l =2, _ε||= 1) distributed in grooves Two-layer winding with the number of holes in the winding of the outer excitation system q _l = 3 and the inner excitation system q _{ll =} 2 (state of the art)
2 - After a section of the cross section of the exciter arrangement of the known electromechanical grinding unit 1 with a subdivision of the process space width into circles j = 1...16 for the calculation of the effective values of the directional components of the vector gradient in the electromagnetically active area and their distribution
3 - the distribution of the effective values of the r- (left, ∇B _r,ff (j)) and φ-component (right, ∇B _φ,eff (j) ) of the magnetic vector gradient on the circles j = 1...16 im process space of the grinding unit 1 at different process space field strengths H _δ
4 - the distribution of the z-component VB _z,j,eff (z) of the effective value of the magnetic vector gradient on selected circles: j = 1 near the inner magnetic field generating system, j = 8 in the middle of the grinding gap and j = 16 near the outer magnetic field generating system system of the grinding unit 1
5 - A cross section of a first embodiment of the device according to the invention from two concentrically arranged magnetic field generating systems with three-strand (m=3), four-pole (2p=4), not longed (ε _| =0, ε _|| =0), distributed in grooves Slanted two-layer windings with the number of holes q _l = 3 in the coil winding of the outer magnetic field generating system and the number of holes q _{ll =} 2 in the coil winding of the inner magnetic field generating system
6 - the distribution of the z-component ∇B _z,j,eff (z) of the effective value of the magnetic vector gradient on selected circles: j = 1 near the inner magnetic field generating system, j = 8 in the middle of the grinding gap and j = 16 near the outer one magnetic field generating system of a grinding unit 5
7 - A cross section of a second embodiment of the device according to the invention from two concentrically arranged magnetic field generating systems with unstretched, three-strand (m = 3) and four-pole (2p = 4) single-layer windings with hole numbers q _{l =} q _{ll =} 1 distributed in slots
8th - the distribution of the effective values of the r- (left) and φ-component (right) of the magnetic vector gradient on the circles: j = 1...16 in the process space of a grinding aggregate 7 compared to the exciter arrangement 1 at a process room field strength of H _δ = 70 kA/m
9 - A cross section of a third embodiment of the device according to the invention from two concentrically arranged magnetic field generating systems with concentrated in grooves, three-strand and four-pole single-layer tooth coil windings
10 - A cross section of a fourth embodiment of the device according to the invention from two concentrically arranged magnetic field generating systems with concentrated in grooves, three-strand and four-pole two-layer tooth coil windings
11 - the distribution of the effective values of the r and φ components of the magnetic vector gradient on the circles, j = 1...16 in the processing space of grinding aggregates 9 and 10 compared to the exciter arrangement 1 at a process room field strength of H _δ = 70 kA/m

In 1 ist links der Querschnitt der Erregeranordnung aus gegenüberliegenden Erregersystemen (1) und (2) und rechts herausgezogen nur die Wicklung eines nach DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 oder US 5,348,237 bekannten elektromechanischen Mahlaggregates mit dreisträngigen (m=3), vierpoligen (2p=4), gesehnten Zweischichtwicklungen, die im vorliegenden Beispiel außen in N_I=36 Nuten (3a) und innen in N_||=24 Nuten (3b) verteilt in laminierten Blechpaketen angeordnet sind. Die Höhe (Länge) der Blechpakete, die auch die Höhe (Länge) des elektromagnetisch aktiven Bereiches definiert, beträgt 55 mm. Die Lochzahl der Wicklung des äußeren Erregersystems (1) beträgt q_l=3 und ihre Sehnung ε_|=2. Die Lochzahl der Wicklung des inneren Erregersystems (2) beträgt q_ll=2 und ihre Sehnung ε_|=1. Die Polpaarzahl p beider Wicklungen ist identisch und beträgt 2. Das äußere Erregersystem (1) hat den Innendurchmesser Da=76 mm. Das innere Erregersystem (2) weist einen Innendurchmesser Di=26 mm auf. Der so zwischen den inneren (2) und äußeren (1) Erregersystemen entstehende Prozessraum/ Mahlspalt (6) besitzt die Breite von δ = 25 mm. Hierin ist die Prozesskammer angeordnet, vorzugsweise als Ringspaltkammer ausgeführt, in der sich die Mahlkörper und das aufzubereitende Material (disperse Stoffe, pumpfähigen Mehrphasengemische) zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen befinden.In 1 on the left is the cross section of the exciter arrangement from opposing exciter systems (1) and (2) and on the right only the winding of one after DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 or U.S. 5,348,237 well-known electromechanical grinding unit with three-strand (m=3), four-pole (2p=4), longed two-layer windings, which in the present example outside in N _{I =} 36 grooves (3a) and inside in N _|| = 24 grooves (3b) distributed in laminated sheet metal packs. The height (length) of the laminated core, which also defines the height (length) of the electromagnetically active area, is 55 mm. The number of holes in the winding of the external excitation system (1) is q _l =3 and its pitch ε _| =2. The number of holes in the winding of the internal excitation system (2) is q _{ll =} 2 and its pitch ε _| =1. The number of pole pairs p of both windings is identical and is 2. The external excitation system (1) has the inner diameter Da=76 mm. The inner excitation system (2) has an inner diameter Di=26 mm. The process space/grinding gap (6) created between the inner (2) and outer (1) excitation systems has a width of δ = 25 mm. The process chamber is arranged here, preferably designed as an annular gap chamber, in which the grinding media and the material to be processed (disperse substances, pumpable multi-phase mixtures) for crushing, deagglomerating, dispersing and mixing are located.

