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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spalttopf für eine Magnetkupplung mit einem zylinderförmigen Mantelbereich und einen an einem ersten Ende des Mantelbereiches anschließenden Bodenbereich, wobei zumindest der Mantelbereich sowie bei Bedarf der Bodenbereich eine Innenwandung und eine die Innenwandung umschließende Außenwandung aufweist, wobei die Innenwandung und die Außenwandung in Radialrichtung sowie im Bodenbereich in axialer Richtung, über einen Spalt voneinander beabstandet sind. Der Bodenbereich ist vorzugsweise schalenförmig angeordnet und schließt an den Mantelbereich an dem ersten Ende an.
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Magnetkupplungen dienen der Leistungsübertragung zum Beispiel an Kreiselpumpen und bestehen aus einem starr mit der Motorwelle verbundenen Primärteil und gemeinsam mit einem Laufrad auf einer Welle angeordneten Sekundärteil. Primär- und Sekundärteil sind mit Permanentmagneten bestückt. Es stehen sich jeweils ungleichnamige Pole gegenüber, die sich infolge des magnetischen Kraftflusses gegenseitig anziehen. Wird der Primärteil angetrieben, dann läuft der Sekundärteil synchron mit.
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Durch den Einsatz eines Spalttopfes zwischen dem Primär- und dem Sekundärteil wird zwischen diesen Bauteilen eine Abdichtung erreicht, so dass beispielsweise Flüssigkeiten oder auch Gase nicht von der Sekundärseite in Richtung Primärseite gelangen können. Dies ist insbesondere dann entscheidend, wenn die Magnetkupplung zum Beispiel in einer Pumpe verwendet wird. In diesem Fall ist das Laufrad der Pumpe zusammen mit dem Sekundärteil der Magnetkupplung auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, während das Primärteil mit einer Motorwelle verbunden ist. Je nach Fördermedium der Pumpe ist es dann zu vermeiden, dass dieses durch den Spalttopf in Richtung Primärteil bzw. in Richtung des Motors gelangt.
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Durch Störungen oder Fehlfunktionen ist es einerseits möglich, dass das Primärteil und/oder das Sekundärteil den Spalttopf direkt beschädigt, andererseits kann es zu Schädigungen am Spalttopf direkt durch magnetische oder nichtmagnetische Feststoffe des Fördermediums kommen. Diese Beschädigungen sind allerdings nur schwer im laufenden Betrieb zu detektieren. Aus diesem Grunde haben sich in der Praxis doppelwandige Spalttöpfe bewährt, wobei zwischen den Wänden ein Spalt angeordnet ist, der mit Hilfe von Überwachungssensoren kontinuierlich überwacht und somit eine Beschädigung des Spalttopfes detektiert werden kann.
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Durch die doppelwandige Ausgestaltung werden darüber hinaus zwei voneinander unabhängige Schutzhüllen geschaffen, so dass selbst bei Beschädigung der inneren Schutzhülle ein Betrieb der Magnetkupplung ohne weiteres möglich ist.
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Zur Herstellung derartiger Spalttöpfe werden in der Regel zwei separate hergestellte Spalttöpfe ineinander angeordnet und miteinander verbunden. Als Material kommt üblicherweise Metallblech oder Keramik zum Einsatz. Keramik ist diesbezüglich von Vorteil, da das Material selbst nicht magnetisierbar ist, wodurch die Wirbelstromverluste reduziert werden können. Allerdings sind derartige Spalttöpfe vergleichsweise teuer in der Herstellung.
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Ein so hergestellter Spalttopf ist aber nicht nur im Hinblick auf die Produktionskosten von Nachteil, sondern weist in der Regel auch eine relativ große Wandstärke auf. Wandstärke meint in diesem Zusammenhang den geringsten Abstand von der Innenfläche der Innenwandung zur Außenfläche der Außenwandung. Je größer diese Wandstärke, desto größer ist auch das Material zwischen dem Primär- und dem Sekundärteil.
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Dies führt einerseits zu größeren zu Übertragungsverlusten sowie andererseits bei Spalttöpfen aus Metallblech zu Wirbelstromverlusten zwischen dem Primär- und dem Sekundärteil.
