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Magnetische Umlaufmaschine Zusammenfassung Bei einer magnetischen
Umlaufmaschine, z.B. einem Elektromotor, einer Magnetkupplung oder einem Magnetgetriebe,
mit einem ein Drehfeld erzeugenden ersten Element und einem von diesem angetriebenen
zweiten Element, in der die beiden Elemente einen Luftspalt bilden, der durch Rotationsflächen
dieser Elemente begrenzt wird, welche einen gemeinsamen Mittelpunkt haben, kann
das die konkave Luftspaltbegrenzung bildende Element eine begrenzte Taumölbewegung
um diesen Mittelpunkt ausführen.
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Stand der Technik Aus der USA-Patentschrift 3 354 833 ist eine Vorrichtung
zur Übertragung eines Drehmomentes mit einer magnetischen Kupplung bekannt, bei
der der Läufer nit dem das Drehfeld erseugenden Stator einen vom Magnetfold durchsetzten
Luftspalt begrenzt, der durch sphärische oder zylindrische Flächen der
beiden
Elemente der Kupplung begrenzt ist. Der Läufer ist dabei in einem Lager gelagert,
indem er um den Mittelpunkt der den Luftspalt begrenzenden Flächen dieses Läufers
und des Stators eine Taumelbewegung ausführen kann. Mit dieser bekannten magnetischen
Umlaufmaschine lassen sich Kupplungen, Magnetmotore, magnetische Getriebe und dergl.
herstellen, bei denen das angetriebene umlaufende Element sich selbsttätig gegenüber
dem antreibenden Element zentriert, wobei es möglich ist, die beiden Elemente der
Umlaufmaschine voneinander mit einer Trennwand dicht zu trennen, die durch den Luftspalt
der Umlaufmaschine verläuft. Die bekannte magnetische Umlaufmaschine hat sich besonders
vorteilhaft für die Verwendung als Pumpenantrieb erwiesen.
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Diese bekannte Anordnung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der
Durchmesser des taumelfähig aufgehängten Läufers etwa dem Durchmesser des Pumpenläufers
entspricht und so eine Begrenzung desselben bilden kann.
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Es hat sich nun gezeigt, dass die taumelfähige Aufhängung eines Läufers
Vorteile auch bei anderen Maschinen, z.B. bei Gebläsen oder Schleifmaschinen oder
auch bei langsam laufenden Pumpen, deren Läuferdurchmesser im Verhältnis zur Leistung
sehr gross sind, hat. Hierfür erweist sich die bekannte Drehmomentenübertragungs-Vorrichtung
jedoch insofern mangelhaft, als das vom Läufer angetriebene Element bei der Schwenkbewegung
an das antreibende Element anschlägt, wodurch die Vorteile der Baumelfähigen Aufhängung
eingeschränkt werden.
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Die Erfindung bezweckt daher eine magnetische Umlaufmaschine der eingangs
beschriebenen Art, die sich als Antriebseinrichtung
für Strömungsmaschinen
eignet, deren Kreiselräder verhältnismässig grose Durchmesser haben.
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Bei einer magnetischen Umlaufmaschine, z.b. Elektromotor, Magnetkupplung
oder Magnetgetriebe, mit einem ein Drehfeld um ihre Rotationsachse erzeugenden ersten
Element, z.B. einem unlaufenden Magneten oder Stator eines Elektromotors, und einem
von diesem angetriebenen zweiten umlaufenden Element, wobei die beiden Elemente
iteinander einen Luftspalt bilden und die diesem Luftspalt zugekehrten Rotationsflächen
der beiden Elemente einem gemeinsamen Mittelpunkt haben, um den wenigstene eines
dieser Elemente eine begrenzte Taumelbewegung ausführen kann, bildet zur Lösung
der oben genannten Aufgaben gemäss der Erfindung das die Taumelbewegung ausführende
Element die konkave Luftspaltbegrenzung.
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Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert: Figur
1 zeigt einen Querschnitt durch eine magnetische Kupplung nach dieser Erfinung,
die zum Antrieb eines Gebläses dient, das hermetisch vom Motorraum abgeschlossen
ist.
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Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform
nach der Erfindung, bei der das angetriebene Element mit einem Gebläseläufer kombiniert
ist.
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Figur 2a zeigt in perspektivischer Ansicht den Eisenkern des Stators
einer Anordnung nach Figur 2.
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Figur 3 zeigt einen Wärmetauscher mit einer Turbine und einer Pumpe,
die mit einer Magnetkupplung nach dieser Erfindung gekoppelt sind, im Schnitt.
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Figur 4 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt durch die Pumpe und die
Turbine der Anordnung nach Figur 3 und Figur 5 zeigt einen Schnitt durch das abstützende
Lager der in Figur 4 dargestellten Kupplung in vergrößertem Maßetab.
