DE10251846A1

DE10251846A1 - Pumpenantrieb

Info

Publication number: DE10251846A1
Application number: DE10251846A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Achleitner; Helmut Prof. Jaberg; Thomas Ribbe; Johann Kreidl
Original assignee: Netzsch Pumpen and Systeme GmbH
Current assignee: Netzsch Pumpen and Systeme GmbH
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2004-05-19
Also published as: ATE375452T1; DE50308341D1; EP1418336A1; EP1418336B1

Abstract

Eine Exzenterschneckenpumpe weist einen in Rotor und Stator der Pumpe integrierten Antrieb auf. Hierbei enthält der Rotor Magnete bzw. weichmagnetische Teile. Im Stator sind Spulen zur Erzeugung veränderlicher Magnetfelder vorgesehen. Diese Magnetfelder bewirken im Eingriff mit Magneten bzw. weichmagnetischen Teilen im Rotor ein Drehmoment auf den Rotor. Damit ist die Pumpe vollständig in ein Rohrleitungssystem integrierbar. Es werden keinerlei Wellendichtungen benötigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnecken- bzw. Exzenterschneckenpumpe, wie sie insbesondere zur Förderung von hochviskosen bzw. mit Feststoffen versetzten Medien verwendet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Rotor für eine Exzenterschneckenpumpe sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Exzenterschneckenpumpe.

Stand der Technik

Exzenterschneckenpumpen die dem Stand der Technik entsprechen, weisen meist einen feststehenden äußeren Stator und einen darin laufenden Rotor auf. Der Antrieb des Rotors erfolgt meist durch einen externen Elektromotor, welcher mittels einer Gelenk- bzw. Biegewelle mit dem Rotor verbunden ist. In den nachfolgenden Ausführungen wird zwischen Schnecken- und Exzenterschneckenpumpen nicht weiter unterschieden, da dies keine Auswirkungen auf das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip hat.

Bekannte Exzenterschneckenpumpen weisen jedoch eine lange Bauform auf und sind aufgrund der hohen Anzahl beweglicher Teile in Motor, Gelenkwelle und Pumpe wartungsbedürftig. Zudem ist bei einer solchen Anordnung auf mindestens einer Seite der Pumpe eine Abdichtung zur Gelenkwelle hin notwendig.

Eine wesentliche Verbesserung stellt hier die Anordnung aus der DE-OS 16 53 869.5 dar. Hierin wird eine Exzenterschneckenpumpe in einen Elektromotor integriert.

Abweichend von der normalen Funktionsweise einer Exzenterschneckenpumpe wird der Rotor in seiner Position fixiert und der Stator durch den Elektromotor gedreht. Weiterhin ist der Stator selbst in den Rotor des Elektromotors integriert. Durch diese Anordnung ergibt sich eine Exzenterschneckenpumpe kurzer Bauform. Allerdings wird aufgrund der Integration in einen Elektromotor der äußere Durchmesser der Anordnung wesentlich größer als der Durchmesser des Motors ohne integrierte Exzenterschneckenpumpe.

Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung ist, dass nun an Stelle einer Wellendichtung sogar zwei Wellendichtungen, jeweils eine an jedem Ende der Pumpe, vorzusehen sind. Diese Wellendichtungen sind auch noch aufwändiger und verschleißanfälliger als die Wellendichtungen herkömmlicher Exzenterschneckenpumpen, da sie aufgrund ihrer Funktion zur Abdichtung des äußeren Rohres in der Konstruktion komplexer sind und mit einer höheren Umfangsgeschwindigkeit betrieben werden.