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Während des Betriebs der Magnetpumpe mit einem metallischen Spalttopf führen insbesondere die Wirbelstromverluste zu einer Wärmeentwicklung und folglich zu einer Aufheizung des Spalttopfes. Durch den Spalt werden die Innenwandung und die Außenwandung zumindest abschnittsweise thermisch voneinander getrennt, so dass sich beide Wandungen unterschiedlich stark erwärmen und thermisch ausdehnen. Um dem entgegenzuwirken wird üblicherweise eine Wärmepaste oder dergleichen im Spalt angeordnet. Dies ist jedoch sehr aufwendig, insbesondere da sichergestellt werden muss, dass die relativ zähflüssige Wärmepaste jeden Bereich des Spaltes erreicht.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Spalttopf anzugeben, der sich gegenüber den bisher bekannten Spalttöpfen durch eine verbesserte Drehmomentübertragung und einem verbesserten thermischen Verhalten auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Spalttopf gemäß Anspruch 1, bei dem die Innenwandung über mehrere Stege integral mit der Außenwandung verbunden ist. Es wird folglich zumindest der Mantelbereich, bevorzugt aber der gesamte Spalttopf integral bzw. einstückig gebildet. Dies wird insbesondere durch die Verwendung von additiven Fertigungsverfahren, wie z.B. dem Pulverbettverfahren möglich.
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Bei dem Pulverbettverfahren wird im ersten Schritt jeweils eine Schicht eines Pulvers aufgetragen und im zweiten Schritt mit Hilfe von Bindemittel oder auch durch Einwirkung von Energie gefestigt. Dabei wird das Bindemittel bzw. die Energie nur an den Stellen dem Pulverbett zugeführt, wo der Spalttopf in der jeweiligen Schicht entstehen soll. Danach wird die Bauplattform um eine Schichtstärke abgesenkt und die nächste Pulverschicht aufgetragen. Das überschüssige Pulver muss am Ende des Herstellungsprozesses entfernt werden. Durch ein solches Verfahren ist es möglich, filigrane aber zugleich stabile Spalttöpfe zu bilden. Gegenüber den bislang bekannten Spalttöpfen sind deutlich geringere Wandstärken möglich.
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Durch die Stege wird einerseits eine ausreichende Stabilität zwischen der Innenwandung und der Außenwandung erreicht, über die beispielsweise Druckstöße gut aufgenommen bzw. gedämpft werden können und über die andererseits ein thermischer Ausgleich zwischen der Innenwandung und der Außenwandung erzielt wird. Hierdurch ist es möglich, dass sich die Innenwandung und die Außenwandung vergleichsweise homogen erwärmen bzw. thermisch ausdehnen.
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Es liegt aber nicht nur im Rahmen der Erfindung, dass der Mantelbereich doppelwandig ausgebildet ist. Auch der Bodenbereich kann, analog zum Mantelbereich, doppelwandig ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Stege in Umfangsrichtung zwischen der Innen- und der Außenwandung angeordnet und erstrecken sich in Längsrichtung. Die Längsrichtung meint in diesem Zusammenhang die Richtung, die parallel zur Mantelbereich ausgerichtet ist. Die Anzahl und der Abstand der Stege ist das Ergebnis einer mechanischen und thermischen Optimierung mit dem Ziel, die Wirbelstromverluste möglichst gering zu halten. So können die Stege beispielsweise eine Breite in Umfangsrichtung von 0,3 bis 5 mm aufweisen und in einem beliebigen Abstand in Umfangsrichtung von, vorzugsweise 1 bis 3 mm, angeordnet sein.
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Alternativ können die Stege auch in Längsrichtung zwischen der Innen- und der Außenwandung angeordnet sein und sich in Umfangsrichtung erstrecken. In diesem Fall weisen die Stege eine ringförmige Ausgestaltung mit einer Breite in Längsrichtung von 0,3 bis 5 mm auf, wobei der Abstand der zwischen den Stegen, beliebig gewählt werden kann, vorzugsweise beträgt er zwischen 1 und 4 mm.