Zur Berechnung der Effektivwerte der Richtungskomponenten ∇B_r,φ,z,eff der magnetischen Vektorgradientverteilung $\nabla \vec{B} (r, φ, z, t)$

die von den Erregersystemen (1) und (2) im, am Ende und außerhalb des elektromagnetisch aktiven Bereich des Prozessraumes aufgebaut wird, wird der Mahlspalt (6) mit j-Kreisen mit dem Radius R_j im Abstand Δa_j, die je Kreis i - Punkte mit den Abständen Δa_j,i aufweisen, vernetzt, vgl. 2. Dann ergeben sich für die Effektivwerte der Richtungskomponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung ∇B_r,φ,z,eff für jeden j-ten Kreis aus den mit ANYS Maxwell^® darauf simulierten Richtungskomponenten der Flussdichtewerte B_r,φ,z,j,i zu einem Zeitpunkt ωt=const.:

\nabla B_{r, φ, z, j, e f f} = \sqrt{\frac{1}{n_{j}} \sum_{i = 1}^{n_{j}} {(\nabla B_{r, φ, z, i, j})}^{2}}

mit

\nabla B_{r, j, i} = \frac{\partial B_{r, j, i}}{\partial r} + \frac{\partial B_{r, j, i}}{r \cdot \partial φ} + \frac{\partial B_{r, j, i}}{\partial z},

\nabla B_{φ, j, i} = \frac{\partial B_{φ, j, i}}{\partial r} + \frac{\partial B_{φ, j, i}}{r \cdot \partial φ} + \frac{\partial B_{φ, j, i}}{\partial z},

\nabla B_{z, j, i} = \frac{\partial B_{z, j, i}}{\partial r} + \frac{\partial B_{z, j, i}}{r \cdot \partial φ} + \frac{\partial B_{z, j, i}}{\partial z},

wobei r, φ und z die Polarkoordinaten darstellen.For calculating the effective values of the directional components ∇B _r,φ,z,eff of the magnetic vector gradient distribution

\nabla \vec{B} (right, φ, e.g, t)

which is built up by the excitation systems (1) and (2) in, at the end and outside of the electromagnetically active area of the process space, the grinding gap (6) is made with j-circles with the radius R _j at a distance Δa _j , which per circle i - Have points with the distances Δa _j,i , networked, cf. 2 . Then the effective values of the directional components of the magnetic vector gradient distribution ∇B _r,φ,z,eff for each j-th circle result from the directional components of the flux density values B _r,φ,z,j,i simulated on it with ANYS Maxwell ^® at a point in time ωt=const.:

\nabla B_{right, φ, e.g, j, e f f} = \sqrt{\frac{1}{n_{j}} \sum_{i = 1}^{n_{j}} {(\nabla B_{right, φ, e.g, i, j})}^{2}}

With

\nabla B_{right, j, i} = \frac{\partial B_{right, j, i}}{\partial right} + \frac{\partial B_{right, j, i}}{right \cdot \partial φ} + \frac{\partial B_{right, j, i}}{\partial e.g},

\nabla B_{φ, j, i} = \frac{\partial B_{φ, j, i}}{\partial right} + \frac{\partial B_{φ, j, i}}{right \cdot \partial φ} + \frac{\partial B_{φ, j, i}}{\partial e.g},

\nabla B_{e.g, j, i} = \frac{\partial B_{e.g, j, i}}{\partial right} + \frac{\partial B_{e.g, j, i}}{right \cdot \partial φ} + \frac{\partial B_{e.g, j, i}}{\partial e.g},

where r, φ and z represent the polar coordinates.

