DE2058062C3 - Magnetische Umlaufmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine motorangetriebene magnetische Umlaufmaschine, deren Motorstator außerhalb und der Rotor innerhalb des Pumpenraumes und der Förderflüssigkeit angeordnet ist, und bei welcher dei Magnetfluß einen in einer sphärischen Fläche lie- b^r> genden Magnetspalt durchsetzt.

Es ist bekannt, elektrische Maschinen dadurch zu lagern, daß ein Lagerspalt mit einem unter Druck stehenden fließbaren Stoff ausgefüllt wird, wobei der Druck so groß ist, daß er zur Überwindung der Lagerkräfte ausreicht. Es ist weiter bekannt, den Läufer einer Pumpe durch Magnetkräfte anzutreiben die auf einem Polring mit sphärischer Oberfläche wirken, ivelche im Mittelpunkt dieser sphärischen Oberfläche mit einem Kugellager schwenkbar gelagert ist. Diese sogenannten Sphäromagnetpumpen haben sich immer dann bewährt, wenn der Pumpenkreislauf von dem antreibenden Element hermetisch getrennt werden soll.

Die Lagerung eines umlaufenden Polringes erfordert sowohl in radialer als auch in axialer Richtung eine Abstützung, die in der Regel durch nur um die Rotationsachse der Maschine drehbar radial und axial gelagerte Wellen bewirkt wird. Es sind magnetische Umlaufmaschinen bekanntgeworden, bei denen an die Stelle einer nur drehbar gelagerten Welle eine Lagerung durch eine Kugel tritt, die eine universelle Verschwenkung des umlaufenden Polrings zuläßt. Durch geeignete Zuordnung der Zentren der Isodynamen auf den einander zugewandten Polen der beiden Polringe wird der magnetisch nur durch eine Kugelfläche unterstützte umlaufende Polring so stabilisiert, daß er sich im ungestörten Lauf wie ein starr gelagerter Läufer verhält. Derartige magnetische Umlaufmaschinen, die insbesondere im Pumpenbau Eingang gefunden haben, weisen Magnetspalte auf, die auf der Oberfläche einer Kugel liegen, deren Zentrum mit dem Zentrum der Lager-Kugelfläche zusammenfällt. Während bei kleinen Maschinen aufeinandergleitende konkave und konvexe Flächen das Lager bilden, wird bei großen Maschinen ein berührungsloser Betrieb durch Verwendung hydrodynamisch tragender Lager verwirklicht. Dieser setzt konvexe und konkave Lagerpartner großen Durchmessers voraus. Dabei müssen die sphärischen Flächen der Lagerpartner genau konzentrisch zum sphärischen Magnetspalt angeordnet sein, was hohe Präzision voraussetzt.

Es sind weiter magnetische Kupplungen bekannt, bei denen der angetriebene und der antreibende Polring einen sphärischen Luftspalt begrenzen und der angetriebene Polring auf einem im Zentrum des Luftspalts angeordneten sphärischen Lager taumelnd aufgehängt ist. Außerdem ist eine elektrische Maschine mit unmittelbar schleifender Verbindung zwischen Ständer und Läufer bekannt, bei der diese Elemente scheibenförmig ausgebildet sind.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die berührungslose Lagerung von magnetischen Umlaufmaschinen der eingangs bezeichneten Art zu verwirklichen.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß auf der luftspaltseitigen Läuferoberfläche Spiralrillen angeordnet sind, die zu einer Erhöhung des Flüssigkeitsdrucks im Luftspalt in der Weise führen, daß die Förderflüssigkeit der Pumpe bei Betrieb in diesen Spalt hineingepreßt wird, und der magnetische Spalt gleichzeitig Lagerspalt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung wird dieselbe Aufgabe dadurch geinst, daß zu einer Erhöhung des Druckes im Luftspalt außerhalb der Pumpe vorgesehene clruckerzeugende Einrichtungen, z. B. Kompressoren für flüssiges oder gasförmiges Kältemittel, Gaskompressoren, Wasserpumpen oder Preßluftkompressoren, vorgesehen sind, die beim Betrieb der Pumpe in diesen Spalt hereingepreßt werden und der magnetische Spalt gleichzeitig

Lagerspalt wird.

Das wesentliche der Erfindung besteht also darin, daß der Magnetspalt gleich der Lagerspalt der Umlaufmaschine ist.

