DE3941444C2 - Permanentmagnetantrieb für eine Pumpe, ein Rührwerk oder eine Armatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Permanentmagnetantrieb für eine Pumpe, ein Rührwerk oder eine Armatur, bei dem zur Bildung einer Zentraldrehkupplung ein magnet­ besetzter Treiber und ein magnetbesetzter Rotor kon­ zentrisch zueinander angeordnet sind, zwischen dem Treiber und dem Rotor ein Spalttopf als Dichtung ange­ ordnet ist, und der Rotor mit Hilfe mindestens eines Lagers gelagert und mit geringem Spiel innerhalb des Spalttopfes geführt ist und zwischen dem Rotor und dem Mantel des Spalttopfes mindestens ein Notlager angeordnet ist.

Derartige Permanentmagnetantriebe haben sich seit lan­ gem für die genannten Anwendungszwecke bewährt. Bei Pumpen läuft der Rotor und sein Lager in der Regel in der Förderflüssigkeit, die auch ggf. in dem Spalt­ topf durch Wirbelströme erzeugte Verlustwärme abführt. Die hervorragende Dichtigkeit aufgrund des Spalttopfes, die leicht beherrschbare statische Dichtungen an den Flanschen und Schraubverbindungen mit sich bringt, wird erkauft durch eine völlig gekapselte Lagerung des Rotors, deren Zustand nur durch eine Demontage des entsprechenden Aggregates kontrolliert werden kann. Aufgrund dieser Tatsache sind drohende Lagerschäden schwer zu erkennen.

Um bei einem Lagerschaden des Rotors eine Beschädigung des Spalttopfes und damit ein Austreten der Förder-, Rühr- oder abzusperrenden Flüssigkeit zu verhindern, ist schon vorgeschlagen worden, den Spalttopf doppel­ schalig auszubilden und das zwischen den Schalen ange­ ordnete Wegenetz mit Hilfe einer Drucküberwachung dau­ ernd hinsichtlich einer Beschädigung zu überprüfen. Der Aufwand für derartige doppelschalige Spalttöpfe ist relativ groß, außerdem sinkt wegen der insgesamt größeren Wandstärke des jeweiligen Spalttopfes der Wirkungsgrad der Permanentmagnetkupplung ab, da die sich anziehenden Magnete des Treibers und des Rotors einen größeren Abstand zueinander einnehmen als bei einem einschaligen Spalttopf.

Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden De 37 15 484 A1 ist weiterhin ein magnetischer Pumpenantrieb der eingangs erwähnten Art bekannt, bei dem der den Rotor umschließende Spalttopf in seinem zylindrischen Teil zur Bildung mindestens zweier Zylinderabschnitte mit einer Stufe versehen ist. Im Bereich dieser Abstufung ist am Umfang des Rotors eine Schräge vorgesehen, zwischen der und der Innenseite der verstärkt ausgeführten Stufe ein so geringer Abstand besteht, daß bei einer Beschädigung der Lagerung des Rotors die Schräge den Spalttopf berührt, bevor die Permanentmagnete des Rotors Gelegenheit zu einer Berührung mit der Innenfläche des Spalttopfes erhalten.

Die bei einem Lagerschaden derart geschaffene Berührungsfläche zwischen der Innenseite des Spalttopfes und der Schräge des Rotors stellt eine Schleißfläche mit einem Materialabtrag dar, der jedoch zum Schutz der Permanentmagneten des Rotors in Kauf genommen wird. Mit dieser schleißenden Berührung, die auch akustisch bemerkbar ist und sich zudem in einer Schwergängigkeit infolge abgelöster, aufgetürmter Materialpartikel und in einem "Lagerfressen" äußert, kommt es schließlich zu einer durch Alarm vorgenommenen Abschaltung oder einer automatischen Abschaltung der Pumpe durch erhöhte Stromaufnahme. Die auch als "Opferreibfläche" bezeichnete Berührungsfläche zwischen dem Rotor und der abgestuften Stelle des Spalttopfes dient dabei in gewisser Weise bis zum Stillstand der Pumpe als ein Notlager, dessen eigentliche Wirkung jedoch in seiner Verschleißfunktion, verbunden mit den oben dargestellten negativen Folgen, besteht, d. h. echte Notlaufeigenschaften werden tatsächlich nicht erreicht.

Zur verschleißarmen Lagerung der Rotoren von Elektromotoren und Magnetkupplungen, bei der sich zwischen den Gleitpartnern kein tragender Schmierfilm ausbildet, ist die Verwendung von Lagerpaarungen aus Hartstoffen auf der Basis von Metalloxiden oder -karbiden bekannt (DE 32 10 761 C1, DE 37 44 101 A1). Derartige hartkeramische Lagerwerkstoffe sind zudem chemisch inaktiv und neigen daher nicht zum Lagerfressen. Schließlich werden in der US 38 77 844 und der US 48 06 080 Pumpenaggregate, u. a. auch solche mit einer Permanentmagnetkupplung beschrieben, die durch die Anordnung von Schmiernuten zwischen den Gleitlagerelementen gekennzeichnet sind.