In 3 sind die berechneten Verteilungen der Effektivwerte der r- (links, ∇B_r,ff (j) ) und φ-Komponente(rechts, ∇B_r,ff (j) ) des magnetischen Vektorgradienten für ωt = 0 auf den Kreisen j = 1...16 im Prozessraum eines elektromechanischen Mahlaggregates nach 1 bei verschiedenen, gebräuchlichen Prozessraumfeldstärken im Bereich von 25 kA/m bis 125 kA/m dargestellt, wobei der Mahlspalt (6) mit 16 Kreisen, deren Abstand Δaj= 1 mm beträgt und die jeweils 500 Punkte aufweisen, vernetzt wurde.
Die Prozessraumfeldstärke H_δ = 25 kA/m ist größer als die Mindestfeldstärke, die bei Verwendung von hartferritischen Mahlkörpern mit magnetischen Polarisationen von J = 150 mT und der Größe d_MK ≤ 5 mm die auf sie wirkenden Anziehungs- und Schwerkräfte überwindet und sie elektromagnetisch determiniert bewegt. Bei höheren magnetischen Polarisationen J > 150 mT und Mahlkörpergrößen d_MK > 5 mm bzw. größeren Mahlkörperdichten als Hartferritmaterialien muss die Mindestprozessraumfeldstärke vergrößert werden. Ist die magnetische Polarisation der Mahlkörper J < 150 mT und ihre Größe d_MK < 5 mm kann die erforderliche Mindestfeldstärke abgesenkt werden.
Die Prozessraumfeldstärke H_δ = 125 kA/m ist kleiner als die Maximalfeldstärke, bei der bei Verwendung von hartferritischen Mahlkörpern mit Koerzitivfeldstärken von _JH_c = 200 kA/m keine signifikante Abmagnetisierung (> 10 %) der Mahlkörpern auftritt, die ihre Bewegungsintensität und damit das Aufbereitungsergebnis mindert.
Bei Verwendung von Mahlkörpern aus Magnetmaterialien mit kleineren Koerzitivfeldstärken _JH_c < 200 kA/m muss die Maximalfeldstärke reduziert werden, bei Koerzitivfeldstärken _JH_c > 200 kA/m kann die Maximalfeldstärke größer als 125 kA/m betragen.In 3 are the calculated distributions of the RMS values of the r (left, ∇B _r,ff (j) ) and φ (right, ∇B _r,ff (j) ) components of the magnetic vector gradient for ωt = 0 on the circles j = 1 ...16 in the process room of an electromechanical grinding unit 1 shown at various, customary process space field strengths in the range from 25 kA/m to 125 kA/m, with the grinding gap (6) being networked with 16 circles, the distance between which is Δaj=1 mm and which each have 500 points.
The process room field strength H _δ = 25 kA/m is greater than the minimum field strength that, when using hard ferritic grinding media with magnetic polarizations of J = 150 mT and size d _MK ≤ 5 mm, overcomes the forces of attraction and gravity acting on them and determines them electromagnetically emotional. With higher magnetic polarizations J > 150 mT and grinding media sizes d _MK > 5 mm or higher grinding media densities than hard ferrite materials, the minimum process room field strength must be increased. If the magnetic polarization of the grinding media J < 150 mT and their size d _MK < 5 mm, the required minimum field strength can be reduced.
The process room field strength H _δ = 125 kA/m is less than the maximum field strength at which no significant demagnetization (> 10%) of the grinding media occurs when using hard ferritic grinding media with a coercive field strength of _J H _c = 200 kA/m, which reduces their movement intensity and thus reduces the processing result.
When using grinding media made of magnetic materials with a lower coercive field strength _J H _c < 200 kA/m, the maximum field strength must be reduced. With coercive field strengths _J H _c > 200 kA/m, the maximum field strength can be greater than 125 kA/m.

Die beispielhaften Darstellungen ∇B_r,eff(j) und ∇B_φ,eff(j) in 3 zeigen, dass die örtlichen Effektivwerte der Richtungskomponenten des Vektorgradienten auf den Kreisen j etwa gleich groß sind. Demzufolge werden die Mahlkörper in den r- und φ-Richtungen etwa gleich beschleunigt oder abgebremst. Weiterhin sind die Effektivwerte der Richtungskomponenten des Vektorgradienten in der Nähe der Erregersysteme (j = 1 und j = 16) größer als in Prozessraummitte (j = 8). Diese Unterschiede nehmen mit wachsender Prozessraumfeldstärke H_δ zu. In Erregersystemnähe sind also die elektromagnetisch initiierten Mahlkörperbewegungen intensiver. Ebenso kann abgeleitet werden, dass die Größe der Prozessraumfeldstärke H_δ die Größe des Vektorgradienten und damit die Bewegungsintensität der Mahlkörper bestimmt. Sie ergibt sich aus dem Wicklungsdesign (Anzahl paralleler Spulengruppen a und Spulenwindungszahl w_Sp), der Größe der Strangströme der Erregersysteme (1) |_l,l und (2) |_l,ll und der damit realisierten magnetischen Durchflutung Θ des Prozessraumes sowie dessen Breite δ. Es gilt: $H_{δ} = \frac{1}{δ} [{((\frac{I_{1}}{α} \cdot \frac{w_{S p}}{δ}) (\frac{Θ}{w_{S p} \cdot I_{Z w}}))}_{I} + {((\frac{I_{1}}{α} \cdot \frac{w_{S p}}{δ}) (\frac{Θ}{w_{S p} \cdot I_{Z w}}))}_{I I}],$

mit

wSp: Spulenwindungszahl,

a: Anzahl der parallelen Spulengruppen,
IZw: Zweigstrom in den parallelen Gruppen und
I, II: Indizes für das äußere (I) bzw. innere (II) Erregersystem.

The exemplary representations ∇B _r,eff (j) and ∇B _φ,eff (j) in 3 show that the local effective values of the directional components of the vector gradient on the circles j are approximately the same. Consequently, the grinding media are accelerated or decelerated approximately equally in the r and φ directions. Furthermore, the RMS values of the directional components of the vector gradients are greater in the vicinity of the excitation systems (j = 1 and j = 16) than in the center of the process chamber (j = 8). These differences increase as the process space field strength H _δ increases. In the vicinity of the excitation system, the electromagnetically initiated movements of the grinding media are therefore more intensive. It can also be deduced that the size of the process space field strength H _δ determines the size of the vector gradient and thus the intensity of movement of the grinding media. It results from the winding design (number of parallel coil groups a and number of coil turns w _Sp ), the size of the phase currents of the excitation systems (1) | _{l, l} and (2) | _l,ll and the resulting magnetic flux Θ of the process space and its width δ. The following applies:

H_{δ} = \frac{1}{δ} [{((\frac{I_{1}}{a} \cdot \frac{w_{S p}}{δ}) (\frac{θ}{w_{S p} \cdot I_{Z w}}))}_{I} + {((\frac{I_{1}}{a} \cdot \frac{w_{S p}}{δ}) (\frac{θ}{w_{S p} \cdot I_{Z w}}))}_{I I}],

With

wSp: number of coil turns,

a: number of parallel coil groups,
IZw: Branch current in the parallel groups and
I,II: Indices for the external (I) or internal (II) excitation system.

