DE4424257C2 - Zentrifugalpumpe hoher Leistung mit Einphasensynchronmotorantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifugalpumpe hoher Leistung mit Einphasensynchronmotorantrieb mit einem zweipoligen dauermagnetisch erregten Rotor zum vorzugsweisen Einsatz in Spülmaschinen.

In Spülmaschinen werden normalerweise Pumpen mit Asynchronmotoren als Antrieb eingesetzt. Diese Motoren benötigen zum Anlauf einen Kondensator und sind daher in der Fertigung teuer, außerdem ist ihr Wirkungsgrad niedrig. Bekannte einphasige, 2-polige Synchronmotoren mit Permanentmagnetrotor sind einfacher aufgebaut, sie besitzen jedoch nur ein sehr kleines Drehmoment aus der Ruhelage. Die bekannten Einphasen-Synchronmotoren mit herkömmlichen Blechschnitten des Statorpakets laufen bei höheren Leistungen nicht mehr an und es tritt eine Entmagnetisierung der Rotormagnete ein. Wenn ein solcher Motor als Antrieb für eine Pumpe eingesetzt werden soll, reicht das Drehmoment des Motors zum sicheren Anlaufen nicht aus. Mit größer werdenden Massenträgheiten der zu beschleunigenden Teile, wie Rotor, Pumpenrad und Wasserlast wird der Motoranlauf immer schwieriger. Man hat daher versucht, eine Entkopplung der Massenträgheiten des Antriebs und der Pumpe durch Anlaufkupplungen zu erreichen.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 40 24 194 A1 wird ein Synchronmotor zum Antrieb einer Pumpe beschrieben, der mit einer Anlaufhilfe in Form einer Rutschkupplung ausgestattet ist. Diese Rutschkupplung umfaßt eine fest auf einer Antriebsachse montierte Nocke mit einem Anschlag, der beim Drehen gegen einen Anschlag eines Kreiselrades stößt. Um entstehende Vibrationen und Rückpralleffekte beim Zusammenstoßen von Nockenanschlag und Kreiselanschlag etwas zu dämpfen, wird ein O-Ring eingesetzt, dessen Anpreßstärke den Kupplungsgrad oder Dämpfungsgrad bestimmt. Bei Synchronmotoren kleiner Leistung (< 30 Watt) kann eine derartige Rutschkupplung genügen. Bei größeren Leistungen hingegen ist auch bei einer entsprechend größeren Dimensionierung wegen der großen Geräuschentwicklung beim Anschlag der Kupplung und der dabei auftretenden hohen Materialbelastungen eine solche Kupplung im Allgemeinen nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine von einem Einphasensynchronmotor betriebene Zentrifugalpumpe mit Rutschkupplung bereitzustellen, mit welcher ein Anlauf des Synchronmotors auch bei vergleichsweise größeren Leistungen möglich ist, ohne daß Pumpenbestandteile einem zerstörerischen Verschleiß unterworfen werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zentrifugalpumpe angegeben.

Die Erfindung geht von einer Zentrifugalpumpe mit einem Pumpenrad aus, das über eine Rutschkupplung und eine Antriebsachse durch einen Einphasensynchronmotor angetrieben wird. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, daß die Rutschkupplung eine auf der Antriebsachse formschlüssig angeordnete Mitnahmescheibe und ein Kupplungsstück umfaßt, das einen Anschlag für die Mitnahmescheibe und auf der dem Pumpenrad zugewandten Seite Vorsprünge besitzt. Die Vorsprünge des Kupplungsstückes greifen dabei in Aussparungen des Pumpenrades ein und lassen einen Freilaufwinkel A zu, wobei zwischen der Mitnahmescheibe und dem Anschlag des Kupplungsstücks ein größerer Freilaufwinkel B besteht und wobei das Kupplungsstück reibschlüssig mit der Antriebsachse verbunden ist. Diese Vorgehensweise ermöglicht bei kleiner Materialbeanspruchung eine wirksame Entkopplung der Trägheitsmomente der Massen der Pumpenseite vom Trägheitsmoment des Rotors. Aufgrund dessen kann der Synchronmotor sicher anlaufen, ohne daß dabei ein zerstörerischer Verschleiß auftritt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfaßt die reibschlüssige Verbindung eine Druckfeder, eine Druckscheibe und zwei Reibscheiben, zwischen welchen das Kupplungsstück reibschlüssig eingespannt ist.

Eine weitere Verbesserung der Zentrifugalpumpe kann dadurch erzielt werden, daß die Aussparungen des Pumpenrades, in welche die Vorsprünge des Kupplungsstücks eingreifen, mit Dämpfungspuffern aus Elastomeren versehen sind. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Kupplung mit einer Abdeckung versehen ist und der Innenraum mit einem viskosen Medium gefüllt ist. Durch diese Maßnahmen wird ein sehr ruhiger Gleichlauf der Pumpe bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad erreicht, da die motorspezifischen Spitzendrehmomente gut geglättet werden.

