DE2624058A1

DE2624058A1 - Permanentmagnetpumpe

Info

Publication number: DE2624058A1
Application number: DE19762624058
Authority: DE
Inventors: Manfred Knorr
Original assignee: FRANZ KLAUS UNION
Current assignee: Franz Klaus Union Armaturen Pumpen GmbH and Co
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1977-12-08
Also published as: US4115040A; JPS5320105A; IT1086190B; DE2624058C2; FR2353165B1; FR2353165A1; GB1579646A

Description

Permanentmagnetpumpe

Die Erfindung betrifft eine Permanentmagnetpumpe, insbesondere aus Kunststoff, bei der das Laufrad und der mit diesem drehfest verbundene Innenläufer einer Permanentmagnet-Antriebskupplung, auf den ein Antriebsdrehmoment von wenigstens 10 Nm von einem den Innonläufer unter Belassung eines Luftspalts axial oder radial gegenüberliegenden, von einem Motor angetriebenen Außenläufer synchron übertragen wird, in einem gemeinsamen, nach außen mit einer durch den Luftspalt reichenden Trennwand aus nichtmagnetisierbarem Werkstoff abgedichteten Raum untergebracht und gelagert sind und der Innen- und Außenläufer je mit einem geschlossenen Kranz aus einer gleichen geraden Anzahl von Permanentmagneten wechselnder Polarität besetzt ist und bezieht sich auf die Aiibildung der Antriebskupplung bzw . des permanentmagnetischen Antriebs.

Bei den bekannten, insbesondere in der chemischen Industrie eingesetzten Kreiselpumpen sind immer wieder Lager-und Dichtheitsprobleme sowie Korrosionsprobleme aufgetreten, die den Einsatz der Pumpen zu einem mehr oder minder großen Unsicherheitsfaktor werden lassen konnten, insbesondere, wenn giftige oder sehr wertvolle Medien zu pumpen waren. Man nahm daher inkauf, daß sowohl die Lager als auch die Dichtelemente einer ständigen Überwachung bedurften. Diese Feststellung trifft sowohl für Pumpen mit Stopfbüchsen oder Gleitring-

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dichtungen als auch für die seit einigen Jahren verwendeten stopfbüchslosen Chemiekreiselpumpen, insbesondere die Spaltrohrpumpen, zu.

Seitdem vom Gesetzgeber immer größerer Schute vor Immission, insbesondere beim Pumpen von giftigen Stoffen, gefordert wird, bestehen erhöhte Schwierigkeiten bei konventionellen Abdichtungen von Kreiselpumpen, u.a. in der chemischen Industrie. Um Herr des Korrosionsproblems zu werden, versucht man neuerdings von der Verwendung korrosionsfester teurer metallischer Werkstoffe möglichst abzugehen und die Pumpen vollständig aus Kunststoffen zu fertigen. Dies bedingt weitere konstruktive Probleme, da Chemiekreiselpumpen vielfach Antriebsleistungen von ca. 5 kW und mehr, teilweise bis 100 kW und darüber aufweisen. Kleinstpumpen, wie sie beispielsweise in Wasch- und Spülmaschinen eingesetzt sind, haben nur Antriebsleistungen von ca. 0,1 bis 0,5 kW.Diese ließen sich daher ohne weiteres vollständig aus Kunststoff mit eingelegten Perirtamentmagneten oder Magnetringen oder -scheiben fertigen.

Die stopfbüchslosen ChemiekreisLpumpen zeichnen sich in Besonderheit dadurch aus, daß die Axial- und Radiallagerungen durch den Förderstrom geschmiert werden.

Bei den stopfbüchslosen Kreiselpumpen kann man zwei Bauarten unterscheiden:

1. Leistungsübertragung durch elektrisch induziertes Feld;

2. Leistungsübertragung mittels Permanentmagneten.

Während sich bei Spaltrohrpumpen mit im Luftspalt liegendem Spalttopf im ersten Fall das Spaltrohr gegen den Motorstator abstützt und der Innenläufer im Mediumbereich gelagert ist, verweilet man bei dem Permanentmagnetantrieb meist einen Spalttopf, in dem die radiale sowie axiale Lagerung wenigstens teilweise untergebracht ist. Die Luftspalte sind in beiden Fällen zylindrisch. Im FaI-3 des Permanentmagnetantriebs liegt der permanentmagnetische Treiber (Außenläufer) in der Atmosphäre und wird durch genormte Elektromotoren angetrieben. Im Falle des Antriebes durch ein induziertes Feld muß ein Spezialmotor Verwendung finden. Daher sind Pumpen mit Permanentmagnetantrieb bedeutungsvol 1. 7 0 9 8 U 9 / 0 U 1 6

