DE4214848A1 - Permanentmagnetische Zentralkupplung mit Spalttopf von getrennten Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetkupplung von getrennten Wellen für eine Pumpe, ein Rührwerk oder eine Armatur, bei der ein Kupplungsteil einen perma­ nent-magnetbesetzten Treiber auf einen zentral permanent-magnetbesetzten Rotor durch Magnetkraft über einen hermetisch dichten Spalttopf wirkend, der zwei Räume voneinander trennt, synchron ein Drehmoment überträgt.

Das antreibende oder angetriebene Kupplungsteil hat sowohl innen als auch außen jeweils die gleiche Anzahl von Magnetkörpern, wie das Kupplungsteil, das koaxial zwischen diesem plaziert ist und bei dem die Magnetkrafteinwir­ kung des Permanent-Magneten beidseitig zur Drehmomentübertragung genutzt wird.

Der Spalttopf ist koaxial ausgeführt und nimmt die Lagerung der angetriebe­ nen Welle auf bzw. ist als Lagerteil ausgebildet. Er überträgt die Lagerkräf­ te auf den antreibenden Kupplungsteil, welcher sich wiederum durch eine Lagerung am Gehäuseteil abstützt.

Magnetkupplungen mit einem Spaltrohr, einem Spalttopf oder aber einer Trenn­ büchse haben sich seit Jahren für derartige Permanent-Magnetantriebe für Pumpen und Rührwerke bewährt.

Hier läuft der Rotor und seine Lager in der Regel in der Förderflüssigkeit, die auch ggf. in dem Spalttopf 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 Lagerschä­ den schwer zu erkennen.

Derartige Magnetkupplungen sind bekannt unter Offenlegungs- und Patentschrif­ ten:
DE 37 12 459 C2 DE 39 38 575 A1,
DE 39 22 426 A2 DE 36 36 404 C2,
DE 39 41 444 A1 DE 39 43 273 A1.

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 doppelschalig auszubilden und das zwischen den Schalen angeordnete Wegenetz mit Hilfe einer Drucküberwachung dauernd hinsichtlich einer Beschädigung zu überprü­ fen. Der Aufwand für derartige doppelschalige Spalttöpfe ist relativ groß, außerdem sinkt wegen der insgesamt größeren Wandstärke des jeweiligen Spalt­ topfes der Wirkungsgrad der Permanent-Magnetkupplung ab, da die sich anzie­ henden Magnete des Treibers und des Rotors einen größeren Abstand zueinander einnehmen als bei einem einschaligen Spalttopf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine permanent-magnetische Zentralkupplung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß das Medium nicht an die produkt­ zugewandte Lagerung gelangen und auch eine Beschädigung des Spalttopfes so gut wie nicht eintreten kann. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß eine gasgeschmierte und/oder trockenlaufende Gleitringdichtung mit oder ohne Lagerung vor der Magnetkupplung angeordnet wird. Sie übernimmt die Aufgabe einer Mediumssperre und soll - mit Hilfe eines Sperrgases - verhin­ dern, daß korrosive, abrasive und andere lagerschädigende Medien in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand in den Lager-, Spalttopf- und Permanent-Magnetbereich gelangt.

Bevorzugt kann Inertgas aber auch nichtkorrosives Prozeßgas verwendet wer­ den, dessen Druck um ca. 1 bar über dem jeweiligen Mediumsdruck liegen soll­ te. Dies ist mittels üblicher Nachsteuerungs- und Regeleinrichtungen leicht zu erreichen.

Durch den Überdruck im Magnetkupplungsbereich strömen geringe Gasmengen über den Gleitringdichtspalt in Mediumsrichtung.