Die Erzeugung des Druckes kann in an sich bekannter Weise durch in Umfangsrichttpg verlaufende Rillen, z. B. Spiralrillen, erfolgen, es kann jedoch auch ein Fördermittel durch eine Hilfseinrichtung, z. B. einen Kompressor, auf einen Druck gebracht werden, der hoch genug ist, um den umlaufenden Polring gegen die Kraft des axial gerichteten Magnetkraftvektors um einen geringen Betrag anzuheben, so daß der Lauf berührungslos erfolgt. Als fließbare Stoffe zur Erzeugung des ununterbrochenen Tragfilmes eignen sich sowohl Flüssigkeiten als auch Gase. Auch eine Kombination von Flüssigkeiten und Gasen kann zur Erzeugung des tragenden Filmes eingesetzt werden. Durch geeignete Mittel, z. B. Spiralrillen, wird Flüssigkeit nur entlang der Peripherie des Lagerspaltes in diesen hineinbefördert, wobei eine starke Druckzunahme des Flüssigkeitsfilmes erfolgt. Gleichzeitig jedoch wird durch geeignete Maßnahmen die Flüssigkeit so stark aufgeheizt, daß sie verdampft, so daß der größere Teil des tragenden Filmes durch Dampf gebildet wird. Hierdurch werden die durch Scherspannung verursachten Verlustleistungen stark herabgesetzt. Als vorteilhafte Maßnahme hat sich die Verwendung schlecht wärmeleitender Materialien für die Oberflächen-Schicht der Polringe oder auch eine induktive Aufheizung einer im Magnetspalt angeordneten Trennwand erwiesen.

Sollen fließbare Stoffe von geringer kinematischer Zähigkeit zur Bildung des tragenden Filmes herangezogen werden, so führt dies zu sehr kleinen Lagerspalten. Der kleinste geometrisch erreichbare Lagerspalt ergibt sich aus der Summe der Beträge, um die die innere Oberfläche des konkaven und die äußere Oberfläche des konvexen Polringes von der geometrischen Lagerfläche abweichen. Zur Vermeidung nur schwer herstellbarer Toleranzen sieht die Erfindung gegebenenfalls vor, eine der Polflächen durch eine dünne Schicht abzudecken und zwischen der Polfläche und dieser Schicht einen leicht verformbaren oder flüssigen Stoff einzubringen. Durch diese Maßnahmen werden punktförmige Berührungen der beiden Oberflächen vermieden und gleichzeitig wird ein annähernd konstanter Lagerspalt erreicht. Der Lagerspalt wird vorteilhaft als sphärische Fläche ausgebildet, wobei die Magnetkräfte eine Stabilisierung der geometrischen Achse des umlaufenden Polringes bewirken. An die Stelle der stabilisierenden Magnetkräfte kann jedoch auch der Formschluß bei kegeliger Ausbildung des Magnetspaltes treten. Zur Vermeidung trockener Reibung beim Anlauf sieht die Erfindung für die im Lagerspalt einander zugekehrten Oberflächen Materialien mit geringen Haftreibungsbeiwerten, wie beispielsweise Polyfluortetraäthylen, vor, jedoch kann der Lagerspalt auch durch nur während der Anlaufphase belastete Lagerbereiche auf einen Mindestwert, der trockene Reibung durch gegenseitige Berührung größerer Flächen ausschlief', gebracht werden.
Die Hauptanwendungsgebiete der Erfindung sind: a) Flüssigkeitspumpen oder Mischer.

Der Druck im Lagerspalt wird bei Verwendung nicht verunreinigter Fördermittel vorteilhaft durch Spiralrillen erzeugt. Bei Förderung schwebestoffhaltiger Flüssigkeiten wird entweder Leitungswasser oder Preßluft zum Abheben des

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umlaufenden Polringes eingesetzt. Bei leicht siedenden Flüssigkeiten wird der tragende Film vorteilhaft aus dem Dampf des Fördermittels gebildet. Bei Fördermedien höherer Viskosität wird durch geeignete Wärmeisolation der gleitenden Körper oder künstliche Aufheizung im Lagerspalt eine Verringerung der Zähigkeit des den tragenden Film bildenden Fördermittels durch Erwärmung bewirkt. In Fällen, in denen heterogene Stoffe gefördert werden, wie z. B. häufig in der Petrochemie, werden niederviskose Flüssigkeiten in den Lagerspalt gepreßt.

b) Schleuderverdichter.