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In Figur 1 ist eine magnetische Kupplung dargestellt, die zum Antrieb
eines Gebläseläufers 1 verwendet wird. Der Gebläseläufer wird von einem Motor angetrieben,
dessen Anker mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist. Der Anker ist mit einem kalottenförmigen
Läufer 3 verbunden, der aus permanentmagnetischen Werkstoff besteht. sowohl der
Anker 2 als auch der Läufer 3 können sich um die Achse 4 drehen. Der Läufer 3 ist
so magnetisiert, dass er auf seiner konvexen Aussenfläche in Umfangsrichtung abwechselnde
Pole hat und wenn er gedreht wird, ein Drohfeld erseugt. Das den Motor mit den Anker
2 einochliesuende Gehäuse 19 hat eine Öffnung 5, deren Durchmesser grösser als der
des Läufers 3 ist, so dass dieser duroh diese Öffnung eingeführt werden kann. Am
Rand der Öffnung ist eine kalottenförmige Trennwand 6 mit dem Gehäuse 19 dicht verbunden.
Diese Ausbildung der rennwand 6 erlaubt, da nur Zugspannungen auftreten, bei sehr
dünner Wandstärke ausserordentlich hohe Innendrücke innerhalb des Gehäuses 19, so
dass mittels der magnetischen Kupplung der Motor eines in eisem Gehäuse befindlichen
Kältekompressors gleichzeitig zum Antrieb eines aussenliegenden Gebläseläufers 1
eingesetzt werden kann.
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An der Trennwand 6 ist ein Rohr 7 befestigt, das an seinem Ende geschossen
ist und eine Lagerpfanne 8 trägt. In dieser Pfanne sitzt eine Engel 9, die sich
an Ende eines Wellenzaptons 10 befindet. An dem anderen Ende des Wellenzapfens 10
ist
ein kalottenförmiger Läufer 11 - ebenfalls aus permanentmagnetischem Werkstoff -
befestigt. Die konkave, den Luttspalt 57 zwischen dem antreibenden Läufer 3 und
dem angetriebenen Läufer 11 begrenzende Fläche 15 des Läufers 11 verläuft konzentrisch
zu der sphärischen Fläche 16, die die konvexe Begrenzung des Luftspaltes 17 bildet.
Der Nittelpunkt der Kugel 9 ist auch der Mittelpunkt dieser beiden sphärischen Flächen
15 und 16, so dass der Läufer 11 eine begrenzte Taumelbewegung um den Mittelpunkt
der Kugel 9 ausführen kann.
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Ein Dichtungsring 12 ist vorgesehen, der die Kugel 9 gegen den Raum,
in dem sich die Lagerpfanne befindet, abdichtet.
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Dieser Dichtungsring ist andererseite mit einem Balg 13 verbunden.
Der Raum 14 zwischen dos Balg und des Rohr 7 kann mit einem Schmiermitel gefüllt
sein, um das Lager zu schmieren. Der Balg dient als Behälter für da Schmiermittel
und dient dasu, die Dichtung fest an die Kugel anzudrücken.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird die das Gebläse 1, das an
dem Läufer 11 befestigt ist, antreibende Kraft durch magnetische Kräfte zwischen
den beiden magnetischen Läufern 3 und 11 übertragen, und gleichzeitig kann der Läufer
11 eine Taumelbewegung um den Mittelpunkt der Kugel 9 ausfühten. Dies hat den Vorteil,
dass der Gebläseläufer keinerlei verschleissempfindliche Radiallager benötigt.
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In Figur 2 ist eine Ausführungsform nach der Erfindung dargestellt,
bei der der Läufer 23 eine Taumelbewegung um den Mittelpunkt der Lagerkugel 9 ausführen
kann. Dieser Läufer trägt einen Gebläseläufer 20 mit Schaufeln 21 und ist mit der
Käfigwicklung 22 aus Aluminium verbunden. Der Läufer 23
selbst ist
aus einem Blech spiralförmig gewickelt. Er ist in gleicher Weise mit der Lagerkugel
9 verbunden, wie es in Figur 1 beschrieben wurde.
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Das das Drehfeld erzeugende Element ist der Stator 24 der Maschine,
der ebenfalls aus einem spiralförmig gewickelten Metallstrifen aufgebaut ist (siehe
Figur 2a). Spulen 25 und 26 sind in die Dichtungskanäle 27 zwischen den Polen 28
und 29 eingelegt. Die Ausführungsform nach Figur 2 unterscheidet sich nur insoweit
von der nach Pigur 1, als dass das Drehfeld erzeugende Element 24 den Stator und
das angetriebene Element 23 den Anker eines Elektromotors bilden, wohingegen bei
der Ausführungsform nach Figur 1 die Elemente 3 und 11 als Kupplungselemente dienen,
die die Antriebekraft des Motors auf den Gebläseläufer 1 überträgt.