Durch die Sperrfunktion der mediumseitigen Gleitringdichtung können bei Einsatz von Inertgas im Kupplungs- und Lagerbereich die Teile mit nicht-aus­ tenitischen Werkstoffen ausgeführt werden, was eine wesentliche Kosteneinspa­ rung bringt. Es ist auch möglich, daß die eingesetzten Lager mit Feststoff- oder Fettschmierung versorgt werden und damit wartungsfrei arbeiten. Sollte bei extrem hohen Drehzahlen und Belastungen eine Ölnebelschmierung erforder­ lich sein, so ist dies ebenfalls möglich, indem eine definierte Ölmenge in den Doppelspalttopf oder das angetriebene Kupplungsteil gefüllt wird. Die Antriebsanordnung muß dann vertikal ausgeführt sein. Die Ölleckage kann nach Bedarf aus einer Fangtasse mit Hilfe eines Saugrohrs aus der Gleitringdich­ tung abgezogen werden. Mit der gleichen Einrichtung kann auch der mediumsab­ gewandte Gleitringdichtungsraum bespült und gereinigt werden, z. B. von Medi­ umsrückstand, welcher übel den Dichtspalt eingedrungen ist.

Der signifikante Vorteil dieser Erfindung ist, daß die angetriebene Kupp­ lungshälfte nicht fliegend über der eigentlichen Wellenlagerung, sondern zwischen den Lagerstellen der angetriebenen Welle angeordnet ist. Dadurch entsteht eine kurzbauende kompakte Kupplungs- und Lagereinheit, die in ihrer Baugröße gegen genormte (z. B. nach DIN) und eingeführte Gleitringdichtungs-Kompakteinheiten austauschfähig ist.

Durch diese platzsparende Bauweise vergrößert sich der Anwendungsbereich wesentlich. Zusätzlich können durch die integrierte Lagerung die Magnetspal­ te verringert und bei gleichem Magneteinsatz das übertragene Drehmoment wesentlich vergrößert werden.

Es ist auch Aufgabe der Erfindung, durch die Lagerungen ein Anlaufen der Zentralkupplungsteile an den Spalttopf und einer Beschädigung desselben so gut wie nicht eintreten zu lassen. Die Lager können Kugel-, Nadel- oder auch Gleitlager sein. Es ist von Vorteil, wenn selbst der Spalttopf - falls er aus einem keramischen Werkstoff, z. B. Zirkonoxyd, besteht - teilweise Lager­ teil ist. Geringes Spiel und sehr gute Notlaufeigenschaften sind zu errei­ chen, wenn beide Lagerschalen aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind. Spalttöpfe, die hochdruck- und zugbelastbar sein müssen, sollten aus austenitischem Material sein. Hier treten zwar geringe Verluste durch Wirbel­ ströme auf, die jedoch bei hoher Leistungsdichte und großem Verdrehwinkel den Spalttopf erheblich aufheizen können. Dieser ist dann allerdings mit einem Fremdmedium, z. B. Wasser, zu kühlen. Um dies zu ermöglichen, ist eine weitere Gleitringdichtung am antreibenden Kupplungsteil zur Atmosphäre hin angeordnet, damit das Kühlmedium nicht aus dem Kühlkreislauf treten kann. Zusätzlich läßt sich dieser Raum auch beheizen, wenn Medien mit Tiefsttem­ peraturen gepumpt und hermetisch abgedichtet werden müssen. Um aber auch das hermetische Sicherheitskonzept aufrecht zu halten, ist eine ständige Kontrol­ le mit Hilfe von Dichtheitsprüfeinrichtungen, wie Leckdetektoren, Schnüff­ ler, Druck- oder Temperaturwächter, notwendig. Dies kann ohne großen Auf­ wand, im Gegensatz zum Doppelspalttopf, erreicht werden, wenn die Überwa­ chungsorgane den Kühl- oder Heizraum kontrollieren. Auch können damit Kriech­ leckagen, die sich dort ansammeln, festgestellt werden, um dann vorbeugende Maßnahmen zu treffen.

Bei Höchstdrücken, z. B. über 100 bar, ist es erforderlich, daß die Mantel­ dicke je nach Länge des Spalttopfes verstärkt werden muß, um einer Blähverfor­ mung entgegenzuwirken.

Bei dieser Erfindung wird gezeigt, daß der innere oder äußere dünnwandige Spalttopfzylinder ein oder mehrere Stützringe, Stützscheiben oder Lagerringe trägt, um ein elastisches Ein- oder Ausbeulen oder eine plastische Beulverfor­ mung zu unterbinden.