Den fließbaren Stoff zur Erzeugung des Abhebens bildet hier das komprimierte Gas. Bei der Förderung von zu kondensierenden Gasen, beispielsweise in Kältekreisläufen, wird ein kleiner Teilstrom des Kondensates in den Lagerspalt eingeleitet.

c) Gyroskopische Geber.

Für gyroskopische Geber, wie Kreiselkompasse oder Flugkreisel, für Anzeige- oder Stabiiisiergeräte, wird der tragende Film durch Preßluft oder auch durch ein Gas erzeugt, dessen Druck höher ist als der Druck des im Gerätegehäuses eingeschlossenen Gases.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße magnetische Umlaufmaschine, bestehend aus einem ersten magnetischen Polring 1, der über eine hohle Welle 2 angetrieben wird und dessen über dem Umfang angeordnete magnetischen Pole 3 von abwechselnder Polarität auf einer konkaven sphärischen Fläche 4 Hegen. Die Zentren der Isodynamen dieser magnetischen Pole liegen auf einem Kegelmantel 5, dessen Spitze 6 sowohl mit dem Zentrum der konkaven sphärischen Fläche 4 des Polringes 1 als auch mit dem Zentrum der konvexen Fläche 7 des zweiten Polringes 9 mit den magnetischen Polen 8 zusammenfällt. Die Trennwand 10 befindet sich im Magnetspalt zwischen der konkaven Fläche 4 und der konvexen Fläche 7.

Auf der Lochkreisebene 11 befinden sich gleichmäßig über den Umfang verteilt kegelige Ausbuchtungen 12, deren tiefster Punkt durch eine Bohrung 13 durchbrochen ist. Diese Bohrungen 13 kommunizieren mit dem Hohlraum 14, der über eine Leitung 15 mit einem Raum verbunden ist, in dem ein höherer Druck herrscht als an der gegenüberliegenden Seite der sphärischen Trennwand 10. Durch diese Leitung 15 wird ein geeigneter fließbarer Stoff geleitet, z. B. bei Schmutzwasser-Pumpen Leitungswasser, bei Kältemittel-Kompressoren flüssiges oder gasförmiges Kältemittel, bei Schweröl-Pumpen Leichtöl und bei Gas-Kompressoren Preßgas, bei Wasserpumpen auch Preßluft. Die den Magnetspalt und die Trennwand 10 durchsetzenden magnetischen Kraftlinien 17 erzeugen Kräfte, die sich beim Betrieb in umfangsgerichtete Vektoren zerlegen lassen. Jede Verschwenkung des Polringes 9 um eine andere Achse als die Rotationsachse 18 führt zu Kräften, die eine Rückstellung des Polringes 9 in seine Ausgangslage bewirken. Da diese Kräfte nur auf einer Kugelhälfte angreifen, verbleibt eine resultierende Kraft, die zum Pol der Trennwand 10 gerichtet ist.

Fig. 2 zeigt eine Kreiselpumpe mit einem berührungslos gelagerten Polring in einem in der Achse lie-

genden Schnitt. Das magnetische Drehfeld wird durch den Polring 21 erzeugt, der aus annähernd koaxialen Blechringen, vorzugsweise einem Spiralwendel, besteht und in dessen Nuten 22 Spulen 23 eingelegt sind. Das Gehäuse 24 geht an der Ansaugseite in einen Flansch 25 über, während es auf der Pumpenseite mit der Trennwand 26 am Umfang verbunden ist. Flansch und Tennwand werden durch das Rohr 27 miteinander verbunden, durch das das Durchsatzmedium entsprechend dem Pfeil 28 strömt. Der Läufer besteht aus dem Schaufelkranz 29 und dem Polring 30 aus weichmagnetischem Material, der vorzugsweise eine Käfigwicklung 3Oe wie ein Elektromotorenanker trägt. Die Rückseite des Schaufelkranzes bildet ein Hohlkörper 31, in dem sich ein schwerer Ring 32 befindet, welcher den Läufer zum Schnittpunkt von Rotationsachse 33 und Äquatorebene 34 äquilibriert. Der gemäß dem Pfeil 28 eintretende Förderstrom tritt nach Verlassen der Beschaufelung 29 in den schaufellosen Ringbereich 35 ein, danach erfolgt die Umsetzung des Austrittsdralles in Druckerhöhung durch den Leitschaufelkranz 36, dessen Schaufeln eine Umlenkung der Laufrad-Austrittsströmung mit der Umfangskomponente 37 in eine axial in den Druckstutzen 38 eintretende drallfreie Strömung bewirken. Beim Start der Pumpe gleitet der Läufer mit der konvexen Oberfläche 39 in der konkaven Oberfläche der Trennwand 26. Durch in Fig. 3 gezeigte Rillen 44, 45 bildet sich ein tragender Flüssigkeitsfilm. Der Film ist in Abhängigkeit von diesen Rillen 44, 45 um so dicker, je höher Umfangsgeschwindigkeit und Viskosität sind, während sich die Schichtdicke umgekehrt zum magnetisch und hydraulisch verursachten Axialschub einstellt. Es bildet sich also in Abhängigkeit vom Betriebspunkt ein Kräftegleichgewicht, welches zu einem stabilen, berührungslosen Lauf des Laufrades führt. Die Schaufeln 36 sind durch eine hohlkalottenförmige Wand 19 miteinander verbunden. Diese Wand bewirkt, daß der Läufer 29, 30, 32 nach Abschaltungdeselektrischen Stromes in seiner Lage verbleibt. Die Massenverteilung der Massen, insbesondere 30 und 32, ist so gewählt, daß das Integral aus Massenverteilung mal dem Quadrat des Durchmessers für in Rotationsebene liegende Durchmesser größer ist als für auf anderen Ebenen liegende Durchmesser. Hierdurch wird bewirkt, daß der Läufer aufgrund seiner gyroskopischen Kräfte in der magnetisch und strömungsmechanisch vorgeschriebenen Lage stabil bleibt, nachdem der Strom abgeschaltet ist.

