DE3719116A1 - Anordnung fuer eine magnetische fluessigkeitsdichtung - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft eine Anordnung für eine magnetische Flüssigkeitsdichtung, insbesondere für Systeme mit stehender Welle, mit mindestens einem aktiven, mit magnetisch leitfähiger Flüssigkeit gefüllten Polspalt, der durch eine stehende und eine um eine Achse rotierende Fläche begrenzt ist.

Bekannte Anordnungen der eingangs genannten Art bestehen aus ein oder zwei ebenen Scheiben und einem zwischen diesen liegen­ den axial magnetisierten Permanentmagnet. Die beiden Scheiben bestehen aus magnetisierbarem Material und bilden die Polschuhe. Mindestens der Spalt bei einem Polschuh und einer Welle wird mit einer magnetisch leitenden Flüssigkeit gefüllt und dichtet so­ mit einen über der Dichtung liegenden Raum von einem unter der Dichtung liegenden Raum ab.

Üblicherweise ist eine solche magnetische Dichtung in einem Mo­ tor so eingebaut, daß die drehende Welle den magnetischen Rück­ schluß über die beiden Polschuhe bildet und diese somit nicht rotieren.

Es gibt aber auch Systeme, wo es vorteilhaft ist, die Welle stillstehen zu lassen. In diesem Falle muß die Dichtung, d. h. müssen die Polschuhe, rotieren. Bei sehr kleinem Wellendurch­ messer treten in der Regel wenig Probleme auf, die Dichtung funktioniert mit einer stehenden Welle genauso wie mit einer rotierenden Welle. Mit zunehmenden Wellendurchmesser wird eine solche Dichtung instabil.

Bei großem Wellendurchmesser und vor allem bei entsprechend großer Drehzahl funktioniert die magnetische Abdichtung gar nicht mehr. Bei einem großen Wellendurchmesser sind die magne­ tischen Kräfte im Luftspalt der Dichtung evtl. nicht mehr im­ stande, die magnetisch leitende Flüssigkeit gegen die Flieh­ kräfte im Spalt zu halten.

Auf jeden Fall ist eine herkömmlich aufgebaute Dichtung in ei­ nem System mit stehender Welle unstabil, weil zufällig aus dem Spalt austretende Flüssigkeit sofort radial weggeschleudert wird, da die Fliehkräfte radial zunehmen und die magnetisch wirksame Kraft sehr stark abnimmt. Fig. 4 veranschaulicht diese Zusammenhänge.

Somit hat eine gattungsgemäße magnetische Dichtung insbesondere in Verbindung mit einer stehenden Welle den großen Nachteil, daß bereits kleinste Störungen, z. B. eine Schockbeanspruchung, aus­ reichen können, um die Flüssigkeit aus dem Bereich des noch aus­ reichend wirksamen magnetischen Feldes herauszubringen, was selbst bei nicht drehendem Motor geschehen kann und was bei lau­ fendem Motor zum Abschleudern der Dichtflüssigkeit und somit zum Ausfall des Systems führt.

Der nachstehend beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, insbesondere eine magnetische Dichtung der eingangs ge­ nannten Art für Systeme mit stehender, relativ dicker Welle auch bei hoher Drehzahl betriebssicher für lange Lebenszeit zu gestalten.

Bei der Erfindung wird durch eine Verlängerung des mechanischen Luftspaltes zwischen Dichtung und Welle durch ein NICHTMAGNE- TISCHES, vorzugsweise PARAMAGNETISCHES Material in mindestens einer axialen Richtung der Austritt von solcher magnetisch (und oft auch noch elektrisch) leitfähiger Dichtflüssigkeit aus dem Polspalt bzw. Luftspaltraum verhindert. Die Figuren zeigen in

Fig. 1 und 2 einen Stand der Technik in verschiedener Ausge­ staltung,

Fig. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und

Fig. 4 und 5 zeigen Wirkungszusammenhänge, wie sie für die Erfindung wichtig sind.