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Bei permamentmagnetisch angetriebenen Pumpen kann der Luftspalt zwischen dem Innen- und dem Außenläufer aber grundsätzlich zur Antriebswelle koaxial zylindrisch oder radial eben sein. Auch andere Formen sind schon vorgeschlagen worden. Diese grundsätzlichen Bauarten können für vertikale oder horizontale Anordnung der Pumpenwelle vorgesehen sein. In beiden Fällen müßen Innenläufer und Welle von Lagern geführt und getragen werden.

Die Erfindung betrifft nur eine Permanentmagnetpumpe der erläuterten Art, wie sie insbesondere aus Kunststoff gefertigt werden. Die Antriebsleistung soll aber sehr hoch sein können.

Bei den bekannten permanentmagnetischen Antriebskupplungen für Permanentmagnetpumpen haben der Innen- und der Außenläufer einen einzigen Permanentmagnetring oder einzelne stabförmige Magnete, wobei zur Ausbildung eines magnetischen Kreises Rückschlußkörper und Polschuhe aus Weicheisen vorgesehen sind. Bei anderen Antriebskupplungen mit Dauermagneten wird dieses Konstruktionsprinzip vermieden und die Rückschlußkörper durch U-förmige Magnete ersetzt. Es können auch U-Magnete vorgesehen sein, die aus rückseitig durch Rückschlußkörper verbundene Permanentmangetkörper entgegengesetzter Polarität bestehen. Bei einer anderen Dauermagnetkupplung sind die treibende und die getriebene Kupplungshälfte koaxial zueinander oder axial nebeneinander angeordnet, wobei mindestens eine Kupplungshälfte auf ihrem Umfang Stabmagnete trägt, die so angeordnet sind, daß jeweils gleichnamige Pole einander benachbart sind und zwischen ihnen ein als Polschuh wirkender ferromagnetischer Körper liegt. Die andere Kupplungshälfte kann gleichgestaltet sein oderjaus einer Scheibe aus normalem ferromagnetischem Werkstoff bestehen, auf der eine weitere Scheibe aus elektrisch leitendem Material befestigt ist. Nachteilig bei diesen bekannten Ausführungsformen der Pumpenantriebe ist der Umstand, daß zum Vermeiden eines tiefliegenden Arbeitspunktes auf der Entmagnetisierungskurve des jeweils gewählten Magnetwerk-

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Stoffes die Magnetlänge h, das ist die Erstreckung in Richtung der Vorzugsmagnetisierung, ein Vielfaches der Magnetbreite b sein muß. Dies führt zu sehr großen Magnetdimensionen und Systemdurchmessern, sofern hohe Drehmomente oder Antriebsleistungen übertragen werden sollen. Ein stabiler Wert des Drehmomentes stellt sich erst nach mehrmaligem Verdrehen der beiden Kupplungshälften bzw. des Innen- und des Außenläufers gegeneinander ein.

Der Antrieb von mit solchen permanentmagnetischen Antriebskupplungen versehenen Permamentmagnetpumpen ist nicht nur sehr voluminös und schwer sondern auch sehr teuer. Dadurch sind die bekannten Ausführungsformen der Permanentmagnetkupplungen der Pumpen in ihrem übertragbaren Drehmoment auf etwa 100 Nm begrenzt.

Die großen Gewichte der bekannten Antriebe führen insbesondere bei hohen Drehzahlen auch zu sehr hohen Fliehkräften, die sich wegen unvermeidbarer Unwuchten besonders auf die notwendige Lagerung sehr nachteilig auswirken.