4 zeigt beispielhaft die Verteilung des Effektivwertes ∇B_z,j,eff (z) der z-Komponente der magnetischen Vektorgradientverteilung eines elektromechanischen Mahlaggregates nach 1, deren elektromagnetisch aktiver Bereich eine Höhe (Länge) von 55 mm hat. Am unteren Ende der Blechpakete der Erregersysteme (1) und (2) bei z = -27,5 mm und auch am oberen Ende der Blechpaketende bei z = +27,5 mm erreichen die Werte von ∇B_z,j,eff maximal 1,5 T/m in der Nähe des inneren Erregersystems (2) (j = 1). In Prozessraummitte (j = 8) und in der Nähe des äußeren Erregersystems (1) (j = 16) sind die z-Komponenten ∇B_z,j,eff sogar noch kleiner. Diese Werte sind zur Rückhaltung von hartferritischen Mahlkörpern mit magnetischen Polarisationen J ≥ 100 mT jedoch viel zu klein. Im Bereich z = ±12,5 mm ist der Effektivwert der z-Komponente ∇B_z,j,eff über die gesamte Prozessraumbreite sogar Null. Er umfasst etwa 50 % der Länge des elektromagnetisch aktiven Bereiches bei dem relativ kurzen elektromechanischen Mahlaggregat. Bei längeren elektromechanischen Mahlaggregaten wird dieser Anteil noch größer. Deshalb werden in derartigen Mahlaggregaten die Mahlkörper ohne zusätzliche Maßnahmen, wie z.B. die Anordnung von zusätzlichen spulenartigen Magnetsystemen an den Enden der Erregeranordnung und/ oder der Einsatz von Trenn- oder Siebböden im Prozessraum bzw. die Aufprägung einer Gegenströmung entweder des aufzubereitenden Materials oder eines zusätzlichen Fluids (Gas oder Flüssigkeit) zur Stofftrennung im Prozessraum, nicht zurückgehalten und bewegen sich nicht über die gesamte Prozessraumhöhe (-länge). Sie werden nach kurzer Betriebszeit entweder infolge der Schwerkraft oder infolge von aus dem Materialtransport resultierenden Schleppkräften und unzureichender magnetischer axialer Kräfte sogar aus dem elektromagnetischen Bereich des Prozessraumes heraus transportiert.
Außerdem sind die magnetischen Rückhaltekräfte in den Prozessräumen der in DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 oder US 5,348,237 vorgestellten elektromechanischen Mahlaggregate sehr klein. Zusätzliche elektrisch aktivierte Spulen, angeordnet an den Blechpaketenden oder verteilt über die Höhe (Länge) des Blechpaketes des äußeren Erregersystems, müssen mit relativ großen Strömen, die schon bei der beispielhaften Erregeranordnung des in 1 gezeigten Mahlaggregates im Kiloampere-Bereich liegen, betrieben werden. Aufgrund des endlichen elektrischen Widerstandes der Spulen und aufgrund der Tatsache, dass die Ohm'schen Verluste quadratisch mit dem Spulenstrom steigen, ist die energetische Effizienz eines derartigen elektromechanischen Mahlaggregates relativ gering. Des Weiteren müssen Kühlmaßnahmen integriert werden, um örtliche Erwärmungen in Grenzen zu halten. 4 shows an example of the distribution of the effective value ∇B _z,j,eff (z) of the z component of the magnetic vector gradient distribution of an electromechanical grinding unit 1 , whose electromagnetically active area has a height (length) of 55 mm. At the lower end of the laminations of the excitation systems (1) and (2) at z = -27.5 mm and also at the upper end of the laminations at z = +27.5 mm, the values of ∇B _z,j,eff reach a maximum of 1 .5 T/m near the internal excitation system (2) (j = 1). In the middle of the process space (j = 8) and in the vicinity of the external excitation system (1) (j = 16), the z-components ∇B _z,j,eff are even smaller. However, these values are far too small for the retention of hard ferritic grinding media with magnetic polarizations J ≥ 100 mT. In the range z = ±12.5 mm, the effective value of the z component ∇B _z,j,eff is even zero over the entire width of the process space. It covers about 50% of the length of the electromagnetically active area in the relatively short electromechanical grinding unit. With longer electromechanical grinding aggregates, this proportion becomes even greater. Therefore, in such grinding aggregates, the grinding bodies are without additional measures, such as the arrangement of additional coil-like magnet systems at the ends of the exciter arrangement and/or the use of separating or sieve trays in the processing space or the imposition of a counterflow either of the material to be processed or of an additional fluid (Gas or liquid) for material separation in the process space, not retained and do not move over the entire process space height (length). After a short period of operation, they are even transported out of the electromagnetic area of the process space either as a result of gravity or as a result of drag forces resulting from the material transport and insufficient magnetic axial forces.
In addition, the magnetic retention forces in the process rooms of the in DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 or U.S. 5,348,237 presented electromechanical milling aggregates very small. Additional electrically activated coils, arranged at the ends of the laminated core or distributed over the height (length) of the laminated core of the outer excitation system, must be supplied with relatively large currents, which are already present in the exemplary exciter arrangement in 1 shown grinding unit are in the kiloampere range, are operated. Due to the finite electrical resistance of the coils and due to the fact that the ohmic losses increase quadratically with the coil current, the energy efficiency of such an electromechanical grinding unit is relatively low. Furthermore, cooling measures must be integrated in order to keep local warming within limits.

Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Blechpakete mit schrägen Nuten zu versehen. Die Schrägung der Nuten über die Höhe (Länge) der Blechpakete entsprechend 5 erhöht die z-Komponente der Effektivwerte des Vektorgradienten ∇B_z,j,eff an den Enden der Blechpakete der Erregersysteme (1) und (2) bei z = ±27,5 mm nicht wesentlich, aber über die gesamte Breite des Prozessraumraumes im Bereich z = ±12,5 mm signifikant (vgl. 6 und 4). Der im Bereich z = ±12,5 mm, von Null signifikant verschiedene Effektivwert der z-Komponente ∇B_z,j,eff bedingt eine dritte Bewegungs- und damit auch eine dritte Beanspruchungskomponente der Mahlkörper. Die Nutschrägungen betragen im dargestellten Beispiel:

• für das äußere magnetfelderzeugende System (1): $\frac{360 °}{N_{I}} = \frac{360 °}{36} = 10 °$
• für das innere magnetfelderzeugende System (2): $\frac{360 °}{N_{I I}} = \frac{360 °}{24} = 15 °$

With the present invention it is proposed to provide the laminated cores with oblique grooves. The inclination of the grooves corresponding to the height (length) of the laminated core 5 does not significantly increase the z-component of the effective values of the vector gradient ∇B _z,j,eff at the ends of the laminated cores of the excitation systems (1) and (2) at z = ±27.5 mm, but over the entire width of the process space in the area z = ±12.5 mm significant (cf. 6 and 4 ). The effective value of the z-component ∇B _z,j,eff , which is significantly different from zero in the range z = ±12.5 mm, causes a third movement and thus also a third stress component of the grinding media. In the example shown, the groove bevels are:

• for the external magnetic field generating system (1): $\frac{360 °}{N_{I}} = \frac{360 °}{36} = 10 °$
• for the internal magnetic field generating system (2): $\frac{360 °}{N_{I I}} = \frac{360 °}{24} = 15 °$

Dabei ist die Größe der Schrägung der Nuten über die Höhe (Länge) der Blechpakete abhängig von der Größe und Leistung des elektromechanischen Aufbereitungsaggregates. Bei kleinen elektromechanischen Aufbereitungsaggregaten mit Leistungen ≤10 kVA und Blechpakethöhen /-längen L_BP ≤ 0,1 m sind Schrägungen bis zu einer Nutteilung vorteilhaft. Größere elektromechanischen Aufbereitungsaggregaten mit Leistungen > 10 kVA und Blechpakethöhen /-längen LBP > 0,1 m sind Schrägungen bis zu einem Vielfachen von 360°/N_I bzw. 360°/N_ll vorteilhaft. Dabei sollte aber $x \frac{360 °}{N_{I}} \leq \frac{360 °}{2 p_{I}}$

bzw.

Y \frac{360 °}{N_{I I}} \leq \frac{360 °}{2 p_{I I}}

wobei x, y = 1, 2, 3 ...n; N die Nutzahl und p die Polpaarzahl bezeichnen, eingehalten werden.The size of the bevel of the grooves over the height (length) of the laminated core depends on the size and performance of the electromechanical processing unit. In the case of small electromechanical processing units with outputs ≤10 kVA and laminated core heights/lengths L _BP ≤ 0.1 m, bevels up to a slot pitch are advantageous. Larger electromechanical processing units with outputs > 10 kVA and laminated core heights/lengths LBP > 0.1 m, bevels up to a multiple of 360°/N _I or 360°/N _II are advantageous. But it should

x \frac{360 °}{N_{I}} \leq \frac{360 °}{2 p_{I}}

or.

Y \frac{360 °}{N_{I I}} \leq \frac{360 °}{2 p_{I I}}

where x, y = 1, 2, 3...n; N denotes the number of slots and p denotes the number of pole pairs.

Mit der aus den Nutschrägungen resultierenden z-Komponente ∇B_z,j,eff des Effektivwertes des Vektorgradienten werden die hartmagnetischen Mahlkörper auch über die gesamte Höhe (Länge) des Prozessraumes elektromagnetisch determiniert bewegt und nicht nach kurzer Betriebszeit entweder infolge der Schwerkraft oder infolge von aus dem Materialtransport resultierenden Schleppkräften aus dem elektromagnetischen Wirkbereiches des Prozessraumes heraus transportiert. Die dispersen Stoffe und pumpfähigen Mehrphasengemische können also effizient zerkleinert, desagglomeriert, dispergiert oder gemischt werden.With the z-component ∇B _z,j,eff of the effective value of the vector gradient resulting from the groove bevels, the hard-magnetic grinding media are also moved in an electromagnetically determined manner over the entire height (length) of the process chamber and not after a short operating time either as a result of gravity or as a result of transported out of the electromagnetic effective range of the process room by the drag forces resulting from the material transport. The disperse substances and pumpable multiphase mixtures can thus be efficiently comminuted, deagglomerated, dispersed or mixed.