Um ein erforderliches Drehmoment synchron sicher zu übertragen, sind die Permanentmagnete, bezüglich der Leistung des magnetischen Flusses, ausrei­ chend zu dimensionieren. Hinzu kommt, daß aus Kostengründen eine geringe Magnetmasse anzustreben ist. Um nun ein möglichst gutes Kosten-Nutzen-Ver­ hältnis zu erreichen, muß der magnetische Fluß direkt und gebündelt zwischen den paarweise gegenüberstehenden Polpaaren ohne Verluste wirken können.

Die Übertragungsverluste werden verringert, wenn magnetisierbare Polbrücken oder Polschuhe anstatt eines üblichen Trägerzylinders, der den magnetischen Rückschluß bildet, eingesetzt wird. Die als Stand der Technik bekannte Anord­ nung der Dipole kann dahingehend verbessert werden, wenn radial ein weiterer Magnet hinzugefügt wird. So ist dann der mittlere Magnetträgerring entweder das antreibende oder angetriebene Kupplungsteil und besitzt nun auf beiden Magnetseiten eine Auslenkung der radialen Feldlinien, die erst durch die relative Verdrehung der beiden Kupplungshälften in der Lage sind, ein Moment zu übertragen. Der Verdrehwinkel ϕ stellt sich infolge des Lastmoments ein. Umfangskräfte und damit Drehmomente können jetzt übertragen werden, bis ein Abreißen der Kupplungsverbindung auftritt. Durch anschließende Überhitzung der Magnete führt dies zu irreversiblen magnetischen Verlusten. Durch die beidseitig gleichgerichtete radiale Auslenkung der Feldlinien, ist das zu übertragende Drehmoment bei drei Magneten, die sich radial gegenüberstehen, durch die Flußdichte des magnetischen Feldes nicht gleichbedeutend doppelt so groß. Es ist aber durch Ausnutzung des günstigsten Magnetvolumens von der antreibenden zur angetriebenen Kupplungshälfte, eine technisch wirtschaft­ lich Magnetmassenoptimierung möglich, um wesentlich höhere Drehmomente zu übertragen.

Hier zählt ebenso zum Stand der Technik, daß die Magnete aus hochwertigem Material, wie Samarium-Kobalt oder Neodym-Eisen-Bor, mit einer hohen, magne­ tischen Flußdichte eingesetzt werden.

Eine weitere Zentralkupplungsvariante ergibt sich, wenn der antreibende Kupplungsteil nicht mit Permanentmagneten bestückt, sondern mehrere Erreger­ wicklungen trägt, die durch regelbaren Gleichstrom gespeist die erforderli­ che Polpaarbildung erzeugt. Der Vorteil liegt hier beim steuerbaren Anlauf­ drehmoment, das durch die kurzzeitige Steigerung des magnetischen Flusses ein Abreißen der Kupplungswirkung verhindert.

Die hier auftretende, zusätzliche Erwärmung kann durch eine Kühleinrichtung, wie bereits beschrieben, abgeführt werden. Zu beachten wäre allerdings, daß hier Teilentladungen oder die Durchschlagspannung der Wicklung beim Einsatz im Ex-Bereich eine Bauartzulassung erforderlich macht. Dagegen ist eine permanent-magnetische Zentralkupplung nicht abnahmepflichtig, da diese nicht VDE-Richtlinien unterliegt.

Nachfolgend werden Ausführung der Erfindung, die in den Zeichnun­ gen dargestellt sind, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine permanent-magnetische Zentralkupplung eines Rührwerkantriebs, gemäß der Erfindung mit einem koaxia­ len, hermetisch dichten Spalttopf in einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht ähnlich Fig. 1, jedoch wurde hier das antreibende mit dem angetriebenen glockenartigen Kupplungsteil ver­ tauscht.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht gemäß Fig. 2, bei der die produktseiti­ ge Gleitringdichtung und Lagerung an einer anderen Stelle des angetriebenen Kupplungsteils positioniert sind.

Die in Fig. 1, 2 und 3 wiedergegebene Darstellung einer permanent-magneti­ schen Zentralkupplung von getrennten Wellen stellt ausschließlich Obenantrie­ be mit vertikaler Welle für Pumpen, Rührwerke oder Armaturen dar.

