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Die Erfindung betrifft eine Magnet-Drehlagereinheit mit
- a) einem Lager-Rotorelement, welches eine Rotationsachse definiert und eine Rotor-Magnetanordnung umfasst;
- b) einem Lager-Statorelement, welches koaxial zum Lager-Rotorelement angeordnet ist und eine Stator-Magnetanordnung umfasst, die mit der Rotor-Magnetanordnung zusammenwirkt.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Drehlagereinrichtung mit einer ersten und einer zweiten Magnet-Drehlagereinheit.
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Magnet-Drehlagereinheiten kommen in Systemen mit rotierenden Bauteilen oder Baugruppen zum Einsatz und ermöglichen eine weitgehend verschleißfreie Lagerung, die durch magnetische Kräfte berührungsfrei erfolgt. Das Lager-Rotorelement der Magnet-Drehlagereinheit ist dabei mit dem zu rotierenden Bauteil, wie beispielsweise einer Drehwelle, gekoppelt. Die Erfindung wird vorliegend am Beispiel einer Fluidpumpe veranschaulicht, bei welcher das Lager-Rotorelement der Magnet-Drehlagereinheit mit einen Pumpenrotor verbunden ist, der seinerseits ein oder mehrere Pumpenlaufräder trägt.
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Es sind aktive Magnetlager bekannt, bei denen die Lagerkraft durch geregelte Elektromagneten erzeugt wird und bei denen daher eine der Magnetanordnungen ein Elektromagnet ist. Dabei kann der Elektromagnet mit unterstützenden zusätzlichen Permanentmagneten kombiniert werden. Solche aktiven Magnetlager benötigen zum Betrieb stets eine Stromversorgung und eine entsprechende Steuereinrichtung, welche den Elektromagneten regelt. Es gibt außerdem sogenannte elektrodynamische Magnetlager, bei denen die Lagerkraft durch Wirbelströme erzeugt wird und die meist ohne eine gesonderte elektronische Regelung auskommen. Damit solche aktiven oder elektrodynamischen Magnetlager im Falle eines Ausfalls der Stromversorgung oder der Steuerung nicht beschädigt werden, gibt es ein mechanisches Notlager, das in der Regel als Kugel- oder Gleitlager konzipiert ist. Insgesamt sind der bauliche Aufwand und der Betrieb solcher Magnetlager verhältnismäßig aufwendig.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Magnet-Drehlagereinheit und eine Magnet-Drehlagereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine zuverlässige und sichere Lagerung von Bauteilen ermöglichen, wobei der bauliche und steuerungstechnische Aufwand gegenüber dem Stand der Technik verringert ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Magnet-Drehlagereinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
- c) die Rotor-Magnetanordnung eine konische Rotor-Permanentmagnetanordnung ist, die koaxial zur Rotationsachse ausgebildet ist;
- d) die Stator-Magnetanordnung eine konische Stator-Permanentmagnetanordnung ist, die koaxial zur Rotationachse ausgebildet ist;
- e) die konische Rotor-Permanentmagnetanordnung und die konische Stator-Permanentmagnetanordnung jeweils senkrecht zu dem durch sie ausgebildeten Konus, aber entgegengesetzt zueinander polarisiert sind.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es trotz des Earnshaw-Theorems möglich ist, eine Magnet-Drehlagereinheit zu konzipieren, deren Lagerkraft allein durch Permanentmagnete erzeugt wird. Das Earnshaw-Theorem besagt, dass zwei Bauteile nicht durch ein statisches Magnetfeld in einem stabilen Gleichgewicht gehalten, also stabil gelagert werden können. Durch die zusammenwirkenden konischen Rotor- und Stator-Permanentmagnetanordnungen am Lager-Rotorelement bzw. am Lager-Statorelement wird jedoch die Möglichkeit eröffnet, ein Magnetlager zu bilden, dessen Lagerkräfte sowohl in radiale als auch in axiale Richtung wirken, so dass insgesamt eine stabile Lagerung des Rotor-Lagerelements und des Stator-Lagerelements zueinander gewährleistet ist.