Weitere Steigerungen des magnetischen Vektorgradienten im Prozessraum von elektromechanischen Mahlaggregaten können mit einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit verteilten Einschichtwicklungen mit Lochzahlen q_l = q_ll = 1 erzielt werden. In 7 ist beispielhaft ein Querschnitt einer solchen Ausführungsform dargestellt. Sie umfasst zwei konzentrisch angeordnete magnetfelderzeugende Systeme mit in geschrägten Nuten verteilten, ungesehnten, dreisträngigen (m=3) und vierpoligen (2p=4) Einschichtwicklungen mit Lochzahlen q_l=q_ll=1. Die Nutenzahlen des äußeren und inneren Erregersystems sind gleich groß und betragen N_I=N_II =12. Außerdem ist die Fertigung solcher magnetfelderzeugenden Systeme wesentlich einfacher.Further increases in the magnetic vector gradient in the process space of electromechanical milling aggregates can be achieved with a second embodiment of the device according to the invention with distributed single-layer windings with hole numbers _ql = _qll =1. In 7 a cross section of such an embodiment is shown as an example. It comprises two concentrically arranged magnetic field generating systems with unstitched, three-strand (m=3) and four-pole (2p=4) single-layer windings distributed in slanted slots with a number of holes q _l= q _ll= 1. The number of slots of the outer and inner exciter systems are the same and are N _I= N _II =12. In addition, the production of such magnetic field generating systems is much easier.

8 zeigt die Verteilungen der Effektivwerte der r- (links) und φ-Komponente(rechts) der magnetischen Vektorgradientverteilung auf den Kreisen: j = 1...16 im Prozessraum eines elektromechanischen Mahlaggregates mit magnetfelderzeugenden Systemen nach 7 im Vergleich zu einer Erregeranordnung gemäß 1 bei einer Prozessraumfeldstärke von H_δ = 70 kA/m. Die Reduzierung der Lochzahlen der Spulenwicklungen auf q_l=q_ll=1 und damit auch der Nutzahlen der Blechpakete auf N_l=N_ll =12 führt zu höheren Effektivwerten der r- (links, ∇B_r,eff(j)) und φ-Komponente (rechts, ∇B_φ,eff(j)) des magnetischen Vektorgradienten auf den Kreisen j = 1...16 im Prozessraum. Daraus resultieren eine höhere Intensität der mechanischen Beanspruchung in Form von Prall, Schlag, Druck und/ oder Reibung bzw. Scherung und somit bessere Aufbereitungsergebnisse bzw. kann das angestrebte Aufbereitungsergebnis in kürzerer Zeit erreicht werden. Andererseits können zur Erzielung des angestrebten Aufbereitungsergebnisses die Prozessraumfeldstärke H_δ und damit die Ströme in den magnetfelderzeugenden Systemen gesenkt werden. Folglich reduzieren sich bei Verwendung einer solchen Ausführungsform nicht nur die Fertigungskosten. Die energetische Effizienz des Aufbereitungsprozesses kann gleichfalls erhöht werden. 8th shows the distribution of the effective values of the r- (left) and φ-component (right) of the magnetic vector gradient distribution on the circles: j = 1...16 in the process space of an electromechanical grinding unit with magnetic field-generating systems 7 compared to an excitation arrangement according to 1 at a process room field strength of H _δ = 70 kA/m. Reducing the number of holes in the spu windings to q _l= q _ll= 1 and thus also the number of slots in the laminated core to N _l= N _ll =12 leads to higher effective values of the r (left, ∇B _r,eff (j)) and φ components (right, ∇B _φ,eff (j)) of the magnetic vector gradient on the circles j = 1...16 in the process space. This results in a higher intensity of the mechanical stress in the form of impact, shock, pressure and/or friction or shearing and thus better processing results or the desired processing result can be achieved in a shorter time. On the other hand, to achieve the desired treatment result, the process space field strength H _δ and thus the currents in the magnetic field generating systems can be reduced. Consequently, not only the production costs are reduced when using such an embodiment. The energy efficiency of the treatment process can also be increased.

In 9 ist ein Querschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten konzentrierten, dreisträngigen und vierpoligen Einschichtzahnspulenwicklungen dargestellt. Die Spulen sind jeweils um einen Zahn des Blechpaketes gewickelt oder wurden vorgefertigt und auf den Zahn gesteckt. Im Falle vorgefertigter Spulen sind die Nuten total offen, d.h. die Zähne besitzen keine Zahnecken. Diese Ausführung ist vorteilhaft nutzbar für elektromechanische Aufbereitungsaggregate mit Leistungen größer als 10 kVA.
Neben der Reduzierung des fertigungstechnischen Aufwandes wird dabei auch die Wickelkopfhöhe gegenüber verteilten mehrsträngigen Wicklungen signifikant geringer. Dadurch reduziert sich auch die erforderliche Menge an Wicklungsmaterial und der Ohm'sche Wicklungswiderstand, wodurch kleinere Wicklungsverluste entstehen. Damit weisen elektromechanische Mahlaggregate mit derartigen magnetfelderzeugenden Systemen höhere elektrische Wirkungsgrade auf bzw. verbrauchen weniger elektrische Energie.In 9 a cross section of a third embodiment of the device according to the invention from two concentrically arranged magnetic field generating systems with three-strand and four-pole single-layer tooth coil windings concentrated in slots is shown. The coils are each wound around a tooth of the laminated core or were prefabricated and placed on the tooth. In the case of prefabricated coils, the slots are totally open, ie the teeth have no tooth corners. This design can be used to advantage for electromechanical processing units with outputs greater than 10 kVA.
In addition to the reduction in the manufacturing effort, the winding head height is also significantly lower compared to distributed multi-strand windings. This also reduces the required amount of winding material and the ohmic winding resistance, resulting in lower winding losses. As a result, electromechanical milling units with such magnetic field-generating systems have higher electrical efficiencies and consume less electrical energy.