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Die Erfindung sieht aber auch weitere alternative Ausgestaltungen der Stege und Strukturen vor, so ist beispielsweise auch eine spiralförmige Ausgestaltung, die bogenförmige sowie eine Durchdringung von längs und in Umfangsrichtung angeordneten Kanälen möglich. Darüber hinaus können die einzelnen Alternativen auch miteinander kombiniert werden. Durch Verwendung einerseits von Stegen, die sich in Längsrichtung erstrecken und andererseits von Stegen, die sich in Umfangsrichtung erstrecken, wird im Spalt eine gitterförmige Anordnung von Stegen erreicht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind in der Außenwandung eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen, die mit dem Spalt in Verbindung stehen. Über diese Öffnungen können zugleich mehrere Aufgaben erfüllt werden. Zum einen kann im Zuge der Fertigung überschüssiges Pulver aus dem Spalt austreten. Zum anderen kann über diese Öffnung nach der Fertigung ein gasförmiges oder flüssiges Medium in den Spalt eingeführt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um Kühl- oder Heizflüssigkeiten handeln. Bei der Ausgestaltung der Stege ist dann darauf zu achten, dass sich das entsprechende Medium über den gesamten Spalt ausbreiten kann. Bei sich in Längsrichtung erstreckenden Stegen kann beispielsweise ein ringförmiger Bereich im Spalt vorgesehen sein, der an die Öffnungen anschließt und frei von Stegen ist. Hierdurch kann sich das Medium zunächst in Umfangsrichtung und anschließend davon ausgehend in Längsrichtung ausbreiten. Vorzugsweise sind hier zwei Sammelkanäle vorgesehen.
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Sofern sich die Kanäle in Umfangsrichtung erstrecken können beispielsweise Unterbrechungen in den Stegen vorgesehen sein, durch die das Medium hindurchtreten kann. So kann auch bei mehreren hintereinander angeordneten Stegen in jeden Bereich des Spaltes das gasförmige oder flüssige Medium gelangen.
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Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Stege sind die Öffnungen vorzugsweise am zweiten Ende des Mantelbereiches angeordnet. Bevorzugt sind zwei Öffnungen vorgesehen, die gegenüberliegend voneinander angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Medium um ein Kontrollmedium, dass innerhalb des Spaltes angeordnet ist. Dann sind am Spalttopf, z.B. in den Öffnungen einer oder mehrere Überwachungssensoren vorgesehen, die derart ausgebildet sind, dass sie eine Beschädigung der Außenwandung anhand einer Änderung eines charakteristischen Wertes des Kontrollmediums erfassen. Bei diesem charakteristischen Wert kann es sich beispielsweise um den Taupunkt, den Sauerstoffgehalt, den Druck oder die Leitfähigkeit des Kontrollmediums handeln.
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Sofern der Taupunkt überwacht wird, handelt es sich bei dem Überwachungssensor um einen Taupunktsensor, der den Taupunkt eines flüssigen Kontrollmediums kontinuierlich überwacht. Wird der Topf beschädigt, kann z.B. ein Fördermedium in den Spalt gelangen und sich mit dem Kontrollmedium vermischen. Dies führt zu einer Verschiebung des Taupunkts.
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Alternativ ist der Spalt mit einem gasförmigen Kontrollmedium z.B. Argon oder einem anderen Edelgas gefüllt, wobei der Überwachungssensor ein Sauerstoffsensor ist. Dringt beispielsweise Außenluft in den Spalt ein, ändert sich der Sauerstoffgehalt und der Sensor gibt eine Fehlmeldung. Gleiches gilt, wenn der Überwachungssensor als Leitfähigkeitssensor ausgebildet ist.
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Unabhängig von der Wahl des Überwachungssensors ist das Kontrollmedium bevorzugt ein nicht-reaktives Fluid. Als flüssiges Kontrollmedium kommt beispielsweise Trafoöl in Betracht.
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Wie bereits zuvor erläutert, kann der erfindungsgemäße Spalttopf vergleichsweise filigran und dünnwandig ausgebildet werden. So weist die Außenwandung eine Dicke von bevorzugt 0,5 bis 2 mm, die Innenwandung eine Dicke von bevorzugt 1 mm bis 3 mm und der Spalt eine Dicke von bevorzugt 1 mm bis 3 mm auf. Somit liegt die Wandstärke des Spalttopfes im Bereich von 2, 5 mm bis 8 mm.