Somit ist zwar die Anwendung von Lagerpaarungen aus keramischen Werkstoffen oder die Anordnung von Schmiernuten zwischen den Gleitlagerflächen allgemein bekannt, jedoch sind die im Stand der Technik dargestellten Lager nicht geeignet, bei Permanentmagnetantrieben im Falle der Beschädigung eines Hauptlagers eine Notlauffunktion zur Vermeidung von Folgeschäden für den Spalttopf und das Permanentmagnetsystem des Rotors zu übernehmen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Permanentmagnetantrieb der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß auch bei einem Schaden an der Lagerung des Rotors eine Beschädigung des Spalttopfes so gut wie nicht eintreten kann und eine Fortsetzung des Betriebs störungsfrei und ohne nachteilige Folgen für die Elemente des Antriebssystems möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß das Notlager bei einem gattungsgemäßen Permanentmagnetantrieb zur Aufrechterhaltung eines Fördereffekts und eines hydraulischen Drucks in dem Spaltraum um den Rotor Schmiernuten aufweist, die sicherstellen, daß die zwischen den Lagerteilen des Notlagers gebildeten Lagerflächen immer und unter allen Umständen benetzt sind, und ein Lagerteil aus einem keramischen Werkstoff besteht.

Die Bewegungsfreiheit eines Rotors beispielsweise bei einer Pumpe ist durch Dichtspalte im Bereich des Lauf­ rades in radialer Richtung ohnehin stark eingegrenzt, so daß an dieser Stelle in Form der hydraulischen Dicht­ spalte bereits eine Art Notlager vorhanden ist, zumin­ dest jedoch eine Begrenzung des Spielraumes bei einem Lagerschaden. Anders liegen die Verhältnisse im Bereich des Rotors der Permanentmagnetkupplung. An dieser Stelle ist zwar auch die Eingrenzung des Spielraumes durch den Spalttopf vorhanden. Diese Eingrenzung des Arbeits­ raumes in radialer Richtung kann jedoch wegen der Em­ pfindlichkeit des Spalttopfes gegenüber einer Beschä­ digung oder gar Zerstörung zur Begrenzung des radialen Spieles bei einer Lagerzerstörung nicht genutzt werden. In der Regel genügt deshalb nach der Lehre der Erfin­ dung ein einziges erfindungsgemäß ausgebildetes Notlager beispielsweise am freien Ende des Rotors. Selbstverständlich können auch zwei Notlager vorgesehen sein, die dann zu beiden Seiten der Magnetbesetzung angeordnet sind.

Ein derartiges Notlager oder zwei dieser Notlager sind besonders wirkungsvoll, wenn zumindest der eine Lagerteil aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus einem nicht-oxydkeramischen Werkstoff besteht. Sehr gute Notlaufeigenschaften bei geringstem Spiel können dann verwirklicht werden, wenn jeweils beide Lagerteile aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus nicht­ oxydkeramischem Werkstoff gefertigt sind. Im Falle der Zerstörung oder der Beschädigung des Hauptlagers bzw. der Hauptlager, die im übrigen aus demselben Werk­ stoff gebildet sein können, ist das Anlaufen des Rotors, an dem Spalttopf außer im Bereich der Notlager sicher verhindert. Da die genannten Lagerwerkstoffe äußerst verschleißfest sind, kommt es auch nach einem längeren Betrieb im Ausnahmezustand zu keinem nennenswerten Verschleiß und damit zu keiner Berührung zwischen dem Rotor und dem Spalttopf. Im übrigen wirken die Notlager als Sperre für Bruchstücke, beispielsweise eines zer­ störten keramischen Hauptlagers im Falle seiner Zer­ störung.

Die Abfuhr der Verlustwärme aus dem Spalttopf bei metal­ lischen Werkstoffen erfolgt durch die Zirkulation eines Mediums, insbesondere des Pump- oder Rührmediums in dem Spalt, der zwischen dem Rotor und der Innenseite des Spalttopfes vorhanden ist. Die in den Lagerteilen als Längsnuten ausgebildeten Schmiernuten übernehmen somit nicht schlechthin die Benetzung der Notlagerflächen, sondern dienen gleichzeitig zur Aufrechterhaltung der Zirkulationsströmung für die Wärmeabfuhr und zur Gewährleistung des hydraulischen Drucks in dem Spaltraum. Vorzugsweise sind die Längs- oder Schmiernuten in den umlaufenden, dem Rotor zugeordneten Lagerteilen angeordnet. Bei einer entsprechenden Schrägstellung, die auf die Drehrichtung abgestimmt ist, kann mit Hilfe dieser Schmier- oder Längsnuten sogar ein Fördereffekt erreicht werden.