Die konzentrierte Einschichtwicklung ist auch als konzentrierte Zweischichtwicklung ausführbar. In 10 ist dementsprechend der Querschnitt einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten konzentrierten, dreisträngigen und vierpoligen Zweischichtzahnspulenwicklungen offenbart. Hier ist wieder um jeden Zahn der Blechpakete eine Spule gewickelt oder vorgefertigt draufgesteckt, aber sodass in jeder Nut zwei Spulenseiten verschiedener Stränge liegen.The concentrated single-layer winding can also be implemented as a concentrated two-layer winding. In 10 accordingly, the cross section of a fourth embodiment of the device according to the invention is disclosed from two concentrically arranged magnetic field generating systems with three-phase and four-pole two-layer tooth coil windings concentrated in slots. Here again, a coil is wound around each tooth of the laminated core or pre-assembled, but so that there are two coil sides of different strands in each slot.

11 stellt die Verteilung der Effektivwerte der r- und φ-Komponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung auf den Kreisen j = 1...16 im Prozessraum der Ausführungsbeispiele nach 9 und 10 im Vergleich zu der Erregeranordnung gemäß 1 bei einer Prozessraumfeldstärke von H_δ = 70 kA/m dar. Bei gleicher Prozessraumfeldstärke sind die Effektivwerte der r- und φ-Komponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung im Prozessraum der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung größer als die der Erregeranordnung nach 1, wobei mit der konzentrierten Einschichtwicklung gemäß 9 die größten Effektivwerte der rund φ-Komponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung erzielt werden können. 11 represents the distribution of the effective values of the r and φ components of the magnetic vector gradient distribution on the circles j = 1...16 in the process space of the exemplary embodiments 9 and 10 compared to the excitation arrangement according to 1 at a process space field strength of H _δ =70 kA/m. With the same process space field strength, the effective values of the r and φ components of the magnetic vector gradient distribution in the process space of the exemplary embodiments of the device according to the invention are greater than those of the exciter arrangement 1 , where with the concentrated single-layer winding according to 9 the largest RMS values of the approximately φ components of the magnetic vector gradient distribution can be achieved.

Somit können mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere mit Einschichtwicklungen, nicht nur Einsparungen von Material und Fertigungskosten realisiert, sondern auch die Aufbereitungseffizienz (Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen) verbessert werden.Thus, with the described exemplary embodiments of the device according to the invention, in particular with single-layer windings, not only savings in material and production costs can be realized, but also the processing efficiency (crushing, deagglomerating, dispersing and mixing of disperse substances and pumpable multi-phase mixtures) can be improved.

Die magnetfelderzeugenden Systeme mit konzentrierten ein- und mehrschichtigen Zahnspulenwicklungen können auch geschrägt ausführt sein, sodass, wie im Ausführungsbeispiel nach 5 beispielhaft gezeigt, zusätzlich zu der Vergrößerung der Effektivwerte der r- und φ-Komponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung im Prozessraum auch eine z-Komponente über die gesamte Länge (Höhe) des elektromechanischen Aufbereitungsaggregat realisiert werden kann. Die Schrägung der Spulenwicklung über die Höhe (Länge) der Blechpakete und damit der Zähne ist auch bei konzentrierten Wicklungen abhängig von der Größe und Leistung des elektromechanischen Aufbereitungsaggregates.
Folglich können die Mahlkörper mit diesen Ausführungsformen noch intensiver und über die gesamte Höhe (Länge) des Prozessraumes elektromagnetisch determiniert bewegt und nicht nach kurzer Betriebszeit entweder infolge der Schwerkraft oder infolge von aus dem Materialtransport resultierenden Schleppkräften aus dem elektromagnetischen Bereich des Prozessraumes heraus transportiert werden.The magnetic field-generating systems with concentrated single- and multi-layer toothed coil windings can also be skewed, so that, as in the exemplary embodiment 5 shown as an example, in addition to increasing the effective values of the r and φ components of the magnetic vector gradient distribution in the process space, a z component can also be realized over the entire length (height) of the electromechanical processing unit. The skew of the coil winding over the height (length) of the laminated core and thus the teeth is dependent on the size and performance of the electromechanical processing unit, even with concentrated windings.
Consequently, with these embodiments, the grinding media can be moved in an electromagnetically determined manner even more intensively and over the entire height (length) of the process space and cannot be transported out of the electromagnetic area of the process space after a short operating time either as a result of gravity or as a result of drag forces resulting from the material transport.

In jeder der vorgestellten Ausführungsformen können die Blechpakete aus zusammengesetzten Elektroblechen oder aus einem monolithischen, magnetisch hochpermeablen, gering elektrisch leitfähigen Kompositmaterial bestehen.In each of the presented embodiments, the laminated cores can consist of composite electrical laminations or of a monolithic, magnetically highly permeable, low electrically conductive composite material.

Die beispielhaft vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Auslegungen der magnetfelderzeugenden Systeme sind auch anwendbar in elektromechanischen Mahlaggregaten mit mehr als einen Prozessraum/ Mahlspalt/ Arbeitsspalt und in elektromechanischen Mahlaggregaten mit zusätzlichen Magnetsystemen für die magnetische Rückhaltung und axiale Verteilung der Mahlkörper im Prozessraum.The exemplary proposed designs of the magnetic field generating systems according to the invention can also be used in electromechanical grinding units with more than one process space/grinding gap/working gap and in electromechanical grinding units with additional magnet systems for magnetic retention and axial distribution of the grinding media in the process space.