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Dabei ist es günstig, wenn die konische Rotor-Permanentmagnetanordnung und die konische Stator-Permanentmagnetanordnung zumindest auf ihren einander gegenüberliegenden Seiten parallel zueinander verlaufen.
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Vorzugsweise definieren die konische Rotor-Permanentmagnetanordnung und/oder die konische Stator-Permanentmagnetanordnung einen Konuswinkel von 45°. Es sind auch abweichende Winkel hiervon möglich; in diesen Fällen vergrößert sich die Lagerkraft in radialer oder axialer Richtung und verringert sich in axialer bzw. radialer Richtung.
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Es ist von Vorteil, wenn die konische Rotor-Permanentmagnetanordnung einen Ringkonus-Permanentmagneten und/oder die konische Stator-Permanentmagnetanordnung einen Ringkonus-Permanentmagneten umfasst. Auf diese Weise erfolgt über den Abstand zwischen den Permanentmagnetanordnungen ein flächiges Zusammenwirken.
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Alternativ oder ergänzend können die konische Rotor-Permanentmagnetanordnung mehrere gesonderte Permanentmagnete und/oder die konische Stator-Permanentmagnetanordnung mehrere gesonderte Permanentmagnete umfassen.
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Dabei ist es günstig, wenn die gesonderten Permanentmagnete entlang einer Konus-Mantellinie der konischen Rotor-Permanentmagnetanordnung und/oder entlang einer Konus-Mantellinie der konischen Stator-Permanentmagnetanordnung angeordnet sind.
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Alternativ oder ergänzend können die gesonderten Permanentmagnete in Richtung einer Konus-Mantellinie der konischen Rotor-Permanentmagnetanordnung und/oder in Richtung einer Konus-Mantellinie der konischen Stator-Permanentmagnetanordnung bezogen auf die jeweilige Konus-Mantellinie auch alternierend zueinander versetzt angeordnet sind.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn
- a) eine erste konische Rotor-Permanentmagnetanordnung und eine zweite konische Rotor-Permanentmagnetanordnung mit einigen oder allen der oben erläuterten Merkmale vorgesehen sind, welche auf der Rotationsachse entgegengesetzte Konizitäten aufweisen;
- b) eine erste konische Stator-Permanentmagnetanordnung und eine zweite konische Stator-Permanentmagnetanordnung mit einigen oder allen der oben erläuterten Merkmale vorgesehen sind, welche auf der Rotationsachse entgegengesetzte Konizitäten aufweisen.
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Auf diese Weise ist bereits eine einzige solche Magnet-Drehlagereinheit in sich selbsttragen, ohne dass eine Gegenlagereinheit notwendig ist.
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Vorteilhaft nehmen die entgegengesetzten Konizitäten in die beiden voneinander wegweisenden Richtungen auf der Rotationsachse jeweils zu, so dass die beiden Rotor-Permanentmagnetanordnungen und die beiden Stator-Permanentmagnetanordnungen jeweils eine Art Doppelkonus bzw. Doppelkegel ausbilden.