Antriebskupplungen der beschriebenen Art werden auch als überlastsicherung zum Schutz empfindlicher Maschinen und zum Antrieb von Rührerr?^eiggresiven Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt. Immer wird die Übertragung d?r hohen Antriebsdrehmomente bei möglichst kleinem Systemdurchmesser gefordert.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, den Antrieb der eingangs genannten Permanentmagnetpumpe dahingehend fortzuentwickeln, daß die Übertragung eines großen synchronen Drehmoments auch bei hohen Drehzahlen und relativ kleinem Systemdurchmesser sewle bei verhältnismäßig dickem Luftspalt von einigen Millimetern betriebssicher möglich ist.

Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Pei lanentmagnetpumpe dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die jeweils eine zusammengesetzt! Magnetscheibe oder einen zusammengesetzten Magnetzylinder bildenden

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Permanentmagnete des Magnetkranzes ohne Abstand aneinandergelegte, in Richtung der Dickenerstreckung des Luftspältes magnetisierte dünne Magnetplättchen aus einer Legierung von Kobalt mit Seltenen Erden enthaltendem Magnetwerkstoff sind, die in einem nichtmagnetisierbaren metallischen Werkstoff oder in einem Kunststoff eingebettet sind, deren sich in Richtung der Dicke ζ des Luftspaltes erstreckende Magnetlänge h etwas größer ist als die Dicke ζ des Luftspaltes und deren sich in Richtung des zu übertragenden Drehmoments (Drehrichtung) erstreckende Magnetbreite b wesentlich größer als die Magnetlänge h ist. Vorzugsweise ist die sich normal zur Magnetlänge h und Magnetbreite b erstreckende Magnethöhe a ein Mehrfaches der Magnetlänge h. Nimmt man die Magnetlänge h mit 1 an, so beträgt die Dicke des Luftspaltes etwa (0,8 bis 0,9)· h, während die Magnetbreite b etwa 3 » h und die Magnethöhe a etwa 9 * h betragen kann. In Richtung der Magnethöhe a können auch mehrere Magnetplättchen ohne Abstand aneinanderstoßend vorgesehen sein.

Die Trennwand, die die Form eines Rohrs bei einer permanentmagnetangetriebenen Pumpe oder die Form eines radial ebenen Bodens haben kann, soll bevorzugt einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand haben oder aus Kunststoff gefertigt sein. Bei der Ausführung mit nxchtmagnetisxerbarer metallischer Trennwand werden daher während des Betriebslaufes und beim zeitweiligen Außertrittfallen von Außenläufer und Innenläufer nur sehr geringe Wirbelströme induziert und daher eine Erwärmung weitestgehend vermieden. Bei der Ausführung der Trennwand aus Kunststoff werden keine Wirbelströme induziert und folg lieh tritt auch keine Erwärmung ein. Zur Leistungsanpassung haben sich Polzahlen von 36, 24, 12 oder 6 als besonders günstig erwiesen. Derartige Polzahlen sind an sich bekannt.

Die Magnetplättchen, deren Dicke (Magnetlänge) etwa 4 mm beträgt, wenn der bei einer bestimmten Pumpengröße vorgesfcnene Luftspalt nur knapp 4 mm dick ist, können für Pumpen mit permanentmagnetischem Antrieb in Richtung der Magnetbreite, also in Drehrichtung, gekrümmt mit einer dem Radius, auf dem sie angeordnet sina, entsprechenden Krümmung ausgebildet sein, müssen dies aber, insbesondere bei größere Durchmessern^ nicht. Wegen ihrer vergleichsweise geringen Abmessungen können sie auch als völlig ebene Plättchen ausgeführt sein, da das Vieleck, das sie bilden, in etwa einem zylindrischen Magnetkörper entspricht. 709849/041 P

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Mit der erfindungsgemäßen Pumpe lassen sich Antriebsdrehmomente von 10 Nm bis über 600 Nm verwirklichen, so daß die Pumpe eine erhebliche Leistung zu verarbeiten imstande ist. Es lassen sich daher Pumpen für einen Arbeitsdruck von 300 bis 500 bar, wie sie in einigen Hochdrucksynthesen der chemischen Industrie eingesetzt werden, aufbauen. Die aneinandergelegten vielen dünnen Magnetplättchen, aus denen sich die Magnetringe (Magnetscheibe oder Magnetzylinder) bilden, sind zweckmäßigerweise in einer Scheibe oder einer Trommel aus Kunststoff oder Leichtmetall eingebettet.

Auf den einanderzugekehrten Mantelflächen des zylindrischen Luftspalts oder auf den Stirnflächen des Innen- und des Außenläufers prägen sich nebeneinander Magnetpole wechselnder Polarität aus.