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In Figur 2a ist der Eisenkern des Läufers 24 schematisch dargestellt,
wobei der Schnitt in Figur 2 längs der Linie II-II in Figur 2a gelegt ist. Die Wicklung
des Stators ist in die Wicklungskanäle 27 eingelegt.
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In Figur 3 ist in Schnitt ein Wärmetauscher mit einem Aussenrohr 31,
einem Wärmetauscherrohr 32 und eine Innenrohr 33 dargestellt. Der Stutzen 34 ist
mit der Wasserleitung verbunden. Im Stutzen 35 tritt die zu kühlende Flüssigkeit
ein, die durch Stutzen 36 gekühlt das System verlässt. Das Leitungswasser bewegt
sich durch die achsparallel verlau fenden Kanäle 37, durchströmt die Turbine 38
und verlässt durch den Stutzen 39 den Wärmetauscher. Die Pumpe 40 wird von der Turbine
38 angetrieben, so dass die Flüssigkeit im Rohr 33 in den Ringraum 41 gefördert
wird und dann durch die Kanäle 42 sum Ringraum 43 strömt, der mit der Austrittsstutzen
36 kommuniziert. Nur durch Ventilverstellung des
nicht gezeigten
Ventile zwischen Wasserleitung und dem Stutzen 34 wird nicht nur die Kühlwassermenge,
sondern auch streng proportional zur Kühlwassermenge die Menge des zu kühlenden
Wärmeträgers geregelt. Es wird damit dur gemans so viel Kühlwasser verbraucht, wie
für den jeweiligen Kühlleistungsbedarf erforderlich ist.
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In Figur 4 ist die Turbinen-Pumpenkombination im Längsschnitt geneigt.
Mit dem Aussenmantelrohr 31 ist der sit den Stutsen 39 eine Einheit bildend. flansch
50 verbunden.
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Im Flanschspalt ist die Trennkalotte 51 und auch der Pumpengehäusedeckel
52 sowie der Radbereich 53 des sternförmigen Rohres 32 eingeklemmt. Die Trennkalotte
51 weist einen hohlkegelförmigen Lagerträger 54 auf, an dessen Boden eine Kugel
55 eingespannt ist. Diese Kugel besteht vorzugsweise aus einem Hartstoff. z.B. Wolfram-Karbid
oder Al2O3. Über einen Stützkegel 56 und eine Pfanne 57, die ebenfalls au einen
Hartstoff gefertigt ist, ist der Turbinenläufer gelagert, der aus einem Permanent-@ig@eten
58 und einem Schaufelkranz 59 besteht. Die durch den Ringraum 60 dem Leitrad 61
zugeführte Flüssigkeit erhält einen Drall, dessen Winkelgeschwindigkeit durch die
zentripetal gerichtete Umlenkung im Ringraum 63 noch erheblich vergrössert wird.
Auf der turbinenabgewandten Seite der Kugel liegt ebenfalls eine Lagerpfanne 64
auf, über welche der Pumpenläufer abgestützt wird. Dieser besteht aus einem Magneten
65 mit zum Luftspalt konvexer Öberfläche, den Laufschaufeln 66, dem Abdeckring 67
und einem axial magnetisierten Magneten 68. Das Pumpengehäuse 52 weist Durchbrüche
69 auf, die gleichzeitig als Leitschaufeln zur Rückgewinnung der Drallenergie der
Austrittsströmung in Form von Durck ausgebildet sind. Die konkave Fläche des Magneten
58, die Begrenzungsflächen der Trennkalotte 51, die konvexe Fläche des Magneten
65, der konvexe Ringbereich 70 des Abdeckringes
67 und die konkave
Ringsfläche 71 des Pumpengehäuses 52 haben mit der Kugel 55 und den konkaven Lagerflächen
der Pfannen 57 und 64 einen geminsamen Mittelpunkt 72. Dadurch sind beide Läufer
taumelfähig gelagert. Zur Begrenzung des Schwenkwinkels dient der Magnet 68 im Zusammenwirken
mit dem Ringmagneten 75, der über einen Käfig 74 mit dem Pumpengehäuse 52 verbunden
ist und durch gleicheinnige Polung eine Zentrierung des Magneten 68 bewirkt. Der
Magnet 68 kann erfindungsgemäss auch durch ein Gegengewicht, durch welches beide
Rotoren equilibriert werden, ersetzt werden.
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Figur 5 zeigt einen Längeschnitt der Lagerung stark vergrössert. Alle
Teile haben die gleiche Bezeichnung wie in Pigur 4.
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Die formschlüssige Umfassung der Kugel erfolgt durch den ringförmigen
Durchdüsungsbereich 75 und einen ähnlich geformten Ring 76, der beispielsweise durch
Punktschweissung unlösbar befestigt ist.