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Bevorzugt sind im Bodenbereich mehrere Rippen vorgesehen, die insbesondere in radialer Richtung sternförmig angeordnet sind. Diese Rippen dienen der Stabilisierung des Bodenbereiches sowie der Stabilisierung des Spalttopfes während der Herstellung.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Magnetkupplung gemäß Anspruch 12, wobei der erfindungsgemäße Spalttopf zwischen jeweils einem mit Permanentmagneten bestückten Primärteil und Sekundärteil angeordnet ist.
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Des Weiteren ist auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Spalttopfes gemäß Anspruch 13 Gegenstand der Erfindung, wobei der Spalttopf über einen additiven Materialauftrag z.B. durch ein Pulverbettverfahren integral gebildet wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert erläutert. Es zeigen
- 1 einen erfindungsgemäßen Spalttopf mit in Längsrichtung verlaufenden Stegen in einem Querschnitt in radialer Richtung
- 2 einen Spalttopf gemäß 1 in einem Querschnitt A-A
- 3 einen erfindungsgemäßen Spalttopf mit in Umfangsrichtung verlaufenden Stegen in einem Querschnitt in Längsrichtung
- 4 einen Spalttopf gemäß 3 in einem Querschnitt B - B
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Die 1 und 2 zeigen in einer vereinfachten Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spalttopfes mit sich in Längsrichtung (L) erstreckenden Stegen (8). Der Mantelbereich (1) ist doppelwandig ausgeführt und weist eine Innenwandung (3) sowie eine Außenwandung (4) auf, die in radialer Richtung (R) voneinander beabstandet sind. Die Stege (8) sind zwischen der Innen- und der Außenwandung (3,4) angeordnet und integral mit der Innen- und der Außenwandung (3,4) ausgebildet.
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An einem ersten Ende des Mantelbereiches (1) ist der Spalttopf über einen schalenförmigen Bodenbereich (2) verschlossen. Der Bodenbereich (2) weist in dem gezeigten Beispiel keine doppelwandige Ausgestaltung aber dafür nicht dargestellte Rippen aus, über die der Bodenbereich (2) verstärkt wird. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass der Bodenbereich doppelwandig ausgebildet ist.
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Insgesamt sind entlang der Umfangsrichtung (U) 32 Stege (8) vorgesehen, wobei die Anzahl hierauf nicht beschränkt ist. Die Stege (8) sind hierbei derart ausgestaltet, dass der Spalt (5) zwischen den Stegen (8) in ellipsenförmige Kanalabschnitte unterteilt ist. Diese Kanalabschnitte können beispielsweise mit einem gasförmigen oder flüssigen Kontrollmedium gefüllt werden.
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Hierzu ist in der Außenwandung (4) an einem zweiten Ende des Spalttopfes eine Öffnung (6) vorgesehen, über die das Kontrollmedium einfüllbar ist. Der Spalt (5) bzw. die Kanalabschnitte erstrecken sich entlang des gesamten Mantelbereiches (1). Der Spalttopf kann auch so ausgeführt sein, dass eine Heiz- oder Kühlbarkeit möglich ist.
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An dem zweiten Ende des Spalttopfes ist ferner ein Flansch (7) angeordnet, über die der Spalttopf in einer Magnetkupplung befestigt werden kann. Der Flansch (7) ist ebenfalls nur in einer vereinfachten Form dargestellt und weist in der Regel Durchbrüche für die Aufnahme von Befestigungsmitteln z.B. Schrauben auf.
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Die 3 und 4 zeigen eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spalttopfes, bei der die Stege (8) zwischen der Innenwandung (3) und der Außenwandung (4) in Umfangsrichtung (U) verlaufen und in Längsrichtung (L) übereinander in dem Mantelbereich (1) angeordnet sind. Auch hier bilden sich im Spalt (5) ellipsenförmige Kanalabschnitte aus, die zwischen den einzelnen Stegen (8) angeordnet sind. Der schalenförmige Bodenbereich (2) ist auch hier frei von Stegen (8).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1777414 A1 [0006]
- EP 2904269 B1 [0006]
- DE 2020122006480 U1 [0006]