Wie in Fig. 1 zu sehen, sind solche magnetischen Dichtungen oft aus ein oder zwei ebenen Polscheiben 1, 4 aufgebaut, zwischen denen sich ein axial magnetisierter Permanentmagnetring 2 bil­ det, der mitsamt diesen Scheiben 1, 4 um eine Achse 100 ange­ ordnet ist. Diese beiden Scheiben 1, 4 bestehen aus weichmagneti­ schem, magnetisierbarem Material und bilden sozusagen die Pol­ schuhe für einen magnetischen Kreis, der sich von den radialen Innenkanten dieser Polschuhe aus über eine Welle 3 schließt. Die Fig. 1 zeigt eine rotierende Welle 3 in einer solchen magne­ tischen Dichtung, die den oberen Raum 10 vom unteren Raum 20 ab­ dichtend trennt. Die eine Polscheibe 1 ist an der radialen In­ nenseite, sozusagen an ihrem Polschuh, also mit einer magnetisch leitenden Dichtflüssigkeit 44, wie sie z. B. unter der Handels­ bezeichnung Ferrofluidic bekannt ist, gefüllt. Der magnetische Kreis schließt sich vom Permanentmagnetring 2, dessen axiale Magnetisierungsrichtung durch N/S gekennzeichnet ist, über die Polscheiben 1 und 4, über die Polspalte zwischen den Polscheiben 1, 4 und der ebenfalls magnetisierbaren Welle 3. Der obere Pol­ spalt unter der als Polschuh wirkenden Polscheibe 1 ist mit dieser Dichtflüssigkeit 44 gefüllt. Unter einem solchen Pol­ schuh, also auch unter dem unteren Polschuh 4, ist ein Luft­ spalt, in dem sich die Dichtflüssigkeit 44 befindet. Man ver­ steht im Sinne dieser Erfindung also den Polspalt als den Luft­ spaltraum, der von der Dichtflüssigkeit 44 im wesentlichen ein­ genommen wird.

In der Praxis ist es so, daß die relativ dünnen Polscheiben 1, 4 gegenüber der axial praktisch unbegrenzten Welle 3, radial und konzentrisch zueinander angeordnet, eine sozusagen sehr kleine Polschuhfläche bilden (gegenüber der anderen, den magne­ tisch wirksamen Luftspalt begrenzenden Oberfläche der Welle 3). Dieses stark unterschiedliche Flächenverhältnis ist auch bei der umgekehrten Anordnung, wie sie Fig. 2 zeigt, erhalten. Dort rotiert das Abdichtungssystem, das aus den Scheiben 1, 4 mit dem dazwischenliegenden Permanentmagnetring 2 aufgebaut ist, um die Achse 100 und die Welle 3 steht im Innern. Dieser ro­ tierende Ring führt dadurch, daß er die magneto-liquide Dicht­ flüssigkeit 44 mitreißt, eine Schleuderbewegung auf diese aus, welche durch die Pfeile 6 angedeutet sind. Gerade an den Innen­ kanten der Polscheibe 1 macht sich diese Fliehkraftwirkung be­ merkbar, so daß die Flüssigkeit 44 über diese Kante radial nach außen gezogen werden kann. Der obere Spalt im Innern des Pol­ schuhs bzw. der Polscheibe 1 ist mit der magnetisch leitenden Flüssigkeit 44 gefüllt und dichtet den oberen Raum 10 vom unte­ ren Raum 20 ab (ebenso wie in Fig. 1).