Bei der erfindungsgemäßen Permanehtmagnetpumpe lassen sich synchrone Drehmomente von über 600 Nm auch bei sehr hohen Drehzahlen durch die gewählte Ausbildung der Magnete und die bevorzugte Leichtbauweise übertragen. Der stabile Wert des Drehmoments ändert sich auch bei mehrmaligem Verdrehen der beiden Kupplungshälften gegeneinander nicht.

Ein für die Magnetplättchen gut geeigneter Werkstoff besteht aus den Legierungen des Kobalts mit Seltenen Erden. Dieser Magnetwerkstoff erfüllt die für Dauermagnete in magnetischen Kupplungen erforderlichen hohen magnetischen Eigenschaften, wie sehr hohe Anisotropiefeldstärke und gute magnetische Stabilität.

Durch die Erfindung ist ein gedrungener und leichter Aufbau der Antriebskupplung möglich, was zur · Folge hat, daß die bei unvermeidbaren ünwuchten auftretenden Fliehkräfte auch bei hohen Drehzahlen nur zu einer vergleichsweise niedrigen Belastung der Pumpenlager führen.

Die Erfindung ist an zv/ei Aus führung sbei spielen anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

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Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch zwei zylindrische Magnetringe (Magnetzylinder) der permanentmagnetischen Synchron-Antriebskupplung einer Permanentmagnetpumpe,

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Magnetringe gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch die permanentmagnetische Antriebskupplung einer stofpbüchslosen Kreiselpumpe, und

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine Antriebskupplung mit radialen Arbeitsflächen einer stopfbüchslosen Kreiselpumpe.

Aus den Fig. 1 und 2 entnimmt man den Aufbau eines zusammengesetzten Magnetzylinders 1 eines Außenläufers und eines dazu koaxialen zusammengesetzten Magnetzylinders 2 eines Innenläufers einer Permanen tmagnetpumpe, wobei der Spalttopf nicht eingezeichnet ist. Es ist auf jedem Magnetzylinder ein Kranz mit einer geraden Anzahl dünner Permanentmagnetplättchen wechselnder Polarität, die radial magnetisiert sind, vorgesehen. Durch den Einsatz von Magnetwerkstoff von. Legierungen des Kobalts mit Seltenen Erden ist eine Optimierung der Magnetabmessungen erforderlich und möglich. Die Magnetplättchen 3 und 3' bilden einen Nord-Magnetpol und die ohne Abstand angrenzenden Magnetplättchen 4 und 4' jeweils einen Süd-Magnetpol. Die Magnetplättchen 3 und 4 des Außenläufers sind ohne Abstand aneinanderliegend in eine Trommel 5 und die Magnetplättchen 3' und 4 * des Innenläufers sind in eine Trommel 6 ohne Abstand aneinanderstoßend eingebettet, wobei die Trommeln aus Kunststoff oder Leichtmetall bestehen können.

Zwischen den Magnet zylindern 1 und 2 ist ein Luf+-spalt 20 der Dicke ζ belassen, in dem sich ein zylindrisches Spaltrohr ·) 2 / siöie Fig. 3, befindet. Die Magnetbreite b, die sich in Drehrichtung erstreckt, siehe Fig. 2, ist wesentlich breiter als die Macrietlänge h, die sich radial bzw. in Richtung der Dickenerstreckung des Luftspalts 2 0

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erstreckt. Dadurch wira auf vorteilhafte Weise möglich, ausreichend große Dauermagnetmaterialmengen in den Magnetringen bzw.-Zylindern unterzubringen und dabei gleichzeitig das Zwanzigfache des Gewichts

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einzusparen. Die Magnetlänge h ist etwas größer als die Dicke ζ des Luftspalts 20 gewählt.

In Fig. 2 ist in einem Teilausschnitt der Aufbau der Magnetringe 1 und 2 verdeu-tlicht. Die Magnetplättchen 3 und 4' sowie 4 und 3^f der Magnetringe 1 und 2 ziehen sich gegenseitig an , so daß beim Verdrehen des Außenläufers gegenüber dem Innenläufer ein Drehmoment übertragen wird, das zunächst ansteigt, ein Maximum durchläuft und wieder abfällt. Das übertragbare Drehmoment wird bestärkt durch den Einfluß der abstoßenden Wirkung der Magnete 3 und 3' sowie der Magnete 4 und 4'.