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Die oben genannte Aufgabe wird bei einer Drehlagereinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, indem die erste und die zweiten Magnet-Drehlagereinheit einige oder alle der oben genannten Merkmale aufweist und
- a) eine konische Rotor-Permanentmagnetanordnung der ersten Magnet-Drehlagereinheit und eine konische Rotor-Permanentmagnetanordnung der zweiten Magnet-Drehlagereinheit auf der Rotationsachse entgegengesetzte Konizitäten aufweisen;
- b) eine konische Stator-Permanentmagnetanordnung der ersten Magnet-Drehlagereinheit und eine konische Stator-Permanentmagnetanordnung der zweiten Magnet-Drehlagereinheit auf der Rotationsachse entgegengesetzte Konizitäten aufweisen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 einen Axialschnitt einer Fluidpumpe, die von einem Spaltrohrmotor mit Außenläufer angetrieben wird;
- 2 einen Axialschnitt einer Magnet-Drehlagereinheit der Fluidpumpe, welche ein Lager-Statorelement und einen Lager-Rotorelement umfasst, die jeweils eine Permanentmagnetanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel aufweisen;
- 3 eine perspektivische Ansicht des Lager-Rotorelements in teilweiser Durchsicht;
- 4 eine perspektivische Ansicht des Lager-Rotorelements mit teilweise weggebrochener Umfangswand;
- 5 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Lager-Statorelements;
- 6A und 6B das Lager-Rotorelement und das Lager-Statorelement mit jeweils einer Permanentmagnetanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 7A und 7B das Lager-Rotorelement und das Lager-Statorelement mit jeweils einer Permanentmagnetanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
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In 1 bezeichnet 10 insgesamt eine Fluidpumpe mit einem nur angedeuteten Gehäuse 11 mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, die durch Pfeile verdeutlicht sind. Die Fluidpumpe 10 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel als Seitenkanalverdichter konzipiert. Hierzu sind mehrere Pumpenlaufräder 12 auf einem Pumpenrotor 14 angebracht. Der Pumpenrotor 14 weist einen kreiszylindrischen Tragabschnitt 16 auf, welcher die Pumpenlaufräder 12 in Umfangsrichtung auf seiner mit 18 bezeichneten Außenmantelfläche trägt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist anhand von mehreren Pumpenlaufrädern 12 ein mehrstufiger Verdichter - und konkret anhand der vier vorhandenen Pumpenlaufräder 12 ein vierstufiger Verdichter - veranschaulicht, wie es an und für sich bekannt ist. Bei einem einstufigen Verdichter ist entsprechend nur ein einziges Pumpenlaufrad 12 vorhanden.
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Der Tragabschnitt 16 des Pumpenrotors 14 geht in axialer Richtung an seinen gegenüberliegenden Enden in jeweils einen Verbindungsabschnitt 20 des Pumpenrotors 14 über, mittels welchen der Pumpenrotor 14 an seinen gegenüberliegenden axialen Enden mit jeweils einem Lager-Rotorelement 22 einer Drehlagereinrichtung 24 drehfest gekoppelt ist. Die Lager-Rotorelemente 22 definieren eine Rotationsachse 23 der Drehlagereinrichtung 24; diese Rotationsachse 23 ist nur in 2 gekennzeichnet.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Verbindungsabschnitt 20 als Verbindungshülse 26 mit einer kreiszylindrischen Innenmantelfläche 28 ausgebildet, welche einen gegenüber dem Außendurchmesser des Tragabschnitts 16 größeren Innendurchmesser hat. Bei einer nicht eigens gezeigten Abwandlung kann die Innenmantelfläche 28 auch nicht kreiszylindrisch sind und beispielsweise Eingreifstrukturen wie vorstehende Rippen oder dergleichen aufweisen, zu welchen das Lager-Rotorelement 22 komplementäre Strukturen aufweist. Grundsätzlich sind der Verbindungsabschnitt 20 des Pumpenrotors 14 und das Lager-Rotorelement 22 befestigungstechnisch zueinander komplementär, so dass diese drehfest miteinander verbunden werden können. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel trägt die Außenmantelfläche 30 des Lager-Rotorelements 22 beispielsweise mittig einen in Umfangsrichtung umlaufenden Anschlagflansch 32, gegen den die Verbindungshülse 26 mit ihrem freien Endrand axial anstößt. Die Drehlagereinrichtung 24 wird weiter unten noch näher erläutert.
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Die Fluidpumpe 10 umfasst einen Antriebsmotor 34. Dieser ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel als Spaltrohrmotor 36 ausgebildet, der als Außenläufermotor konzipiert ist. Der Spaltrohrmotor 36 umfasst einen kreisringzylindrischen Motorstator 38, der in an und für sich bekannter Weise Eisenkerne und Spulen umfasst, die nicht eigens gekennzeichnet sind. Die Leitungen, die zur Energieversorgung der Spulen des Motorstators 38 erforderlich sind, oder sonstige Elektronikbauteile sind in 1 nicht gesondert gezeigt.
