DE3702405A1 - Vorrichtung zum abdichten von rotierenden bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abdichten gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Vorrichtungen zum Abdichten von rotierenden Bauteilen, deren Dichtspalt mit Ferrofluid befüllt ist, sind bekannt.

In der DE-C-31 45 460 ist eine solche Dichtung beschrieben. Darin wird aber von einer Anordnung ausgegangen, bei der die Welle sich dreht und die Dichtung stillsteht. Bei dieser An­ ordnung ist es ausreichend, wenn die Innenbohrungen der beid­ seitig des Ringmagneten befestigten Polscheiben gestanzt sind. Dabei entstehen Riefen in axialer Richtung.

Bei der Anwendung der bekannten Ferrofluiddichtungen in Anord­ nungen mit stehender Welle und rotierender Dichtung hat sich herausgestellt, daß sogenannte "Ferroleaker" auftreten, d. h. daß Ferrofluid aus der Dichtung austritt und durch die Flieh­ kraft der rotierenden Dichtung nach außen geschleudert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ferrofluiddichtung für stehende Wellen zu schaffen, die ein Austreten und Abschleudern von Ferrofluid weitgehend bzw. ganz ausschließt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruches 1 gelöst.

Die axialen Riefen der bekannten Polscheiben enden an den Außen­ stirnseiten schaufelartig und schleudern bei einer Drehung ab ei­ ner bestimmten Drehzahl das Ferrofluid nach außen. Durch radiale Feinbearbeitungsverfahren wie Feindrehen, Honen oder Schleifen entstehen zwar auch Bearbeitungsriefen, aber in radialer Art. Diese hemmen das axiale Wandern des Ferrofluids. An der scharfen Außenkante reißt schließlich der Ferrofluid-Film ab. Schließlich trägt eine sehr genaue Dosierung der Menge des Ferrofluids im Dichtspalt zur Verhinderung des Austretens von Ferrofluid bei.

Bei beidseitigem Befüllen der Dichtspalte ist für Anwendungs­ fälle, für die ein erhöhter Berstdruck erforderlich ist, not­ wendig, ist aber mit höherem Montageaufwand verbunden.

Ein vorteilhaftes Herstellverfahren zur Endbearbeitung der Innenbohrung der Polscheiben ist das Honen, wodurch eine be­ sonders glatte Oberfläche erreicht wird.

Da der ringförmige Permanentmagnet mit den daran befestigten Polscheiben rotiert, muß auch dieser glatte Oberflächen aufwei­ sen und maßhaltig sein. Die Herstellung des Permanentmagneten im Spritzverfahren aus einem kunststoffgebundenen gummiartigen Magnetmaterial ermöglicht eine kostengünstige Erfüllung der An­ forderungen.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Halbschnitt durch eine Dichtung gemäß der Erfin­ dung im eingebauten Zustand,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Dichtung.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Dichtung 1, die um eine stehende Welle 2 rotiert. Die Dichtung 1 ist beispielsweise in einem Rotor 3 eines Elektromotors eingebaut, dessen Außendurchmesser als An­ triebsnabe einer oder mehrerer Speicherplatten ausgebildet ist.

Die Dichtung 1 dient zum Abdichten axial getrennter Räume, d. h. einem Innenraum Ri und einem Außenraum Ra. Die Dichtung 1 be­ steht aus einem Permanentmagnetring 4, der in axialer Richtung magnetisiert ist, einer ersten Polscheibe 5 und einer zweiten Polscheibe 6 aus magnetisierbarem Stahl. Die Polscheiben 5, 6 umgeben mit ihren Innenbohrungen 15, 16 in einem Abstand von 0,15 bis 0,25 mm die Welle 2 bei einem Wellendurchmesser von 15 bis 20 mm. So entsteht ein ersten Dichtspalt 7 und ein zwei­ ter Dichtspalt 8. Bei rotierenden Wellen werden die Innenboh­ rungen der Polscheiben gestanzt. Der rotierende Teil (die Welle) weist in der Regel eine fein bearbeitete Oberfläche auf, die ein Austreten des Ferrofluids aus den Dichtspalten verhindert. Bei rotierenden Dichtungen führen axial bearbeitete Oberflächen der Innenbohrungen 15, 16 zu sogenannten "Ferroleakern", d. h. die axialen Riefen, der Stanzbruch und die Stanzradien fördern die Dichtflüssigkeit (Ferrofluid) regelrecht aus den Dichtspalten 7, 8 heraus. Durch die Rotation der Polscheiben 5, 6 wird schließ­ lich das Ferrofluid radial nach außen gefördert. Eine aus­ reichend gute Oberflächenqualität mit einem Mittenrauhwert Ra= 0,8 der Innenbohrungen 15, 16 wird beispielsweise durch folgende Arbeitsgänge erreicht:

• a) Feinstanzen der Polscheibe,
• b) Repasieren der Innenbohrung,
• c) Scheuern bzw. Trommelentgraten der Polscheibe,
• d) Honen der Innenbohrung.