Fig. 3 zeigt schematisiert die Trennkalotte 26 der Fig. 2, auf der eine Kunststoffolie 40 aus einem Werkstoff mit geringem Haftreibungsbeiwert aufgelegt ist, die längs der Peripherie 41 und längs des Spannringes 42 flüssigkeitsdicht eingespannt ist. Zwischen der Wandung 26 und der Folie 40 befindet sich eine dünne Flüssigkeitsschicht 43, die bewirkt, daß die spezifische Anpreßkraft pro Flächeneinheit der Folie 40 zum Polring 30 überall gleich ist. Zum Aufbau einer hydrodynamischen Tragschicht sind Rillen 44 und 45 in der Folie 40 vorgesehen, durch welche sich im mittleren Bereich 47 ein Druck aufbaut, der zum Abheben des Läufers führt

Fig. 4 zeigt eine Ausbildung des Erfindungsgegenstandes, bei dem die Polfläche des umlaufenden Polringes 50 konkav und die Polfläche des stationären Polringes 51 zum Luftspalt 52 hin konvex ausgebildet sind. Auch hier besitzt das Magneteisen 53 des Läufers eine Käfigwicklung 54 mit umlaufenden Kurzschlußringen 55 aus elektrisch gut leitendem Material. Oberhalb des Magneteisens 53 befinden sich die Schaufeln 56. Der Stator 51 ist durch ein Spiralwendel aus magnetisch weichem Eisenblech, dessen Windungen 57 außerdem axial zueinander verschoben sind, gebildet. Die Spulen 58 liegen auf Kegelmänteln und sind durch das Gehäuse 59, welches gleichzeitig die

ίο unmagnetische Wandung im Luftspalt 52 bildet, vom Pumpenraum 60 getrennt. Die Ansaugung erfolgt gemäß Pfeil 61 durch das Eintrittsrohr 61a. Das Spiralgehäuse 62 endet im Austrittsstutzen 63.

Fig. 5 zeigt die Anwendung der erfindungsgemä-

Ben Maßnahmen auf eine Kupplung. Der Luftspalt zwischen dem Läufer 65 und einem umlaufenden Außenmagneten 66 wird durch eine um die Rotationsachse 67 rotierend gedachte Gerade 68 erzeugt. Der Magnetspalt bildet damit den Mantel eines Kegel-

stumpfes. Der umlaufende Permanentmagnet 66 wird durch den Motor 69 angetrieben. Das Motorgehäuse 70 ist mit der unmagnetischen Trennwand 71 dichtend verbunden, so daß weder Flüssigkeit noch Gas in das Motorinnere eindringen kann. Auf der Oberfläche des

Läufers 65, der von rechts gesehen gegen den Uhrzeigersinn rotiert, befinden sich Rillen 72, die wiederum zur Erzeugung eines Überdruckes im Raum 63 dienen und damit die gleichen Funktionen haben, wie die beschriebenen Rillen 44 und 45 (Fig. 3). Der Läufer 65 treibt über eine Achse 75 ein Pumpenlaufrade 76 an, welches gemäß dem Pfeil 77 ansaugt und in einem konzentrischen Pumpengehäuse 78 einen Druck aufbaut.