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Der Motorstator 38 ist radial außen von einem ebenfalls kreisringzylindrischen Motorrotor 40, dem sogenannten Außenläufer, umgeben, der in wieder an und für sich bekannter Weise mit Permanentmagneten ausgestattet ist. Zwischen dem Motorstator 38 und dem Motorrotor 40 verbleibt in radialer Richtung ein Spalt 42, in welchem ein Spaltrohr 44 angeordnet ist, so dass eine dem Bauartkonzept eines Spaltrohrmotors folgende Fluiddichtung zwischen dem stehenden Bauteil, d.h. hier dem Motorstator 38, und dem rotierenden Bauteil, d.h. hier dem Motorrotor 40, ausgebildet ist. Das Spaltrohr 44 weist an seinen in axialer Richtung gegenüberliegenden Enden, die in axialer Richtung aus dem Spalt 42 herausragen, jeweils einen nach radial außen weisenden Ringflansch 46 auf.
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Der Motorrotor 40 ist an seinem Außenmantel 48 drehfest mit dem Pumpenrotor 14 verbunden, so dass die Pumpenlaufräder 12 durch die Rotation des Motorrotors 40 angetrieben werden.
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Die mit dem Pumpenrotor 14 verbundenen Lager-Rotorelemente 22 der Drehlagereinrichtung 24 arbeiten mit jeweils einem Lager-Statorelement 50 der Drehlagereinrichtung 24 zusammen, von denen jedes drehfest mit einem der Ringflansche 46 des Spaltrohres 44 befestigt ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Lager-Statorelemente 50 mit Hilfe von Schrauben 52 an die Ringflansche 46 angeschraubt; von in 1 vier zu erkennenden Schrauben 52 tragen nur zwei ein Bezugszeichen.
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Diese beiden Lager-Statorelemente 50 sind durch ein Verbindungsstück 54 drehfest miteinander verbunden, das sich in axialer Richtung durch den Motorstator 38 hindurch erstreckt, so dass durch die Lager-Statorelemente 50 und das Verbindungsstück 54 insgesamt ein Pumpenstator 56 gebildet ist.
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An seinem Außenmantel 58 ist das Verbindungsstück 54 des Pumpenstators 56 drehfest mit dem Motorstator 38 gekoppelt. Auf diese Weise bilden der Motorstator 38, das Spaltrohr 44 und der Pumpenstator 56 in Form der Lager-Statorelemente 50 und des Verbindungsstücks 54 insgesamt eine Stator-Baugruppe 60 der Fluidpumpe 10.
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Die Pumpenlaufräder 12, der Pumpenrotor 14, die Lagerrotorelemente 22 und der Motorrotor 40 bilden dementsprechend insgesamt eine Rotor-Baugruppe 62 der Fluidpumpe 10.
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Grundsätzlich kann die Drehlagereinrichtung 24 als Kugellager oder Gleitlager ausgebildet sein, wie es an und für sich bekannt ist.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Drehlagereinrichtung 24 jedoch als Magnet-Drehlagereinrichtung mit zwei Magnet-Drehlagereinheiten 64 konzipiert, die nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 anhand einer dort jeweils gezeigten Magnet-Drehlagereinheit 64 erläutert werden. Das hierzu Gesagte gilt, sofern nicht auf Unterschiede hingewiesen wird, für beide vorhandenen Magnet-Drehlagereinheiten 64.
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2 zeigt nochmals ein Axialschnitt einer Magnet-Drehlagereinheit 64 mit dem radial außenliegenden Lager-Rotorelement 22 und dem radial innenliegenden Lager-Statorelement 50.