Der Einfachheit halber wird bezüglich An- und Abtrieb nichts weiter wiederge­ geben, da auch diesbezüglich die Erfindung bekannte Möglichkeiten zuläßt.

Nicht wiedergegeben ist die glockenartige Ringform der Kupplungshälften, da auch diesbezüglich die Erfindung bekannte Wege geht; ebenso wie Magnetdipole einen in sich geschlossenen Ring und mehrere Ringe hintereinander angeordnet das Kupplungsteil bilden.

Die in Fig. 1 wiedergegebene Zentralkupplung ist für ein Rührwerk mit Obenan­ trieb vorgesehen, an dem unten am Antriebswellenanschluß (12) die Rührerwel­ le mit Rührorgan fest angeschraubt wird und im Mediumsbereich (4) läuft. Oben befindet sich der Wellenanschlag (13) für den Antrieb von einem Getrie­ be oder direkt vom Motor, der an die kompakte Kupplungseinheit angeflanscht werden kann.

Mit der Antriebswelle (13) fest verbunden, ist das antreibende Kupplungsteil (1), welches hohlzylindrisch ausgebildet ist und ringförmig die einzelnen Magnete (6) auf nimmt, die einmal innen und außen aufgeklebt oder formschlüs­ sig befestigt sind.

Weiterhin ist im Kupplungsteil (1) ein Loslager (7′) zur Abstützung des Spalttopfes (3) vorhanden. Ein weiteres Lagerpaar (14) lagert die Antriebs­ welle im Kompaktgehäuseteil (15), welches auf dem Rührbehälter fest ver­ schraubt ist.

Über den koaxialen Spalttopf (3), der im Kompaktgehäuseteil (15) fest ver­ schraubt ist, wird das Drehmoment vom antreibenden Kupplungsteil (1) auf das angetriebene glockenförmige Kupplungsteil (2), welches nur mit einem Magnet­ ringzylinder aus Einzelmagneten (6) gebildet ist, übertragen. Dieses glocken­ förmig angetriebene Kupplungsteil (2) trägt ein Loslager (7), welches sich seinerseits über den Spalttopf (3) und dessen Lager (7′) am antreibenden Kupplungsteil (1) abstützen kann. Mit diesem und dem Festlager (16) ist es möglich, Rührkräfte und Gewicht der Rührerwelle über den Antriebswellenan­ schluß (12) vom Kompaktgehäuse (15) aufzunehmen und sicher abzustützen. Es ist deutlich zu erkennen, daß atmosphärenseitig (5) der Spalttopf (3) mit­ tels den Anschlüssen (8) mit einem Medium gekühlt, erwärmt oder die Lagerung (7′) geschmiert werden kann. Mit der Gleitringdichtung (9′) ist dieser Raum (5) zur Umgebung geschlossen und kann Sicherheits- und Meldeeinrichtungen dienen.

Eine begrenzte Menge Öl im Raumbereich (4′) dient der Schmierversorgung des Lagers (7) und kann bei Bedarf durch die Ölnebelschmierwirkung auch das Lager (16) schmieren. Über die Anschlüsse (10) ist es möglich, den mediumsab­ gewandten Raum der Gleitringdichtung (9) zu bespülen und von Schmieröl, Abrieb- und Produktrückständen zu reinigen. Um Blähverformungen bei hohen Drücken des dünnwandigen koaxialen Spalttopfes, welcher aus austenitischem Material besteht, zu vermeiden, können innen wie außen Stützringe (11) ange­ ordnet werden. Dies ist allerdings in den überwiegenden Fällen nicht notwen­ dig, da durch die koaxiale Magnetringanordnung die Spalttopfhöhe gering gehalten werden kann.

Das in Fig. 2 wiedergegebene Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zu Fig. 1 dadurch, daß hier der antreibende Kupplungsteil (1) glockenartig gebildet ist. Die Magnete (6) bilden einen geradzähligen Dipolring, der hier - wie beispielhaft gezeigt - der Treiber (1) ist. Das Loslager (7) der ange­ triebenen koaxialen Kupplungshälfte (2) stützt sich jetzt direkt am Spalt­ topfflansch (3) ab, so daß die Rührerkräfte nicht den dünnwandigen Spalttopf­ mantel belasten. Alle anderen Funktionen wie. Kühlungs-, Erwärmungs- oder Schmierversorgung sind wie in Fig. 1 beschrieben.