Der Arbeitsgang d) kann auch durch andere Feinbearbeitungsverfah­ ren wie beispielsweise Feindrehen oder Feinschleifen ersetzt wer­ den. Wichtig ist, daß die letzte Oberflächenbearbeitung mit ro­ tierender Spanabhebung ausgeführt ist. An den äußeren Bohrungs­ kanten 17, 18 darf kein rauher Grat entstehen, d. h. die Kanten sind mit einer sehr kleinen Facette zu versehen im Bereich von 0,1 mm.

Da der Permanentmagnetring 4 an seinen Stirnseiten fest mit den Polscheiben 5, 6 verbunden ist und damit auch rotiert, sind auch an die Innenbohrung desselben höhere Oberflächenqualitäts­ anforderungen zu stellen. Um eine saubere, maßhaltige und eng­ tolerierte Bohrung zu erhalten, muß der Permanentmagnetring 4 aus einem kunststoffgebundenen Magnetmatierial gespritzt werden. Eine engtolerierte Bohrung ist für den Montagevorgang, insbe­ sondere für das anschließende 2polige Befüllen, erforderlich. Um besonders hohem Berstdruck standhalten zu können, muß die Dichtung in beiden Dichtspalten 7, 8 befüllt werden. Nachfol­ gend wird die Montage einer solchen 2polig-befüllten, rotie­ renden Ferrofluiddichtung beschrieben.

Die erste Polscheibe 5 wird am Außendurchmesser in einer Monta­ gevorrichtung fixiert, während auf dem Permanentmagnetring 4 mittels einer Dosiervorrichtung ringförmig ein Kleber aufgetra­ gen wird. Der Permanentmagnetring 4 wird auf eine für diesen Vorgang konstruierte Zentriervorrichtung aufgesteckt (in der Bohrung zentriert). An der Zentriervorrichtung ist ein Ansatz für die exakte Zentrierung zur ersten Polscheibe 5 angebracht. Die Verklebung des Permanentmagnetringes 4 mit der ersten Pol­ scheibe 5 auf der Zentriervorrichtung erfolgt durch Zusammen­ fügen unter gleichzeitiger, leichter Drehbewegung der Zentrier­ vorrichtung. Durch die beschriebenen Vorgänge wird eine sichere und gleichmäßige Verklebung der Polscheibe 5 mit dem Permanent­ magnetring 4 unter Berücksichtigung der radial geforderten Schlagtoleranzen erreicht. Nachdem die Polscheibe 5 und der Permanentmagnetring 4 wie oben beschrieben verklebt wurden, er­ folgt die Montage dieser beiden miteinander durch Klebung verbundenen Teile 4 und 5 in dem Rotor 3. Es ist darauf zu achten, daß dieses Komplett-Teil zentrisch zur stehenden Welle 2 mit einer Zentrierhilfe (wie beim Verkleben der Einzelteile 4 und 5) in den Rotor 3 eingeklebt wird. Mit einer Dosiervor­ richtung wird anschließend der erste Dichtspalt 7 im statischen Zustand (d. h. Welle und Dichtung stehen) befüllt. Die zweite Polscheibe 6 wird zentrisch mit einer Fügehilfe auf den Perma­ nentmagnetring 4 in der Weise wie die erste Polscheibe 5 aufge­ klebt. Es ist darauf zu achten, daß die Polscheiben seiten­ richtig eingesetzt werden, d. h. durch den Stanz- und Re­ passiervorgang bei der Herstellung der Polscheiben ist eine runde und eine scharfe Kante unumgänglich. Die Polscheiben müssen so eingesetzt werden, insbesondere die Polscheibe 6, daß die runden Kanten 19, 20 der Bohrungen 15, 16 zum Permanentmag­ netring 4 zeigen. Dadurch ist gewährleistet, daß nach dem Be­ füllen des zweiten Dichtspaltes 8 das Ferrofluid nicht durch die Zentrifugalkraft radial abgeschleudert werden kann. Das Be­ füllen des zweiten Dichtspaltes 8 erfolgt im dynamischen Zu­ stand, d. h. die Motordrehzahl wird durch eine entsprechende Steuerung abgefragt und nach Erreichen der Nenndrehzahl wird mittels Impuls eine Dosiervorrichtung beaufschlagt, durch die der zweite Dichtspalt 8 befüllt wird. Durch die Befüllung im dynamischen Zustand (d. h. Dichtung rotiert und Welle steht) wird eine gleichmäßige Verteilung des Ferrofluids im Dichtspalt 8 erreicht. Die genaue Füllmenge des Ferrofluids ist für jeden Anwendungsfall genau zu ermitteln. Im vorliegenden Ausführungs­ beispiel wurde der erste Dichtspalt 7 mit 15 mg (+1 mg) und der zweite Dichtspalt 8 mit 13 mg (+1 mg) befüllt bei einem Durchmesser der Welle 2 von 17 mm.