Eine weitere Verbesserung dieser Konstruktion ist in der DE-G 86 17 489.4 offenbart. Hieraus ergibt sich eine Pumpenkonstruktion mit einem deutlich kleineren Außendurchmesser, wobei allerdings wieder die Baulänge vergrößert ist. Das Problem der Dichtungen ist auch hier nicht gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Exzenterschneckenpumpe bzw. den Rotor einer Exzenterschneckenpumpe derart zu gestalten, dass diese im Vergleich zum Stand der Technik eine wesentlich verkürzte Bauform aufweist und gleichzeitig keine Wellendichtungen benötigt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Exzenterschneckenpumpe derart zu gestalten, dass das zum Antrieb der Pumpe benötigte Drehmoment ohne zusätzliche, die Bauform der Pumpe verlängernde Mittel sowie ohne Wellendichtungen zugeführt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgaben ist in den Patentansprüchen 1, 9 und 10 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Exzenterschneckenpumpe, bei der das zum Antrieb der Pumpe benötigte Drehmoment mit Hilfe von Magnetfeldern durch die Außenwand der Pumpe in den Rotor eingekoppelt wird. So sind vorzugsweise Antrieb und Fördereinrichtung identisch. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise einen Stator auf, welcher als Stator eines Elektromotors ausgebildet ist. Der Rotor der Pumpe ist vorzugsweise selbst als Rotor bzw. Läufer eines Elektromotors ausgebildet. Durch eine solche Anordnung sind Antrieb und Pumpe äußerst platzsparend in eine einzige Einheit integriert. Gleichzeitig wird die mechanische Konstruktion wesentlich vereinfacht. So sind keine anfälligen Wellendichtungen notwendig, da der Rotor vollständig abgeschlossen in dem System aus Stator und den angeschlossenen Leitungen läuft. Es wird keinerlei Verbindung bzw. Kontakt vom Rotor zu Punkten außerhalb des Systems benötigt. Damit kann die Pumpe, bestehend aus Rotor und Stator, ohne zusätzliche Verbindungen und Wellendichtungen in eine vorhandene Rohrleitung eingeflanscht werden.

Durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung kann auch das Umwandlungsglied, wie beispielsweise eine Gelenkwelle oder auch Biegewelle für die Transformation der zentrischen Rotation des Antriebsmotors in die exzentrische Bewegung des Rotors entfallen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Exzenterschneckenpumpe in Form eines Permanentmagnet-Schrittmotors ausgelegt. Hierzu sind in den Rotor Permanentmagnete (Dauermagnete, z. B. aus Metallen der Gruppe der Seltenen Erden) integriert. Im Stator sind Spulen vorgesehen, welche entsprechend ihrer elektrischen Ansteuerung ein Magnetfeld erzeugen. Die Bewegung des Rotors erfolgt nun durch Ausrichtung der Permanentmagnete entsprechend dem durch die Spulen erzeugten Magnetfeld. Zur entsprechenden Ansteuerung der Spulen ist eine optionale Steuereinheit vorgesehen, welche diese in einer Reihenfolge mit der entsprechenden Frequenz aktiviert, so dass sich die gewünschte Bewegung des Rotors ergibt.

Zur richtigen Ansteuerung der Spulen ist vorzugsweise ein Positionssensor vorgesehen, der die exakte Position des Rotors in Bezug auf den Stator signalisiert. Ein solcher Positionssensor kann beispielsweise auch aus bzw. mit Hilfe der in den Rotor integrierten Magnete realisiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Exzenterschneckenpumpe in Form eines Asynchronmotors ausgelegt. Hierzu ist der Rotor als Widerstandsläufer bzw. vorzugsweise als Kurzschlussläufer ausgebildet. Weiterhin sind im Stator Wicklungen zur Erzeugung eines Drehfeldes vorgesehen. Durch das Drehfeld werden in den Rotorwicklungen bzw. in der leitenden Rotorstruktur Spannungen induziert, welche je nach dem elektrischen Widerstand der Wicklungen bzw. der leitenden Rotorstruktur zu entsprechenden Strömen führen. Diese Ströme verursachen wiederum ein Magnetfeld und damit ein Drehmoment. Zur Ansteuerung der Wicklungen ist eine optionale Steuerschaltung, vorteilhafterweise ein Frequenzumrichter, zur Erzeugung der phasenverschobenen Signale variabler Frequenz zur Erzeugung eines Drehfeldes mit der gewünschten Drehfrequenz vorgesehen.

