DE1463800C - Magnetische Maschine zur berührungslosen Übertragung eines Drehmomentes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Maschine zur berührungslosen Übertragung eines Drehmoments von einem ersten in einem Stator gelagerten Polring auf einen zweiten koaxial dazu angeordneten Polring, die beide über den Umfang im Winkelabstand voneinander liegende permanente oder induzierte Magnetpole mit abwechselnder Polarität aufweisen, mit einer zwischen den Polringen angeordneten, mit dem Stator fest verbundenen Trennwand (s. französische Patentschrift 1 326 350). _t Drehmomentenübertragungsvorrichtungen, auch als Magnetkupplungen bezeichnet, mit im Luftspalt liegender Trennwand aus magnetisch durchlässigem Material werden insbesondere zum Antrieb der Schaufelräder von Kreiselmaschinen eingesetzt. Mit Magnetkupplungen ausgerüstete Kreiselmäschinen haben den Vorteil, daß bei ihnen in gleicher Weise wie bei Spaltrohrpumpen das Fördermedium von der Umgebung hermetisch abgedichtet ist. Mit den Spaltrohrpumpen haben sie jedoch auch den Nachteil gemeinsam, daß der angetriebene Polring im Fördermedium gelagert ist; die Schmierung muß also durch das Fördermedium erfolgen, so daß derartige Kreiselmaschiilen für nicht schmierende Fördermedien und insbesondere für solche mit abrasiven Beimischungen oder solchen, die zu einer Verklebung oder Verharzung des Lagerspaltes führen, nicht geeignet sind.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Magnetkupplungen beim Einsatz in Pumpen oder Mischern besteht darin, daß sich im Magnetspalt leicht Schmutzteile absetzen, insbesondere, wenn diese vom Magnetfeld angezogen werden. Neben Magnetkupplungen mit zylindrischem oder planem Spaltrohr sind Kupplungen bekanntgeworden, bei denen die Trennwand zwischen dem gelagerten und dem abgestützten Polring eine Auswölbung aufweist, wodurch höhere Differenzdrücke als durch plane Wandungen bei gleicher Materialstärke aufgenommen werden können. Es sind ferner Übertragungskupplungen mit zylindernapfförmigen Spalttöpfen bekannt. Auch sind Vorschläge bekannt, wonach die napfförmigen Spalttöpfe Achsstummel tragen, auf denen die angetriebenen Polringe gelagert sind. All diese Vorschläge benötigen jedoch zylindrische Wellen oder Achsen, zu denen Lagerbuchsen eine Relativbewegung ausführen. Schließlich sind Vorschläge gemacht, angetriebene Polringe durch die Zuordnung stationärer Magnetringe unter Ausnutzung der abstoßenden Kräfte in ihrer Lage zu halten. Diese Versuche mußten jedoch am Ernsthowschen Theorem scheitern. Dieses Theorem besagt, daß durch magnetostatische Kräfte ferromagnetische Körper nicht berührungslos fixiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl Wellen als auch Achsen zu vermeiden und eine magnetische Lagerung unter Ausnutzung anziehender, statt, wie bisher immer wieder versucht, abstoßender magnetischer Kräfte zu gewährleisten. Bei ihr sollen

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lediglich axial zum Gegenmagneten gerichtete Rest- weist über den Umfang nebeneinanderliegende, in der

kräfte mechanisch abgestützt werden. Polarität abwechselnde Pole mit Polzentren 2 auf. Ein

Diese Aufgabe wird bei der eingangs zitierten An- mit dem Polring 1 fest verbundener Radkörper 3 ist Ordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mit einer Welle 4 verdrehsicher verbunden. Die die die Trennwand (7) aufnehmende Luftspalt zwischen 5 Pole 2 tragende Fläche 5 des Polringes 1 liegt auf den Polringen (1 und 11) im Bereich der Polzentren (2 einer gedachten Kugel, deren Mittelpunkt im Punkt 6 und 13) im wesentlichen auf einem Kugelschalenab- Hegt. Die Trennwand 7 aus magnetisch durchlässigem schnitt einer gedachten Kugel um einen Kugelmittel- Material liegt ebenfalls auf der Oberfläche einer gepunkt (6) verläuft, wodurch der kleinere Polring (11) dachten Kugel mit dem Kugelmittelpunkt 6. Im Nain den größeren (1) hineinragt, wobei die Polzentren io dir 8 der Trennwand ist ein Stützelement 9 befestigt, (13 und 2) der Polringe auf Mänteln von Kegeln (14), dessen anderes Ende als ballige Lagerfläche 10, spederen Kegelspitzen in der Nähe des Kugelmittelpunk- ziell als Kugelfläche ausgebildet ist. Die Trennwand 7 tes (6) liegen, angeordnet sind, wobei ferner der nicht wird in bekannter Weise aus elektrisch schlecht leitenitn Stator gelagerte Polring (1 oder 11) formschlüssig dem unmagnetischen Metall aufgebaut. Zur Vermeidreh- und schwenkbar gegenüber der Trennwand (7) 15 dung von Wirbelstromverlusten, insbesondere bei hogelagert ist und das Zentrum der Schwenkbewegung hen Relativgeschwindigkeiten, sieht die Erfindung dieses Polringes im wesentlichen mit dem Kugelmit- auch die Verwendung nichtleitender Kunststoffe vor. telpunkt (6) zusammenfällt. Der angetriebene Polring 11 weist eine Lagerpfanne