Fig. 3 entnimmt man den bekannten Aufbau der Antriebskupplung einer Permamentmagnet-Spaltrohrpumpe mit einem Innenläufer 8, der auf seinem Außenumfang einen zylindrischen Magnetring 2 trägt, Der Innenläufer 8 ist mit einem nicht dargestellten ein- oder mehrstufigen Pumpenlaufrad über eine Pumpenwelle 10 drehfest verbunden. Innenläufer und Pumpenlaufrad sind in einem nach außen durch einen Spaltrohrtopf 11 hermetisch abgeschlossenen Raum untergebracht. Dieser ragt mit seinem zylindrischen Rohr 12 in den Luftspalt zwischen dem Innenläufer 8 und einem auf einer Antriebswelle 9 sitzenden Au-ßenläufer 7 mit dem zylindrischen Magnetring 1 und ist zwischen den einander zugekehrten radialen Flächen des Innen- und des Außenläufers mit einem Spalttopfboden 13 abgeschlossen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 der permanentmagnetischen Antriebskupplung schließen die ebenen Magnetscheiben 1' und 2' einen ebenen radialen Luftspalt zwischen sich ein, in den sich eine ebene Trennwand 12' aus nxchtmagnetisxerbarem metallischem Werkstoff oder vorzugsweise Kunststoff eines Spalttopfs 11' erstreckt.

Außenläufer 7' und Innenläufer 8¹ haben eine im t'esentlichen scheibenförmige Gestalt.

709849/0416 Ansprüche

Leerseite

Claims

An Sprüche

1. \ Permanentmagnetpumpe, insbesondere aus Kunststoff, bei

das Pumpenlaufrad und der mit diesem drehfest verbundene Innenläufer einer Permanentmagnetantriebskupplung, auf den ein Antriebsdrehmoment von wenigstens 10 Nm von einem den Innenläufer unter Belassung eines Luftspalts axial oder radial gegenüberliegenden, von einem Motor angetriebenen Außenläufer synchron übertragen wird, in einem gemeinsamen, nach außen mit einer durch den Luftspalt reichenden Trennwand aus nichtmagnetisierbarem Werkstoff abgedichteten Raum untergebracht und gelagert sind, und der Innen- und der Außenläufer je mit einem geschlossenen Kranz aus einer gleichen geraden Anzahl von Permanentmagneten wechselnder Polarität besetzt ist, dadurch gekennzeichnet , daß die jeweils eine zusammengesetzte Magnetscheibe oder einen zusammengesetzten Magnetzylinder (1, 2) bildenden Permamentmagnete ohne Abstand aneinandergelegte, in Richtung der DickenerStreckung des Luftspalts (20) magnetisierte, dünne Magnetplättchen (3, 3¹, 4, 4') aus einem Legierungen von Kobalt und Seltenen Erden enthaltenden Magnetwerkstoff sind, die in einem nicht-magnetisierbaren metallischen Werkstoff oder in einem Kunststoff eingebetttet sind, deren sich in Richtung der Dicke ζ des Luftspalts erstreckende Magnet-Länge h etwas größer ist ^^is die Dicke ζ des Luftspalts und deren sich in Richtung des zu übertragenden Drehmoments (Drehrichtung) erstreckende Magnetbreite b wesentlich größer als die Magnetlänge h ist.

2. Permanentmagnetpumpe nach Anspruch 1, dad rch g e k e η η zeichne t,daß die sich normal zur Magnet Länge h und Magnetbreite b erstreckte Magnethöhe a ein Mehrfaches der Magnetlänge h ist.

3. Permanentmagnetpumpe nach Anspruch 2, dadurch g e k e nn zeichnet, daß in Richtung der Magnethöhe a mehrerer Magnetplättchen (3, 3¹, 4, 4^f) aneinanderstoßend vorgesehen sind.

4. Permanentmagnetpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Trennwand ( 12, 12') einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand hat.

5. Permanentmagnetpumpe nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Trennwand (12, 12') aus Kunststoff gefertigt ist.

6. Permanentmagnetpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 36, 24, 12 oder 6 Polpaare vorgesehen sind.

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