Die Lagerringe der Notlager können in Nuten eingesetzt werden, die in dem Spalttopf eingeformt sind. Bei ge­ schickter Anordnung insbesondere in Durchmesserstufen bleibt trotz der erforderlichen Materialansammlung im Bereich der Lagerringe die Dünnwandigkeit des Spalt­ topfes im Bereich der Magnetbesetzung voll erhalten, so daß der angestrebte gute Wirkungsgrad, der sich bei geringem Luftspalt zwischen den sich anzie­ henden Magneten des Treibers und des Rotors ergibt, nicht gemindert wird.

Besondere Vorteile sind erzielbar, wenn der Gesamtspalt­ topf aus einem Lagermaterial besteht, insbesondere aus einem keramischen Material, z. B. aus Siliziumkarbid. Da es sich um ein nicht-ferromagnetisches Material handelt, treten keine Verluste durch Wirbelströme auf, ein entsprechend gebildeter Spalttopf ist sehr hoch druckbelastbar, und es brauchen keine gesonderten Vor­ kehrungen zur Unterbringung von Lagerteilen getroffen zu werden. Die gleichen Vorteile hinsichtlich der Ver­ meidung von Wirbelstromverlusten sind erzielbar, wenn der Spalttopf aus Kunststoff besteht, beispielsweise aus einem kohlefaserverstärkten oder aramidfaserver­ stärkten Kunststoff, in den dann die bereits beschrie­ benen Lagerringe aus einem Lagerwerkstoff eingelegt sind.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines unvoll­ ständig dargestellten Antriebs mit Hilfe von Permanentmagneten durch einen Spalttopf hin­ durch in einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Rotors, der Bestandteil des Antriebes der Fig. 1 ist, und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Antriebes nach Fig. 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Die in den Fig. 1 und 3 wiedergegebene Darstellung eines Permanentmagnetantriebes gemäß der Erfindung ist insofern unvollständig, als ein den Spalttopf gloc­ kenartig umgreifender Treiber nicht dargestellt ist, da es auf seine Ausbildung bei der Erfindung nicht ankommt und sog. Zentraldrehkupplungen für sich ge­ sehen bekannt sind. Der Einfachheit halber ist auch die Magnetbesetzung an einem Rotor 1 nicht wiederge­ geben, da auch diesbezüglich die Erfindung bekannte Wege geht, also die Anwendung von Magnetplättchen vor­ sieht, die zu einem in sich geschlossenen Ring oder mehreren in sich geschlossenen Ringen nebeneinander auf eine Umfangsfläche des Innenrotors aufgeklebt und mit Hilfe einer aufgeschweißten Deckfolie abgedeckt sind.

Der in der Fig. 1 wiedergegebene Antrieb ist für eine Pumpe vorgesehen, deren Pumpenlaufrad mit einer Welle 2 fest verbunden ist. An dem dargestellten, freien Ende der Welle 2 ist der Rotor 1 festgeschraubt, der die nicht dargestellten Permanentmagnete trägt. Der Rotor 1 ist von einem Spalttopf 3 umgeben, dessen Flansch zwischen Pumpengehäuse und Lagerbock unter gleichzei­ tiger Verwendung von Flachdichtungen eingespannt ist. Innerhalb des Spalttopfes 3 sind zwei oder drei Teile eines geteilten Lagerringes 4, der den einen Teil des einen Notlagers bildet, eingelegt und durch Klem­ men oder Kleben gehalten. An dem offenen Ende des Spalttopfes 3 ist ein geschlossener Lagerring 5 aus demselben Ma­ terial in eine entsprechende Ausnehmung eingelegt und mit Hilfe eines Ringes 6 gehalten. Beide Lagerringe 4 und 5 bestehen aus Siliziumkarbid. Es ist deutlich zu erkennen, daß zwischen den beiden Lagerringen 4 und 5 der Spalttopf 3 seine übliche geringe Wandstär­ ke aufweist und innerhalb dieses Bereiches befinden sich die Magnete an dem Rotor 1. Der Spalttopf 3 be­ steht im übrigen aus einem kohlefaserverstärkten oder aramidverstärkten Kunstharz.