Wahlweise können in dem Rotor Nuten zur Aufnahme von Rotorwicklungen vorgesehen sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Exzenterschneckenpumpe in Form eines Reluktanzmotors ausgeführt ist. Hierzu weist der Stator Spulen zur Erzeugung eines drehenden Magnetfeldes auf. Im Rotor befindet sich ein vorzugsweise zahnförmig ausgebildetes Teil aus magnetisch leitfähigem bzw. weichmagnetischem Material, wie beispielsweise Eisen. Hierbei richten sich die Zähne entsprechend dem Magnetfeld aus. Durch eine Drehung des Magnetfeldes kann somit auch eine Drehung des Rotors erreicht werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Spulen im Stator entgegengesetzt zu den Spulen gepolt, die das Drehmoment auf den Rotor übertragen. Durch diese steuerbare Umkehrpolung wird im Rotor eine Kraft erzeugt, die entgegen der Strömungsrichtung des gepumpten Mediums wirkt und damit die vom Medium erzeugten hydraulischen Kräfte auf die Stirnseiten des Rotors kompensiert oder reduziert. Die notwendige Anzahl der umgekehrt gepolten Spulen kann dem erzeugten Förderdruck variabel angepaßt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Rotor Permanentmagnete auf. Zusätzlich ist um den feststehenden Stator der Pumpe ein drehender Läufer angeordnet. Dieser Läufer wird beispielsweise von einem Elektromotor angetrieben oder ist selbst Bestandteil eines Elektromotors. Weiterhin weist der Läufer Mittel zur Erzeugung von Magnetfeldern auf. Dies können beispielsweise Permanentmagnete oder auch Spulen sein. Durch die Drehung des Läufers wird ein drehendes Magnetfeld erzeugt, welches im Eingriff mit dem Feld der Permanentmagnete des Rotors auf den Rotor ein Drehmoment ausübt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Spulen des Stators derart ausgelegt, dass der Feldstärkevektor neben einer zeitlich um die Rotorachse drehenden Komponente auch eine längs zur Rotorachse ver schiebbare Komponente aufweist. Bei Schneckenpumpen und insbesondere bei Exzenterschneckenpumpen wandert der Kontaktpunkt bzw. die Kontaktpunkte des Rotors mit dem Stator entsprechend der Drehung des Rotors relativ zum Stator in einer schraubenförmigen Bewegung. Um nun zur Bewegung des Rotors den maximalen magnetischen Fluss bei hohem Wirkungsgrad zu erreichen, wird das Magnetfeld des Stators entsprechend der Bewegung der Kontaktpunkte mitbewegt. Dies kann durch eine geeignete Spulenanordnung entlang der Bahn der Bewegung bzw. durch eine entsprechende sequenzielle Ansteuerung mehrerer in Längsrichtung der Spulen angeordneter Spulensätze erreicht werden.

Erfindungsgemäß weist ein Rotor einer Exzenterschneckenpumpe weichmagnetische Teile und/oder Mittel zur Erzeugung magnetischer Felder, wie beispielsweise Permanentmagnete oder Spulen auf. Unter Einwirkung eines rotierenden externen Magnetfeldes wird ein Drehmoment zur Bewegung der Pumpe auf den Rotor ausgeübt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Exzenterschneckenpumpe, deren Rotor weichmagnetische Komponenten und/oder Mittel zur Erzeugung magnetischer Felder, wie beispielsweise Permanentmagnete oder Spulen enthält, besteht darin, dass der Rotor mit drehenden magnetischen Feldern beaufschlagt wird. Hierdurch ergibt sich durch Interaktion der Magnetfelder ein Drehmoment auf den Rotor.

In einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Verfahrens können zusätzliche Bewegungen der magnetischen Felder in Richtung der Längsachse der Pumpe ausgeführt werden. Damit wird ein Wandern des Anlagepunktes zwischen Rotor und Stator der Exzenterschneckenpumpe mit berücksichtigt.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
Die 1a, b, c zeigen in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Permanentmagneten im Rotor und Spulen im Stator.
2 zeigt in allgemeiner Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung im seitlichen Schnitt.
3 zeigt schematisch den Verlauf des magnetischen Flusses in einer Ausführung der Erfindung mit einem Rotor als Kurzschlussläufer.
In 1a bis 1c ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse dargestellt. Eine Exzenterschneckenpumpe weist einen Rotor (1) auf, welcher sich in einem Stator (2) bewegt. Der Rotor (1) enthält Permanentmagnete (3) zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Im Stator (2) sind Spulen zur Erzeugung eines zweiten Magnetfeldes vorgesehen. Diese Spulen sind durch eine Steuereinheit wahlweise mit Strom versorgbar. Die mit Strom durchflossenen Spulen (6) sind dunkel dargestellt, während die stromlosen Spulen (7) hell dargestellt sind.
Die einzelnen Teilabbildungen zeigen unterschiedliche Stadien im Bewegungsablauf. So befindet sich in einem ersten Stadium entsprechend 1a das in der Schnittebene befindliche Teil des Rotors am oberen Ende des schraubenförmig gewundenen Ganges des Stators, welches hier im Schnitt als ein Oval dargestellt ist. Entsprechend werden die möglichst nahe am Rotor anliegenden oberen Spulen mit Strom versorgt. Die Richtung des Stromes ist so gewählt, dass sich im Eingriff mit den Permanentmagneten im Rotor ein Drehmoment zur Bewegung des Rotors ergibt.
In einem späteren Stadium der Bewegung, dargestellt in 1b, bei dem sich das in der Schnittebene befindliche Segment des Rotors in der Mitte des Stators befindet, werden nur die entsprechend seitlich angeordneten Spulen aktiviert.
Bei fortgeschrittener Bewegung entsprechend 1c werden nun weitere, seitlich am Rotor anliegende Magnete aktiviert.
Zur richtigen Ansteuerung der Spulen ist vorzugsweise ein Positionssensor vorgesehen, der die exakte Position des Rotors in Bezug auf den Stator signalisiert. Ein solcher Positionssensor kann beispielsweise auch aus bzw. mit Hilfe der in den Rotor integrierten Magnete realisiert werden.
Diese Darstellung ist lediglich ein Schnitt an einer Stelle des Rotors. Der gesamte Rotor setzt sich aus einer Vielzahl solcher Schnitte zusammen, welche jeweils um einen Winkel gegeneinander verdreht sind. Daher verlaufen die Spulen auch nicht parallel zur Pumpenachse, sondern sind vorzugsweise in einer Kurve entsprechend der Bewegung des Rotors entlang der Oberfläche des Stators angeordnet. Ebenso können im Falle von geradlinig angeordneten Spulen auch die Magnete gegeneinander versetzt angeordnet werden.
2 stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Schnitt in einer Ebene parallel zur Pumpenachse dar. Diese Zeichnung korrespondiert mit 1a und zeigt die Darstellung daraus in einem um 90 Grad versetzten Schnittwinkel. In 2 sind wieder der Stator (2) sowie der darin laufende Rotor (1) zu erkennen. Das Drehmoment auf den Rotor wird erzeugt durch Interaktion der Magnetfelder der Spulen (4) im Stator und der Permanentmagnete (3) im Rotor.
In 3a und 3b ist zu Veranschaulichung noch eine Ausführung der Erfindung mit einem Rotor als Kurzschlussläufer dargestellt. Der Rotor (1) wandert in der Schnittdarstellung entsprechend seiner Drehbewegung im Stator (2). Die Linie (8) gibt den Verlauf des magnetischen Flusses des Magnetfeldes der Spule an. Dieser magnetische Fluss geht bevorzugt durch den magnetisch leitfähigen Rotor. Entsprechend verläuft die Linie des magnetischen Flusses abhängig von der Position des Rotors.