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Wie in 2 und den 3 und 4 zu erkennen ist, weist das Lager-Rotorelement 22 einen axialen Durchgang 66 auf, der einen mittigen kreiszylindrischen Durchgangsabschnitt 68 mit konstantem Querschnitt aufweist. Dieser Durchgangsabschnitt 68 geht in beide axiale Richtungen symmetrisch in sich jeweils konisch erweiternde Durchgang-Konusabschnitte 70 mit jeweils einer in Umfangsrichtung verlaufenden Rotor-Konusfläche 72 über, die am Innenmantel des Lager-Rotorelements 22 ausgebildet ist. Genauer gesagt zeichnen die Durchgang-Konusabschnitte 70 und deren Rotor-Konusflächen 72 jeweils einen Kegelstumpf. Die Rotor-Konusflächen 72 der Durchgang-Konusabschnitte 70 definieren jeweils einen konischen Rotor-Magnetbereich 74 des Lager-Rotorelements 22. Die Durchgang-Konusabschnitte 70 bzw. die Rotor-Konusflächen 72 definieren beim vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils einen Konuswinkel von 45°. Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen sind jedoch auch andere Konuswinkel als 45° möglich.
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Wie die 2 und 5 veranschaulichen, ist das Lager-Statorelement 50 hierzu komplementär, derart, dass es koaxial im axialen Durchgang 66 des Lager-Rotorelements 22 angeordnet ist, wobei das Lager-Rotorelement 22 um das Lager-Statorelement 50 und die Rotationsachse 23 gedreht werden kann. Für diesen Zweck umfasst das Lager-Statorelement 50 einen mittigen Kreiszylinderabschnitt 76 mit zum Durchgangsabschnitt 68 des Lager-Rotorelements 22 komplementären, d.h. einem etwas kleineren, Durchmesser. Dieser Kreiszylinderabschnitt 76 geht in beide axiale Richtungen symmetrisch in sich jeweils konisch erweiternde Konusabschnitte 78 mit jeweils einer in Umfangsrichtung verlaufenden Stator-Konusfläche 80 über, die an dem Außenmantel des Lager-Statorelements 50 ausgebildet sind. Die Stator-Konusflächen 80 definieren einen zum Konuswinkel der Durchgang-Konusabschnitte 70 des Lager-Rotorelements 22 komplementären Konuswinkel, d.h. vorliegend einen Konuswinkel von ebenfalls 45°. Auch hier zeichnen die Konusabschnitte 78 und deren Stator-Konusflächen 80 jeweils einen Kegelstumpf. Hierdurch ist das Lager-Statorelement 50 als eine Art Doppelkegel ausgebildet. Die Stator-Konusflächen 80 der Konusabschnitte 78 definieren außerdem jeweils einen konischen Stator-Magnetbereich 82 des Lager-Statorelements 50. Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen können die Konuswinkel der Rotor-Konusflächen 72 und der Stator-Konusflächen 80 auch unterschiedlich sein.
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Damit die Lager-Rotorelemente 22 und die Lager-Statorelemente 50 zusammengebaut werden können, ist jedes Lager-Statorelement 50 mehrteilig aufgebaut und umfasst bezogen auf das Verbindungsstück 54 des Pumpenstators 56 ein erstes, von dem Verbindungsstück 54 abliegendes Konusteil 84 und ein zweites, dem Verbindungsstück 54 zugewandtes Konusteil 86. Die Konusteile 84, 86 geben jeweils die Hälfte des Kreiszylinderabschnitts 76 des zusammengesetzten Lager-Statorelements 50 vor und werden mit diesen Hälften aneinandergesetzt.
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Wie in 1 zu erkennen ist, sind die beiden ersten Konusteile 84 bei beiden vorhandenen Lager-Statorelementen 50 identisch und weisen einen axialen Stufendurchgang 88 auf, so dass eine Verbindungschraube 90A bzw. 90B hindurchgeführt und deren Schraubenkopf versenkt werden kann.
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Die beiden zweiten Konusteile 86 sind bei den beiden Lager-Statorelementen 50 unterschiedlich ausgebildet und daher beim in 1 rechten Lager-Statorelement 50 als 86A, und beim in 1 linken Lager-Statorelement 50 als 86B bezeichnet. Ihnen gemeinsam ist aber zunächst, dass sie die Befestigung an den Ringflanschen 46 des Spaltrohres 44 ermöglichen. Der zweite Konusteil 86A weist auf der dem damit verbundenen ersten Konusteil 84 zugewandten Seite eine koaxiale Gewindebohrung 92 auf, die zu der dort gezeigten Verbindungsschraube 90A passt.