Es wurde eingangs schon darauf hingewiesen, daß der Rotor auf der Welle 2 festgeschraubt ist. Bestand­ teil dieser Befestigung sind zwei Flansche 14 und 15, die zu beiden Seiten des Rotors 1 ebenfalls auf die Welle 2 aufgesteckt und mit Hilfe einer Mutter 16 be­ festigt sind. Sie halten Laufringe 7 und 8 aus Sili­ ziumkarbid, die die jeweils zweiten Lagerteile des aus Lagerring und Laufring bestehenden Notlagers bil­ den. Wie deutlich aus der Fig. 2 zu erkennen ist, sind in dem Laufring 8 nahe der Öffnung des Spalttopfes 3 schräg gestellte Schmiernuten 9 eingelassen, die einen Fördereffekt für eine anwesende Flüssigkeit in Axialrichtung des Spalttopfes 3 zu dessen Boden hin haben. An der anderen Seite des Rotors 1 sind in dem hier angebrachten Laufring 7 ebenfalls Schmiernuten 10 eingelassen, die jedoch axial ausgerichtet sind und in der Anzahl geringer sind als die in dem Laufring 8. Dadurch ist die Gesamtquerschnittsfläche der Schmier­ nuten 10 kleiner als die der Schmiernuten 9. In Ver­ bindung mit dem genannten Fördereffekt wird so der Spaltraum um den Rotor 1 mit Flüssigkeit gefüllt und unter hydraulischem Druck gehalten. In dieser Weise ist der Rotor 1 zwischen den Notlagern schwimmend ge­ lagert, also durch eine hydrodynamische Lagerung ge­ führt und gesichert.

Bei dem in der Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungsbei­ spiel besteht der Spalttopf 3 insgesamt aus Silizium­ karbid, so daß sich Lagerringe erübrigen. Vielmehr können die Laufringe 7 und 8 im Falle einer Beschädi­ gung des nicht dargestellten Hauptlagers direkt auf dem Spalttopf 3 aufsetzen und laufen, wobei alle übri­ gen Funktionen beibehalten worden sind, wie beispiels­ weise die Förderung einer Schmierflüssigkeit durch die Schmiernuten 9 und der Ablauf dieser Flüssigkeit durch die Schmiernuten 10 an dem Laufring 7, der dem Boden des Spalttopfes zugewandt ist. Die zum Boden des Spalttopfes 3 hin geförderte Flüssigkeit kann im übrigen durch eine zentrale Bohrung (nicht dargestellt) in der Welle 2 zurück zum Saugraum der Pumpe fließen, so daß auch von daher ein Druckgefälle in dieser Rich­ tung vorhanden ist.

Claims (10)

1. Permanentmagnetantrieb für eine Pumpe, ein Rührwerk oder eine Armatur, bei dem zur Bildung einer Zentral­ drehkupplung ein magnetbesetzter Treiber und ein magnetbesetzter Rotor konzentrisch zueinander ange­ ordnet sind, zwischen dem Treiber und dem Rotor ein Spalttopf als Dichtung angeordnet ist und der Rotor mit Hilfe mindestens eines Lagers gelagert und mit geringem Spiel innerhalb des Spalttopfes geführt ist und zwischen dem Rotor und dem Mantel des Spalt­ topfes mindestens ein Notlager angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Notlager zur Aufrechterhaltung eines Fördereffekts und eines hydraulischen Drucks in dem Spaltraum um den Rotor (1) Schmiernuten (9, 10) aufweist, die sicherstellen, daß die zwischen Lagerteilen (4, 7; 5, 8) des Notlagers gebildeten Lagerflächen immer und unter allen Umständen benetzt sind, und ein Lagerteil (4, 5) aus einem keramischen Werkstoff besteht.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Lagerteile (4, 5; 7, 8) aus einem keramischen Werkstoff bestehen, insbeson­ dere aus einem nicht-oxydkeramischen-Werkstoff.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes Notlager außer­ halb der Magnete der Magnetbesetzung des Rotors (1) liegt.

4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spalttopf (3) mit mindestens einer Nut versehen ist, und daß das dem Spalttopf (3) zugeordnete Lagerteil (4, 5) als geteilter Lager­ ring in die Nut eingeklebt ist.

5. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiernuten (9, 10) den Lagerteilen (7, 8) des Rotors (1) zugeordnet sind und als fördernde bzw. förderneutrale Schmiernuten ausgebildet sind.

6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der einen Seite des Ro­ tors (1) fördernde und auf der anderen Seite för­ derneutrale Schmiernuten (9, 10) vorgesehen sind.

7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gesamtquerschnittsfläche der fördernden Schmiernuten (9) größer ist als die der förderneutralen Schmiernuten (10).

8. Antrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt zwischen den mit Schmiernuten (9, 10) versehenen Lagerteilen (7, 8) der Lagerspalt eines hydro-dy­ namischen Rotorlagers in dem Spalttopf ist.

9. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalttopf (3) aus einem keramischen Lagermaterial besteht.

10. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalttopf (3) aus Kunststoff besteht, insbesondere aus einem kohlefaser- oder aramidfaserverstärktem Kunstharz.