1: Rotor
2: Stator
3: Permanentmagnete
4: Spulen
5: Spulen, von Strom durchflossen
6: Spulen; ohne Strom
7: magnetischer Fluss

Claims

Exzenterschneckenpumpe umfassend einen Rotor (1) und einen Stator (2), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Einkopplung eines Drehmoments durch magnetische Felder in den Rotor (1) zur Drehung des Rotors gegenüber dem Stator (2) vorgesehen sind, welche wahlweise Spulen (4) bzw. bewegte Permanentmagnete umfassen.
Exzenterschneckenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) als Stator eines Elektromotors ausgebildet ist und gleichzeitig der Rotor (1) als Läufer eines Elektromotors ausgebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rotor (1) Permanentmagnete (3) und weiterhin im Stator (2) Spulen (4) vorgesehen sind, welche entsprechend ihrer elektrischen Ansteuerung eine Kraft auf die Permanentmagnete im Rotor zur Drehung des Rotors ausüben.
Exzenterschneckenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) als Kurzschlussläufer oder Widerstandsläufer ausgebildet ist und im Stator (2) Spulen (4) zur Erzeugung eines Drehfeldes derart vorgesehen sind, dass durch Induktion von Spannungen im Rotor und den Magnetfeldern durch die daraus resultierenden Ströme ein Drehmoment auf den Rotor ausgeübt wird.
Exzenterschneckenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rotor (1) Teile aus einem weichmagnetischen Werkstoff, wie z.B. Eisen und weiterhin im Stator (2) Spulen (4) vorgesehen sind, welche entsprechend ihrer elektrischen Ansteuerung eine Kraft auf die Teile aus einem magnetisch leitfähigen Werkstoff im Rotor zur Drehung des Rotors ausüben.
Exzenterschneckenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rotor (1) Permanentmagnete (3) vorgesehen sind und weiterhin der Stator einen den Pumpenstator umfassenden zusätzlichen drehbaren Läufer aufweist, welcher Mittel zur Erzeugung magnetischer Felder besitzt, die im Eingriff mit den Permanentmagneten des Rotors stehen und somit auf diesen ein Drehmoment ausüben.
Rotor für eine Schneckenpumpe bzw. Exzenterschneckenpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass im Stator (2) Spulen (4) zur Erzeugung eines Drehfeldes derart vorgesehen sind, dass der Feldstärkevektor neben einer zeitlich um die Pumpenachse drehbaren Komponente auch eine proportional zur Drehung entlang der Pumpenachse verschiebbare Komponente aufweist.
Exzenterschneckenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Stator (2) Spulen (4) angeordnet sind, die neben dem Drehmoment eine zusätzliche Kraft auf den Rotor (1) ausüben, die die axial auf den Rotor (1) wirkenden Kräfte kompensiert oder reduziert.
Rotor für eine Schneckenpumpe bzw. Exzenterschneckenpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass im Körper des Rotors weichmagnetische Materialien und/oder Mittel zur Erzeugung magnetischer Felder, wie beispielsweise Permanentmagnete oder Spulen zur Ausübung eines Drehmoments mittels externer Magnetfelder vorgesehen sind.
Verfahren zum Betrieb einer Schneckenpumpe bzw. Exzenterschneckenpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Drehmoments auf den Rotor wird dieser mit drehenden magnetischen Feldern beaufschlagt, wobei in den Rotor weichmagnetische Materialien und/oder Mittel zur Erzeugung magnetischer Felder, wie beispielsweise Permanentmagnete oder Spulen, eingebettet sind.