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Auf der gegenüberliegenden Seite trägt dieses zweite Konusteil 86A koaxial das Verbindungsstück 54 des Pumpenstators 56. Das Verbindungsstück 54 weist auf seinem von dem zweiten Konusteil 86A abliegenden freien Ende eine koaxiale Gewindebohrung 94 auf, die zu der in 1 links zu erkennenden Schraube 90B passt. Diese ist länger als die Schraube 90A und der zweite Konusteil 86B auf der in 1 linken Seite weist keine Gewindebohrung, sondern vielmehr eine koaxiale Durchgangsbohrung auf, so dass der zweite Konusteil 86B als Ergänzung zu dessen Befestigung an der Spaltrohr 44 mit Hilfe der Schraube 90B zwischen dem ersten Konusteil 84 und dem Verbindungsstück 54 verklemmt werden kann.
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Die Montage des Pumpenstators 56 erfolgt somit in der Weise, dass zunächst das Verbindungsstück 54 in den Motorstator 38 geführt wird, bis das zweite Konusteil 86A, welches das Verbindungsstück 54 trägt, gegen den Ringflansch 46 des Spaltrohres 44 anstößt und daran befestigt wird. Auf der gegenüberliegenden Seite wird das zweite Konusteil 86B an das Verbindungsstück 54 angesetzt, wobei es an den dortigen Ringflansch 46 des Spaltrohres 44 anstößt und an diesem befestigt wird.
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Nun wird auf der rechten Seite das Lager-Rotorelement 22 auf das zweite Konusteil 86A gesetzt, das erste Konusteil 84 in dessen freien Durchgang-Konusabschnitt 70 eingesetzt und mit der Schraube 90A an dem zweiten Konusteil 86A befestigt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird entsprechend das Lager-Rotorelement 22 auf das dortige zweite Konusteil 86B aufgesetzt, das erste Konusteil 84 in dessen freien Durchgang-Konusabschnitt 70 eingesetzt und mit der Schraube 90B mit dem Verbindungsstück 54 verschraubt. Es folgt schließlich die Verbindung der Lager-Rotorelemente 22 mit Pumpenrotor 14.
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Die Magnet-Drehlagereinheiten 64 sind so konzipiert, dass sie ohne einen Elektromagneten arbeiten, sondern nur mit Hilfe von Permanentmagneten funktionieren. Damit nun das Lager-Rotorelement 22 und das Lager-Statorelement 50 einer Magnet-Drehlagereinheit 64 in dieser Weise zusammenwirken können, sind diese in den Magnetbereichen 74 bzw. 82 jeweils mit einer ersten und einer zweiten konischen Rotor-Permanentmagnetanordnung 96 bzw. einer ersten und einer zweiten konischen Stator-Permanentmagnetanordnung 98 ausgestattet, die koaxial zu der Rotationsachse 23 ausgebildet sind. Im Weiteren werden diese der Einfachheit halber auch als Rotor-Magnetanordnung 96 bzw. Stator-Magnetanordnung 98 oder zusammengefasst als Magnetanordnungen 96 und 98 bezeichnet.
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Die beiden konischen Rotor-Magnetanordnungen 96 einer Magnet-Drehlagereinheit 64 weisen auf der Rotationsachse 23 entgegengesetzte Konizitäten auf, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in die beiden voneinander wegweisenden Richtungen auf der Rotationsachse 23 jeweils zunehmen. In entsprechender Weise weisen auch die beiden konischen Stator-Magnetanordnungen 98 einer Magnet-Drehlagereinheit 64 auf der Rotationsachse 23 entgegengesetzte Konizitäten auf, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls in die beiden voneinander wegweisenden Richtungen auf der Rotationsachse 23 jeweils zunehmen.