Die oben beschriebene 2polig-befüllte Dichtung 1 ist für be­ sonders hohen Berstdruck geeignet.

Für viele Anwendungsfälle genügt es, die Dichtung nur 1polig mit Ferrofluid zu befüllen. Eine solche Dichtung erfordert we­ niger Montageaufwand, da beispielsweise nur die zweite Pol­ scheibe 6 zentrisch zur Welle 2 ausgerichtet werden muß. Und befüllt wird nur der zweite Dichtspalt 8. Von Vorteil ist es, die Polscheibe 6 25 bis 80% dicker zu machen als die Pol­ scheibe 5. Der Permanentmagnetring 4 und die Polscheibe 5 kön­ nen in diesem Fall durch Stanzen hergestellt werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Abdichten axial getrennter Räume (Innen­ raum Ri eines Gerätes; Außenraum Ra) um stehende Wellen mit:

• - einem rotierenden ringförmigen Permanentmagneten,
• - einer ersten, dem Innenraum (Ri) zugewandten und einer zweiten, am Außenraum (Ra) liegenden magnetisierbaren rotierenden Polscheibe an den Stirnseiten des ringförmi­ gen Permanentmagneten,

wobei Permanentmagnet und Polscheiben fest miteinander ver­ bunden und konzentrisch um die Welle herum angeordnet sind und mit der Welle einen ersten und einen zweiten Dichtspalt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Innenbohrungen (15, 16) der Polscheiben (5, 6) mittels ei­ nes Feinbearbeitungsverfahrens mit rotierender Spanabhebung bearbeitet, daß die axial äußere, vom Permanentmagneten ab­ seitige Bohrungskante (17, 18) mindestens einer Polscheibe (5 oder 6) scharfkantig und gratfrei und daß der zugehörige Dichtspalt (7 oder 8) mit einem Ferrofluid gefüllt ist.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenbohrungen (15, 16) beider Polscheiben (5, 6) mittels eines Feinbearbeitungsverfahrens mit rotierender Spanabhe­ bung bearbeitet, daß die axial äußeren Bohrungskanten (17, 18) der Bohrungen (15, 16) scharfkantig und gratfrei und daß beide Dichtspalte (7, 8) mit Ferrofluid befüllt sind.

3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetring (4) aus einem kunststoffgebundenen Ma­ terial gespritzt ist.

4. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Dichtspalt (7) mit einer 15 bis 30 Prozent größeren Menge befüllt ist als der zweite Dichtspalt (8) bei gleichem Spaltvolumen.

5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Innenbohrung (16) der zweiten Polscheibe (6) mittels eines Feinbearbeitungsverfahrens bearbeitet, daß die äußere Bohrungskante (18) scharfkantig und gratfrei und daß nur der zweite Dichtspalt (8) mit einem Ferrofluid befüllt ist.

6. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Polscheibe (6) eine 25 bis 80% größere Dicke auf­ weist als die erste Polscheibe (5).

7. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Befül­ lung des ersten Dichtspaltes (7) im statischen Zustand und die Befüllung des zweiten Dichtspaltes (8) im dynamischen Zustand bei Nenndrehzahl des Motors erfolgt.

8. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befüllung des zweiten Dichtspaltes (8) mit Ferrofluid im dynamischen Zustand bei Nenndrehzahl des Motors erfolgt.

9. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach einem der An­ sprüche 2 bis 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Be­ füllung beider Dichtspalte (7, 8) die Montage in folgenden Schritten ausgeführt ist:

• - Zentrierung, Fixierung und Befestigung der ersten Polscheibe (5),
• - Zentrierung und Befestigung des Permanentmagnetringes (4) an der ersten Polscheibe (5),
• - statische Befüllung des ersten Dichtspaltes (7) mit Ferrofluid,
• - Zentrierung und Befestigung der zweiten Polscheibe (6) am Permanentmagnetring (4),
• - dynamische Befüllung des zweiten Dichtspaltes (8) mit Ferrofluid im Lauf.

10. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die feinbearbeitete Innenbohrung (15, 16) der Polscheibe (5, 6) durch folgende Arbeitsgänge hergestellt ist:

• - Feinstanzen,
• - Repasieren,
• - Scheuern und Trommelentgraten und
• - Honen.