Durch diese Anordnung ermöglichen die Polringe 12 mit konkaver sphärischer Gleitfläche auf, in die

nicht nur die Drehmomentenübertragung durch die 20 das Ende des Stützelementes 9 hineinragt. Auch der

magnetisch durchlässige, vorzugsweise halbkugel- abgestützte Polring 11 weist ausgeprägte Pole mit PoI-

schalenförmige Trennwand hindurch, sondern der ab- Zentren 13 in gleicher Zahl wie der Polring 1 auf. Der

gestützte Polring erfährt außerdem eine zum anderen Polring 11 oder der Polring 1 kann auch aus weich-

Polring hin gerichtete axiale Kraft, die über eine me- magnetischem Material bestehen. Bei Verwendung

chanische Abstützung von der Trennwand aufgenom- 25 weichmagnetischer Materialien sieht die Erfindung

men wird, so daß der abgestützte Polring beim Lauf bevorzugt eine Ausbildung vor, bei der elektrisch gut

axial nicht ausweichen kann. Darüber hinaus werden leitende Werkstoffe mit magnetisch gut leitenden

durch die geometrische Zuordnung von Polzentren Werkstoffen in gleicher Weise zusammenwirken, wie

und mechanischer Lagerung zur Aufnahme der Axial- bei dem Kurzschlußläufer eines Induktionsmotors,

kraft Rückstellmomente erzeugt, die zu einer Stabili- 30 Bei der Verwendung weichmagnetischer Werkstoffe

sierung des abgestützten Polringes in die Rotationse- läßt sich die Lage des induzierten Poles in bekannter

bene führen, nachdem der Polring durch Störeinflüsse Weise durch die Geometrie der elektrisch und magne-

schräg gestellt wurde. Dadurch erübrigen sich Wellen tisch gut leitenden Werkstoffe zueinander beeinflus-

oder Achsen sowie Lagerbuchsen und Planlager. sen. Die Polzentren 13 der Pole des angetriebenen

Zur axialen Abstützung sieht die Erfindung also 35 Polringes 11 liegen den Polzentren 2 des antreibenden

zwischen der umlaufenden und der stehenden Lager- Polringes 1 gegenüber und sind axial in Richtung zum

fläche einen sphärischen Lagerspalt, der eine Taumel- Kugelmittelpunkt 6 so versetzt, daß alle Polzentren

bewegung des abgestützten Polringes zuläßt, vor. Das auf einem Kegelmantel 14, dessen Spitze in der Nähe

Schwenkzentrum fällt mit dem Kugelmittelpunkt an- des Kugelmittelpunktes 6 liegt, liegen,

nähernd zusammen. Der abgestützte Polring wird 40 Die Pole tragenden Oberflächen des Polringes 11

durch die axialen Komponenten der zwischen den liegen wiederum auf einer gedachten Kugel, deren Ku-

Magnetpolen herrschenden Kräfte gegen das Stützele- gelmittelpunkt ebenfalls mit dem Mittelpunkt 6 der

ment der Trennwand gedrückt und kann, wenn in den erstgenannten Kugel zusammenfällt. Bei stehender

sphärischen Lagerspait ein Schmutzteil eindringen Kupplung verläuft der Magnetkraftvektor zwischen

sollte, eine axiale Bewegung und/oder eine Taumel- 45 dem Polzentrum 13 und dem Polzentrum 2 auf dem

bewegung ausführen, so daß ein Blockieren weitge- Kegelmantel 14. Dieser Vektor läßt sich in einen zur

hend ausgeschlossen wird. Da so der größte Teil der Rotationsebene parallelen Vektor 15 und einen axia-

Lagerkräfte magnetisch aufgebracht wird und auch len Vektor 16 zerlegen. Die Summe der axialen Vek-

die Relativgeschwindigkeiten im abstützenden sphäri- toren gemäß 16 erzeugt die im sphärischen Lager

sehen Lager extrem gering sind, werden die aufeinan- 5° 10/12 abgestützte Axialkraft.

dergleitenden Lagerflächen im Vergleich zu durch das F i g. 2 zeigt die in F i g. 1 gezeigte Magnetkupplung

Fördermedium geschmierte Radiallager relativ klein, mit durch eine Störung ausgelenktem angetriebenen

so daß auch Blockierung durch Verharzung praktisch Polring 11. Die Polzentren 2 und 13 sowie 2' und 13'

ausgeschlossen ist. Liegen die Polringe in Räumen un- liegen nicht mehr auf dem Kegelmantel 14. Hierdurch

terschiedlichen Druckes, so erleidet die Trennwand 55 ändern sich die Beträge der Axialvektoren 16' und

praktisch keine Verformung, wenn der höhere Druck 16" gegenüber dem Betrag des Vektors 16. Die Un-

an der konkaven Seite herrscht. gleichheit der Vektoren 16' und 16" führt zu einer