BezugszeichenlisteReference List

11: äußeres magnetfelderzeugendes Systemexternal magnetic field generating system
22: inneres magnetfelderzeugendes Systeminternal magnetic field generating system
3a3a: Nut mit Spulenwicklung des äußeren magnetfelderzeugenden SystemsSlot with coil winding of the external magnetic field generating system
3b3b: Nut mit Spulenwicklung des inneren magnetfelderzeugenden SystemsSlot with coil winding of the internal magnetic field generating system
4a4a: Wicklung des äußeren magnetfelderzeugenden SystemsWinding of the external magnetic field generating system
4b4b: Wicklung des inneren magnetfelderzeugenden SystemsWinding of the internal magnetic field generating system
55: Kreise für die Diskretisierung des ProzessraumesCircles for the discretization of the process space
66: Prozessraum / Mahlspalt Process room / milling gap
bMS,IbMS,I: Breite des äußeren magnetfelderzeugenden SystemWidth of the outer magnetic field generating system
bMS,IIbMS, II: Breite des inneren magnetfelderzeugenden SystemWidth of the inner magnetic field generating system
LWKtruck: Wickelkopfhöheend winding height
DaThere: Innendurchmesser des äußeren magnetfelderzeugenden SystemsInner diameter of the outer magnetic field generating system
DiTue: Außendurchmesser des inneren magnetfelderzeugenden SystemsOuter diameter of the inner magnetic field generating system
LBPLBP: Länge / Höhe des Blechpaketes, elektromagnetischer WirkbereichLength / height of the laminated core, electromagnetic effective range
δδ: Breite des Prozessraumes / MahlspaltesWidth of the process space / milling gap

Claims

Device for comminuting, deagglomerating, dispersing and mixing disperse substances and pumpable multiphase mixtures by means of magnetic fields, comprising a first cylindrical magnetic field-generating system (1) and a second cylindrical magnetic field-generating system (2) arranged concentrically thereto, the inner diameter D _a of the first magnetic field-generating system (1) is larger than the outer diameter D _i of the second magnetic field generating system (2) and the intermediate space between the first and second magnetic field generating system is designed as a process space (6), characterized in that the first and/or the second magnetic field generating system has flux guide elements with Have slot or tooth bevels (3a, 3b) over the entire height/length of the magnetic field generating systems (1, 2), in which multi-strand, multi-pole, beveled coil windings (4a, 4b), which are distributed as single or multi-layer windings with the same number of holes 1 executed are, are integrated.

Device for comminuting, deagglomerating, dispersing and mixing disperse substances and pumpable multiphase mixtures by means of magnetic fields, comprising a first cylindrical magnetic field-generating system (1) and a second cylindrical magnetic field-generating system (2) arranged concentrically thereto, the inner diameter D _a of the first magnetic field-generating system (1) is larger than the outer diameter D _i of the second magnetic field generating system (2) and the intermediate space between the first and second magnetic field generating system is designed as a process space (6), characterized in that the first and/or the second magnetic field generating system has flux guide elements with Have slot or tooth bevels (3a, 3b) over the entire height/length of the magnetic field generating systems (1, 2), in which multi-strand, multi-pole, beveled coil windings (4a, 4b), which are designed as concentrated single-layer or multi-layer toothed coil windings, int are grated.

device after claim 1 or 2 , characterized in that the slot or tooth bevels (3a, 3b) in the flux guide elements for a device with a power of less than 10kVA is less than / equal to a slot pitch and for a device with a power greater than 10kVA is less than / equal to a pole pitch.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the flux guide elements consist of slotted individual sheets for receiving the coil windings (4a, 4b), which are joined together in an azimuthally offset manner, the slot bevels correspondingly claim 3 develop.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the flux guide elements are monolithic and made of a magnetically highly permeable, low electrically conductive composite material, which have slanted grooves (3a, 3b) for receiving the coil windings.

Process for comminuting, deagglomerating, dispersing and mixing disperse substances and pumpable multiphase mixtures by means of magnetic fields with a device according to one of Claims 1 until 5 , wherein ferromagnetic grinding bodies are introduced into the processing space (6) and the coil windings (4a, 4b) of the first and second magnetic field-generating systems (1, 2) are supplied with multi-strand supply currents (I _l , I _ll ), characterized in that in the processing space (6 ) a three-dimensional, temporally and spatially changing magnetic field is generated, which generates a three-dimensional vector gradient distribution with an effective value of a directional component directed at both ends of the magnetic field-generating systems (1, 2) into the interior of the process space, which moves the ferromagnetic grinding media located in the process space against gravity and Drag forces in the electromagnetically active range and causes an electromagnetically determined three-dimensional movement of the grinding media and a mechanical stress on the disperse substances and pumpable multi-phase mixtures.

procedure after claim 6 , characterized in that the coil windings (4a, 4b) are operated with a multi-phase current or voltage system adapted to their number of strands (m).

procedure after claim 6 or 7 , characterized in that the magnitude of the currents or voltages with which the coil windings (4a, 4b) are operated is adapted to the magnetic polarization and the size of the grinding media in such a way that the forces of attraction and gravity acting on the grinding media are overcome and they be moved electromagnetically determined.

procedure after claim 6 or 7 , characterized in that the magnetic field strength generated by the energization of the coil windings (4a, 4b) in the process space (6) is smaller than the coercive field strength of the grinding media.