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Bei einer nicht eigens gezeigten Abwandlung können die Konizitäten der konischen Rotor-Magnetanordnungen 96 und der konischen Stator-Magnetanordnungen 98 in die beiden voneinander wegweisenden Richtungen auf der Rotationsachse 23 auch jeweils abnehmen.
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Zumindest auf ihren einander gegenüberliegenden Seiten verlaufen eine jeweilige konische Rotor-Magnetanordnung 96 und eine jeweilige zugehörige Stator-Magnetanordnung 98 parallel zueinander.
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Die Konuswinkel der konischen Rotor-Magnetanordnungen 96 und der konischen Stator-Magnetanordnungen 98 sind zueinander komplementär und betragen beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls 45°. Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen sind jedoch auch andere Konuswinkel als 45° möglich.
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Die Magnetanordnungen 96 und 98 sind senkrecht zu dem durch sie ausgebildeten jeweiligen Konus und entgegengesetzt zueinander polarisiert. Wenn beispielsweise der Süd-Pol der Rotor-Magnetanordnung 96 des Lager-Rotorelements 22 in Richtung auf die Stator-Magnetanordnung 98 des Lager-Statorelements 50 weist, so ist deren Nord-Pol in Richtung auf die Rotor-Magnetanordnung 96 des Lager-Rotorelements 22 gerichtet. Eine entsprechend umgekehrte Magnetpolung ist ebenfalls möglich. Außerdem können die Pole bei den jeweils zwei vorhandenen ersten Magnetanordnungen 96 des Lager-Statorelements 22 vertauscht sein, d.h. also, dass bei der ersten Rotor-Magnetanordnung 96 der Süd-Pol und bei der zweiten Rotor-Magnetanordnung 96 der Nord-Pol in Richtung auf das Lager-Statorelement 50 weist. Dessen beiden Stator-Magnetanordnungen 98 sind dann wieder hierzu komplementär gepolt.
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Durch die zusammenwirkenden, als Doppelkonus bzw. Doppelkegel aufgebauten Magnetanordnungen 96, 98 wird eine Kombination eines Radiallagers und eines Axiallagers ausgebildet. Die sich jeweils gegenüberliegenden Magnetanordnungen 96 und 98 bewirken, dass die Abstoßungskräfte sowohl in radiale als auch in axiale Richtung wirken. Durch den komplementären strukturellen Aufbau des Lager-Rotorelements 22 und es Lager-Statorelements 50 wird das Lager-Rotorelement 22 sicher gelagert.
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In der Praxis erstrecken sich die Stator-Magnetanordnungen 98 des Lager-Statorelements 50 in axialer Richtung nicht so weit, wie die Rotor-Magnetanordnungen 96 des Lager-Rotorelements 22, so dass deren Magnetanordnungen 96 die jeweils zugehörigen Stator-Magnetanordnungen 98 des Lager-Statorelements 50 in beide axiale Richtungen überragt. Auf diese Weise wird vermieden, dass es im Randbereich der Magnetanordnungen 96, 98 zu einer Anziehung und dadurch zu einem Kippmoment kommen kann, was zu einem Verkanten des Lager-Rotorelements 22 und des Lager-Statorelements 50 führen könnte.
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Beim in den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der Magnetanordnungen 96, 98 sind diese als Ringkonus-Permanentmagnete 100 und 102 ausgebildet. Jeweils ein Ringkonus-Permanentmagnet 100 ist an jedem der Innenmantel-Magnetbereiche 72 des Lager-Rotorelements 22 vorgesehen. Dementsprechend ist an jedem Außenmantel-Magnetbereich 82 des Lager-Statorelements 50 jeweils ein Ringkonus-Permanentmagnet 102 vorgesehen.
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Bei den in den 6A und 6B sowie 7A und 7B gezeigten zweiten und dritten Ausführungsbeispiel umfassen die Magnetanordnungen 96 und 98 jeweils mehrere gesonderte Permanentmagnete 104 bzw. 106, von denen jeweils nur einige mit Bezugszeichen versehen sind. Diese sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel als kreisrunde Scheiben ausgebildet. Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen sind jedoch auch andere Geometrien möglich.