Der Abdeckring 80 verhindert das Eindringen von

Sand in den Raum 81, der mit dem Spalt 68 kommuniziert. Das Rückschlagventil 82 verhindert das Zurückströmen der Wassersäule bei unterhalb des Systems angeordneter Pumpe, z. B. in Brunnen.

Fig. 6 zeigt eine weitere Abwandlung der Erfindung als Flüssigkeitspumpe für hohe Fördermengen bei kleinen Drücken. Der Polring 85 mit den Leitern 86, dem Kurzschlußstück 87 und der Kurzschlußplatte 88 trägt eine Beschaufelung 89, die von einem Abdeckring 90 begrenzt ist. Das Drehfeld wird durch den stationären Polring 21 und die Spulen 23 erzeugt. Die Trennwand 91 weist eine Rille 92 auf, in der Kugeln 93 aus ferromagnetischem Material liegen. Durch einen Ringmagneten 94 liegen die Kugeln an der Trennwand 91 an. Im Kurzschlußstück 87 befindet so sich ebenfalls eine Rille 95. Beim Einschalten bewirkt

UCI lViagllClVCIVlUl iU, UHU UIt- nugVIli *^ um *··,■! linien 92 und 95 ein Axialkugellager bilden. Sobald die Förderung eingesetzt hat, überwiegt der vom hydraulischen Rotorschub resultierende Vektor 96 gegenüber dem Vektor 16, so daß nunmehr die sphärische Außenfläche des Abdeckringes 90 in der sphärischen Innenfläche 97 des ansaugseitigen Gehäuseteiles 98 gelagert ist. Durch Rillen 34 und 35 wird ein hydrodynamisch tragender HIm aufgebaut. Wenn infolge Ver-

änderung der Drosselzahl der Vektor 96 kleiner wird als der Vektor 16, wirkt der konkave Bereich 99 mit der Oberfläche des Polringes 85 zusammen, so daß die Kugeln 93 nur während der Hochlaufphase die Unterstützung übernehmen. Die Rille 95 hat eine sol-

ehe Breite, daß der Rotor Verschwenkungen in einem gewünschten Maße ausführen kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Motorangetriebene magnetische Umlauf maschine, deren Motorstator außerhalb und der Rotor innerhalb des Pumpenraumes und der Förderflüssigkeit angeordnet ist, und bei welcher der Magnetfluß einen in einer sphärischen Fläche liegenden Magnetspalt durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der luftspaltseitigen Läuferoberfläche Spiralrillen angeordnet sind, die zu einer Erhöhung des Flüssigkeitsdrucks im Luftspalt in der Weise führen, daß die Förderflüssigkeit der Pumpe bei Betrieb in diesen Spalt hineingepreßt wird, und der magnetische Spalt gleichzeitig Lagerspalt wird.

2. Motorangetriebene magnetische Umlaufmaschine, deren Motorstator außerhalb und der Rotor innerhalb des Pumpenraumes und der Förderflüssigkeit angeordnet ist, und bei welcher der Magnetfluß einen in einer sphärischen Fläche liegenden Magnetspalt durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Erhöhung des Druckes im Luftspalt außerhalb der Pumpe vorgesehene druckerzeugende Einrichtungen, z. B. Kompressoren für flüssiges oder gasförmiges Kältemittel, Gaskompressoren, Wasserpumpen oder Preßluftkompressoren, vorgesehen sind, die beim Betrieb der Pumpe in diesen Spalt hereingepreßt werden und der magnetische Spalt gleichzeitig Lagerspalt wird.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abstützdemente (92) vorgesehen sind, die eine Berührung des Rotors (85) und der den Stator begrenzenden Wandung (91) beim Anlauf und Auslauf verhindern.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus in einer Rille (92) liegenden ferromagnetische!! Kugel (95) besteht, die durch einen Permanentmagneten (94) an den Stator gezogen wird.

5. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der statorabgewandten Seite des Rotors (31) eine Vorrichtung (46, 47) angeordnet ist, die einen axialen Formschluß bildet.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung der Berührung der den axialen Formschluß bildenden Elemente (46 und 47) Spiralrillen vorgesehen sind, die das Fördermedium zu einer Druckbildung veranlassen.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Spalt auf einer sphärischen Fläche verläuft.

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