Solche Dichtungen werden verwendet in Antriebsmotoren für Hart­ plattenspeicher, welche bei einer Drehzahl von 3000 bis 6000 U/min rotieren und sie sollen verhindern, daß in den Clean room, in dem die Speicherplatten sich bewegen, Schmutz oder auch Fett­ partikel aus dem Motor austreten können. Dieses Problem ist insbesondere in Verbindung mit sogenannten Inhub-Motoren aktuell, wo also der Motor als solcher sich im Clean-Raum, und zwar im Inneren in der Plattennabe, befindet. Auf der Plattennabe sitzen z. B. zwei oder mehr Speicherplatten, die einen standardisierten Innendurchmesser haben, der genau auf diese Nabe aufgepaßt ist. Das bedeutet, daß an den Motor im Innern dieser Nabe hohe Anfor­ derungen bzgl. Leistung, Erhitzung und eben auch Abgedichtet­ heit gegenüber dem Clean-Raum gestellt werden. Bisher hat man zwar vorwiegend solche Motoren verwendet, bei denen die drehen­ de Welle dem magnetischen Rückschluß über die beiden Polschuhe bildet, jedoch ist gerade im Zusammenhang mit diesen Inhub- Motoren (wie oben definiert) die Dichtheit eines solchen Motors in der Praxis oft problematisch. Da die Fliehkraftwirkung mit dem Quadrat der Drehzahl ansteigt, versteht es sich, daß bei langsamen Plattenspeichern, z. B. sogenannten Floppies, wo außerdem die Reinheitsanforderungen gar nicht so hoch sind, das Problem in diesem Maß nicht besteht.

Fig. 3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wo eine ebene Scheibe aus nichtmagnetischem Material mit der Ziffer 5 von gleicher Größe wie die ferromagnetische Polscheibe 1 ist, sie kann sogar genau die gleiche Abmessung haben, was bedeutet: evtl. sogar aus einem Verbundmaterial in einem Arbeitsgang ge­ stanzt werden.

Pfeile 7 kennzeichnen die Richtung, in der die Dichtflüssigkeit 44 ausweichen kann, wenn eine Fliehkraftwirkung zustande kommt, wobei die Anordnung an sich nach Fig. 1 oder wie nach Fig. 2 grundsätzlich funktionieren kann, wenngleich in Fig. 3 durch den halbrunden Pfeil 77 angedeutet ist, daß das konkrete Aus­ führungsbeispiel der Fig. 3 sich auf eine stehende Welle be­ zieht. Ein Innenring 66 aus nichtmagnetischem Material schließt sich radial auf gleicher Höhe an die innere Schulter der Pol­ scheibe 1 an. Die radiale Innenfläche der Scheibe 5 und der Scheiben 1, 4 und des Ringes 66 sind also durchgehend, d. h. von gleichem Durchmesser. Im Sinne der Er­ findung ist es jedenfalls, daß der Innendurchmesser der Scheibe 5 bzw. des Ringes 66 nicht größer ist als der Innendurchmesser der Polscheibe 1. Er kann sich eher in Stufen oder stetig noch etwas gegenüber dem Innendurchmesser der Scheibe 1 verkleinern, dann würde nämlich die Verschlußwirkung für die Dichtflüssig­ keit 44 noch etwas größer sein.

Wie die Fig. 5 zeigt, ist das magnetische Feld in axialer Nach­ barschaft des Polschuhs z. B. 1 in der Fig. 3 zwar geringfügig schwächer aber noch immer imstande, die minimal verschobene Flüssigkeit in die optimale Lage zurückzuholen (vgl. die Kurven der Fig. 5 und 4 (Kraftwert bei Weg=0)).

Paramagnetische Materialien können den Effekt der Erfindung noch verstärken.

Herstellungstechnisch kann es günstig sein, die aus Stahlblech hergestellte Polscheibe und das ein- oder beidseitig anzubringen­ de magnetisch nicht leitende Material 5, 66 im Verbund herzustel­ len und gemeinsam zu bearbeiten; beispielsweise ist ein solches Material ein in Schichten Sandwich-artig aufgebautes, also ein gewalztes mehrschichtiges Blech mit einem Stahlteil als Kern und an einer oder beiden Seiten Aluminium.