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Beim in den 6A und 6B gezeigten Ausführungsbeispiel sind die gesonderten Permanentmagnete 104 bzw. 106 entlang einer jeweiligen Konus-Mantellinie der konischen Rotor-Magnetanordnungen 96 bzw. der konischen Stator-Magnetanordnungen 98 angeordnet.
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Bei der Abwandlung gemäß dem in den 7A und 7B gezeigten Ausführungsbeispiel sind die gesonderten Permanentmagnete 104 und 106 dagegen in Richtung solcher Konus-Mantellinien bezogen auf eine jeweils betrachtete Konus-Mantellinie alternierend zueinander versetzt angeordnet.
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Die Rotor-Magnetanordnungen 96 und Stator-Magnetanordnungen 98, d.h. vorliegend die Ringkonus-Permanentmagnete 100, 102 und/oder die gesonderten Permanentmagnete 104, 106, sind so polarisiert, dass ihre Pole in die Richtungen einer geometrischen Normalen zur betrachteten Rotor-Konusfläche 72 oder Stator-Konusfläche 80 weisen. Anders ausgedrückt, sind die Rotor-Magnetanordnungen 96 und Stator-Magnetanordnungen 98 senkrecht zu dem durch sie ausgebildeten Konus, aber entgegengesetzt zueinander polarisiert. Die Polarisierungen der Rotor-Magnetanordnungen 96 und Stator-Magnetanordnungen 98, vorliegend somit der Ringkonus-Permanentmagnete 100, 102 oder der gesonderten Permanentmagnete 104, 106, sind dabei in den Magnetbereichen 74 und 82 derart ausgerichtet, dass sich jeweils dieselben Pole gegenüberliegen.
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Bei einer nicht eigens gezeigten Abwandlung kann auch in einem Magnetbereich 74 oder 82 ein Ringkonus-Permanentmagnet 100 bzw. 102 angeordnet sein, wobei in dem dann gegenüberliegenden Magnetbereich 82 bzw. 74 gesonderte Permanentmagnete 106 bzw. 104 angeordnet sind.
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Die Magnet-Drehlagereinheit 64 funktioniert ebenfalls in der oben beschriebenen Weise, wenn Rotor und Stator vertauscht sind, wenn also das radial außenliegenden Bauteil 22 als Lager-Stator und das radial innenliegende Bauteil 50 als Lager-Rotor arbeitet.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen umfassen die beiden Magnet-Drehlagereinheiten 64 der Drehlagereinrichtung 24 jeweils zwei konische Rotor-Magnetanordnungen 96 am Lager-Rotorelement 22 und jeweils zwei konische Stator-Magnetanordnungen 98 am Lager-Statorelement 50 mit auf der Rotationsachse 23 einander entgegengesetzten Konizitäten. In diesem Fall umfasst die Drehlagereinrichtung 24 folglich jeweils vier konische Rotor-Magnetanordnungen 96 und vier konische Stator-Magnetanordnungen 98.
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Bei einer nicht eigens gezeigten Abwandlung kann jede Magnet-Drehlagereinheit 64 jedoch auch nur jeweils eine konische Rotor-Magnetanordnung 96 und eine konische Stator-Magnetanordnung 98 umfassen, so dass die Drehlagereinrichtung 24 insgesamt mit zwei konischen Rotor-Magnetanordnungen 96 und zwei konischen Stator-Magnetanordnungen 98 ausgestattet ist. In diesem Fall umfasst jede Magnet-Drehlagereinheit 64 der Drehlagereinrichtung 24 am jeweiligen Lager-Statorelement 50 nur die beiden außenliegenden, ersten Konusteile 84 oder diesen funktional entsprechende Bauteile mit zugehöriger Stator-Magnetanordnung 98, deren Konizitäten in die beiden voneinander wegweisenden Richtungen auf der Rotationsachse 23 zunehmen; das jeweilige Lager-Rotorelement 22 stellt dann jeweils eine dazu komplementäre konische Rotor-Magnetanordnung 96 bereit.