Wie deutlich in Fig. 2 zu erkennen ist, kann hier das antreibende Kupplungs­ teil (1) mehrere Erregerwicklungen anstatt der Permanent-Magnete tragen und mittels regelbarem Gleichstrom über Schleifringe die Polpaare antriebsseits (13) versorgen.

Das in Fig. 3 wiedergegebene Beispiel einer Zentralkupplung unterscheidet sich von der Ausführung in Fig. 1 und Fig. 2 dadurch, daß sich hier die Gleitringdichtung nicht am Antriebswellenanschlußstück (12), sondern direkt am angetriebenen Kupplungsteil (2) befindet. Auch ist hier die Rührerwel­ lenlagerung von der Loslagerseite (7) und (7′) vom koaxialen Spalttopfdeckel zu tragen. Dies erfordert eine wesentliche Verstärkung der Spalttopfzylinder­ rohre (3), was wiederum eine Abstandsvergrößerung der Magnete, Wirbelstrom­ verluste und eine Verringerung des zu übertragenden Drehmoments zur Folge hat.

Claims (6)

1. Permanent-magnetische Zentralkupplung von getrennten Wellen für eine Pum­ pe, ein Rührwerk oder eine Armatur, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kupplungsteil, antreibend (1) oder angetrieben (2), durch Magnet­ kraft über einen koaxialen, hermetisch dichten Spalttopf (3), der zwei Räume (4; 4′ und 5) voneinander trennt, auf ein zweites Kupplungsteil (2), das sowohl innen wie auch außen mit jeweils gleicher Anzahl von Magnetkörpern (6), wie das erste Kupplungsteil, koaxial um das erste Kupplungsteil (1) angeordnet ist, synchron ein Drehmoment überträgt.

2. Permanent-magnetische Zentralkupplung mit Koaxialspalttopf (3) nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß der koaxiale Spalttopf (3) die Lagerung (7 und 7′) und Schmierversor­ gung der antreibenden (13) und/oder der angetriebenen (12) Welle auf­ nimmt oder Lagerteil ist, um auch zusätzlich ein Anlaufen der Kupplungs­ teile (1 und 2) an den Spalttopfwänden (3) zu verhindern.

3. Permanent-magnetische Zentralkupplung mit Koaxialspalttopf (3) nach An­ sprüchen 1 und 2; dadurch gekennzeichnet, daß der koaxiale Spalttopf (3) von der Atmosphäre her, mit einem Fremdmedi­ um (8) gekühlt, erwärmt oder auch das Lager (7′) geschmiert wird.

4. Permanent-magnetische Zentralkupplung mit Koaxialspalttopf (3) nach An­ sprüchen 1 bis 3; dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen der Topfaufnahme und der angetriebenen (2) und/oder antreibenden (1) Kupplungshälfte, vorzugsweise mittels Gleitringdich­ tung (9 und 9′), vor Verunreinigungen geschützt wird oder bei Einsatz eines Sperrmediums (10) dies hierdurch gegen das Produkt abgedichtet wird.

5. Permanent-magnetische Zentralkupplung mit Koaxialspalttopf (3) nach An­ sprüchen 1 bis 4; dadurch gekennzeichnet, daß bei hohen Mediumsdrücken die antreibende (1) und angetriebene (2) Kupp­ lungshälfte einen oder mehrere schwimmende Stützringe (11), -scheiben oder -lager aufnimmt, um bei dünnwandigen Spalttopfzylindern (3) ein elastisches Ein- oder Ausbeulen und plastische Beulverformung zu verhin­ dern.

6. Permanent-magnetische Zentralkupplung mit Koaxialspalttopf (3) nach Ansprüchen 1 bis 5; dadurch gekennzeichnet, daß das antreibende, einfache, zylindrische Kupplungsteil (1) die gewünsch­ te Magnetkraft mittels Erregerwicklungen durch regelbaren Gleichstrom erzeugt.