Ein solches mehrschichtiges Blech kann sehr preisgünstig in ei­ nem gemeinsamen Arbeitsgang bearbeitet bzw. gestanzt werden. Man kann sich das anschaulich ohne weiteres vorstellen, wenn man die magnetisch leitende also vorzugsweise weichmagnetische Polscheibe 1 mit der flächengleich benachbarten, nichtmagne­ tischen Scheibe 5 (bzw. paramagnetischen Scheibe 5) betrachtet.

Die Erfindung ist also da von Bedeutung, wo man solche magneti­ schen Dichtungen bei relativ großen Drehzahlen und bei nicht zu kleinem Wellendurchmesser verwendet. Sie können in Elektromotoren auf den Gebiet der Signalverarbeitung mit rotierenden und mit stehenden Wellen angewendet werden. Insbesondere bei solchen Datenspeichergeräten, die eine höhere Drehzahl aufweisen, ist sie wegen der stark zunehmenden Fliehkraftwirkung mit der Dreh­ zahl von besonderer Bedeutung. Da an die radiale Genauigkeit und an die Laufgüte extreme Anforderungen bei solchen Geräten gestellt werden, können auch die Wellen oft nicht klein dimen­ sioniert werden.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht beschränkt auf axial erregte Permanentmagnete in solchen Dichtungen. Die Magnete kön­ nen auch durchaus radial magnetisiert sein. Das Entscheidende ist, daß in dem zylindrischen Dichtluftspalt die magnetisch (und evtl. noch zusätzlich elektrisch) leitende Flüssigkeit bei Rota­ tion oder sonstiger Bewegung sicher gehalten wird. Hier stehen sich also immer eine axial kurze, im wesentlichen zylindrische und eine axial längere Zylinderfläche gegenüber, zwischen denen das Magnetfeld durch die magnetische Dichtflüssigkeit hindurch treten muß. Es kann die axial längere oder die axial kürzere Stirnfläche oder Zylinderfläche stehen bzw. rotieren und, wie mehrfach schon erwähnt, ist das Problem bei stehenden Wellen größer, insbesondere dann, wenn die stehende Welle den Polspalt begrenzt. Anordnungen, bei denen die stehende oder rotierende Welle nicht selbst mit ihrer Oberfläche den Polspalt bzw. den Luftspalt des Flüssigkeitspolspaltes begrenzt, bauen ohnehin radial größer und dort ist das Problem wiederum verschärft, so daß auch dort die Erfindung benützt werden sollte.

Claims (5)

1. Anordnung für eine magnetische Flüssigkeitsdichtung, insbe­ sondere für Systeme mit stehender Welle, mit mindestens einem aktiven, mit magnetisch leitfähiger Flüssigkeit ge­ füllten Polspalt, der durch eine stehende und eine um eine Achse rotierende Fläche begrenzt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zwischen stehender und rotierender Fläche bestehende, mindestens den Polspalt bildende Luft­ spalt durch nichtmagnetisches oder paramagnetisches Material (5, 66) in axialer Richtung verlängert wird.

2. Magnetische Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieses Material (5, 66) an der radialen Außenseite der Dichtung, also in axialer Richtung seitlich neben dem Polspalt, vorzugsweise an beiden Seiten, angeord­ net ist, wobei dessen Innendurchmesser vorzugsweise gleich oder kleiner als der der Polscheiben (1, 4) ist.

3. Magnetische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das den Luftspalt bildende, verlängernde Material als Ring (66) auf den magne­ tisch aktiven Ring (2) gesetzt wird, derart, daß der Luft­ spalt verlängert wird (quasi über den Polspalt hinaus).

4. Magnetische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das nicht- oder paramagnetische Material (5, 66) und das magnetische Material im Verbund hergestellt und gemeinsam verarbeitet wird.

5. Magnetische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die in der Dichtung enthaltenen magnetischen und nichtmagnetischen Zonen durch Umspritzen einer aus mindestens einem Polring (1) bestehen­ den Dichtung mit Kunststoff hergestellt wird.