Die Erfindung soll an Hand der Figuren beschrie- Rückstellbewegung in Richtung des Pfeiles 17. Die

ben werden; sie ist nicht auf Strömungsmaschinen be- stabile Lage ist wieder erreicht, wenn die Axialvekto-

schränkt, sondern kann auch für viele andere Verwen- 60 ren gleiche Längen aufweisen, wenn also der Polring

düngen eingesetzt werden. 11 wieder in die der Achse 18 zugeordneten Rota-

Fig. 1 zeigt schematisiert einen Querschnitt durch tionsebene gelangt ist. Durch die Geometrie der Poleine erfindungsgemäße magnetische Maschine; ringe wird also nicht nur ein Drehmoment übertragen,

F i g. 2 zeigt die gleiche Maschine, jedoch mit durch welches zu einem Phasenwinkel zwischen den Polzen-

eine Störung aus der Rotationsebene herausge- 65 tren 2 und 13 führt, es wirken außerdem die Polringe

schwenktem, abgestütztem Polring. aufeinander so ein, daß der gelagerte Polring den ab-

F ig. 1: Der im festen System gelagerte Polring 1 gestützten Polring axial anzieht und in der Rotationse-

besteht aus permanentmagnetischem Werkstoff und bene stabilisiert. Dabei ist es gleichgültig, ob der kon-

vexe Polring 11 oder der konkave Polring 1 der angetriebene Polring ist, der in der Nähe des Kugelmittelpunktes 6 durch die Trennwand 7, die Teil des feststehenden Systemes ist, abgestützt wird. Auch ist es gleichgültig, welcher der Polringe verschwenkbar zur Maschinenachse 18 und welcher starr gelagert ist. Der verschwenkbare Polring wird in der Regel mit einem vorteilhaft verschwenkbar zu lagernden Maschinenelement, wie einem Strömungsmaschinenlaufrad, eine Einheit bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Magnetische Maschine zur Berührungslosen Übertragung eines Drehmomentes von einem ersten in einem Stator gelagerten Polring auf einen zweiten koaxial dazu angeordneten Polring, die beide über den Umfang im Winkelabstand voneinander liegende permanente oder induzierte Magnetpole mit abwechselnder Polarität aufweisen, mit einer zwischen den Polringen angeordneten, mit dem Stator fest verbundenen Trennwand, dadurch gekennzeichnet, daß der die Trennwand. (7) aufnehmende Luftspalt zwischen den Polringen (1 und 11) im Bereich der Polzentren (2 und 13) im.wesentlichen auf einem Kugelschalenabschnitt einer gedachten Kugel um einen Kugelmittelpunkt (6) verläuft, wodurch der kleinere Polring~fll) in den größeren (1) hineinragt, wobei die Polzentren (13 und 2) der Polringe auf Mänteln von Kegeln (14), deren Kegelspitzen in der Nähe des Kugelmittelpunktes (6) liegen, angeordnet sind, wobei ferner der nicht im Stator gelagerte Polring (1 oder 11) formschlüssig dreh- und schwenkbar gegenüber der Trennwand (7) gelagert ist und das Zentrum der Schwenkbewegung dieses Polringes im wesentlichen mit dem Kugelmittelpunkt (6) zusammenfällt.

2. Magnetische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenüber der Trennwand (7) schwenkbar gelagerte Polring mit dem Schaufelrad (33) einer Strömungsmaschine, eine Einheit bildet.

3. Magnetische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Polringe (1 oder 11) aus weichmagnetischem Werkstoff aufgebaut ist.

4. Magnetische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Polringe (1 oder 11) teilweise aus elektrisch gut leitendem Werkstoff aufgebaut ist.

5. Magnetische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Polringe (1 oder 11) wie der Käfigläufer eines Induktionsmotors aufgebaut ist.

6. Magnetische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (7) halbkugelschalenförmig ausgebildet ist.

7. Magnetische Maschine nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur formschlüssigen Abstützung des schwenkbaren Polringes (11) ein Stützelement (9) mit dem Zentrum der Trennwand (7) an einem Ende fest verbunden ist und am anderen Ende eine ballige Lagerfläche (10) aufweist, die mit einer Lagerpfanne (12) zusammen ein Dreh- und Schwenklager bildet.

8. Magnetische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ballige Lagerfläche (10) kugelförmig ist.

9. Magnetische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum der balligen Lagerfläche mit dem Kugelmittelpunkt (6) der im Luftspalt liegenden gedachten Kugel zusammenfällt.

10. Magnetische Maschine nach Anspruch 1, dadurch geknnzeichnet, daß die Trennwand

(7) aus elektrisch nichtleitendem Werkstoff besteht.

11. Magnetische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärisch ausgebildete Trennwand (7) aus Kunststoff besteht.