Schließlich ist es besonders vorteilhaft, wenn das Pumpenrad aus einem Laufrad und einem Nabendeckel besteht, wobei der Nabendeckel auf der Antriebsachse beweglich ist, jedoch derart ausgestaltet ist, daß während des Pumpenlaufs aufgrund der in der Pumpe sich ausbildenden Druck- und Strömungsverhältnisse der Nabendeckel an das Laufrad gesaugt wird, so daß nach dem Anlauf der Pumpe der Nabendeckel und das Laufrad eine Einheit bilden. Durch ein Aufteilen des Pumpenrads in ein Laufrad und einen axial frei beweglichen Nabendeckel muß im Anlauf nur das Laufrad mit den Schaufeln beschleunigt werden. Da das Laufrad im Wasser anläuft, kommt zum Trägheitsmoment der mechanischen Teile das des Wassers hinzu. Durch das axiale Spiel des Nabendeckels ist das Laufrad im Anlauf halb offen, so daß Wasser quer über die Laufschaufeln übertreten bzw. ausweichen kann und somit die Wasserlast während der Beschleunigungsphase vermindert wird. Der gute Wirkungsgrad der Pumpe wird nach dem Anpressen des Nabendeckels durch die sich bildende Druckdifferenz zwischen der Saug- und Druckseite erzielt.

Der Stator des Motors ist bei der Erfindung nicht in der konventionellen U-Form, sondern in Form eines Ringes oder Rahmens gestaltet, in dem die Pole zum Rotor hinzeigen. Die Pole sind in einer Lage zwischen radial und tangential zum Rotor angeordnet. Der Luftspalt wird vorzugsweise nicht konstant, sondern sichelförmig oder in Form von zwei aneinandergereihten, jeweils konstanten aber unterschiedlich weiten Luftspalten ausgeführt. Die Spulen sind auf den Polen nahe dem Luftspalt angeordnet. Die Form des Stators und die Anordnung der Spulen führt zu einer besonders streuarmen Ausführung des Motors. Dies ist erforderlich, um in dem angestrebten Leistungsbereich einen Anlauf ohne Entmagnetisierungserscheinungen zu ermöglichen und den Wirkungsgrad im Stationärbetrieb hoch zu halten. Die Form des Fensterquerschnitts ist so gestaltet, daß dadurch eine optimale Induktivität erzielt wird, da unter anderem damit die Entmagnetisierungsgrenze zu größeren Leistungen verschoben werden kann. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die Rotorwelle aus einem ferritischen Material, insbesondere ferritischen Edelstahl, zu fertigen. Gegenüber einem unmagnetischen (austenitischen) Material konnte eine Wirkungsgradverbesserung von 5-10% erreicht werden.

Die Ausgestaltung des Luftspaltes und die Anordnung der Statorpole und Spulen erzeugt zwischen dem Nulldurchgang des unbestromten (Rast-) Moments und dem Anteil, der aus der Bestromung herrührt, einen Differenzwinkel. Damit ist es möglich, beim Anfahren aus dem Stillstand ein Drehmoment zu erzeugen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben.

Fig. 1 zeigt im oberen Teil schematisch den Aufbau einer möglichen Ausführungsform der Erfindung. In den beiden unteren Bildteilen sind zum besseren Verständnis die Kupplungsteile und das Laufrad auseinandergezogen dargestellt.

Ein Einphasensynchronmotor 1 treibt über ein Kupplungssystem 3 die Pumpe 2 an. Der Motor ist als Naßläufer ausgeführt, der Rotor 17 dreht in einem Spaltrohr 18, das eine Trennung des Statorpakets 19 und der beiden Magnetspulen 24, 24' vom Rotor 17 bewirkt. Der Rotor besteht im vorliegenden Fall aus zwei Rotorhalbschalen 20, 20' aus permanentmagnetischem Material und wird mittels der Achse 4 in zwei Gleitlagern 21, 21' geführt.

Die Kraftübertragung erfolgt von der Motorachse 4 über das Kupplungssystem 3, bestehend aus einer Mitnahmescheibe 14, die formschlüssig auf der Achse 4 sitzt, einem Sicherungsring 5 und einem zwischen einer Druckscheibe 7 und zwei Reibscheiben 8, 30 über eine Druckfeder 6 eingespannten Kupplungsstück 9. Das Kupplungsstück 9 greift seinerseits über z. B. stiftförmige Zinken 10, 10' in korrespondierende Aussparungen 11, 11' des Laufrades 12, in welchen sich je zwei Dämpfungspuffer 18, 18' aus Elastomeren befinden. Zwischen den Dämpfungspuffern 18, 18' und den Zinken 10 bzw. 10' besteht ein Spiel, der sogenannte Freilaufwinkel "A". Dieser Freilaufwinkel "A" stellt sicher, daß der Rotor trotz der großen Trägheitsmasse von Pumpenrad und Wasser anschwingt. Weiter trägt das Kupplungsstück 9 auf der dem Motor zugewandten Seite eine Reibscheibe 30 und ein Anschlagstück 13, welche mit der fest auf der Motorachse 4 sitzenden Mitnahmescheibe 14 eine Reibkupplung mit einem größeren, aber begrenzten Freilaufwinkel "B" bildet. Die im oben beschriebenen Freilaufwinkel "A" zwischen Kupplungsstück 9 und Laufrad 12 entstehenden Rotor-Drehmomente reichen nicht aus, den Motor sofort zu starten, aber sie reichen aus, die Reibkupplung mit der beschriebenen Wegbegrenzung des Freilaufwinkels "B" durchzudrehen. Während dieses Vorgangs wird das Laufrad 12 über das Reibmoment soweit beschleunigt, daß der Anschlag sanft erfolgt. Beim Abschalten des Motors ist das Reibmoment zwischen Kupplungsstück 9 und den Reibscheiben 8 und 30 ausreichend groß, damit das Anschlagstück 13 am Anschlag der Mitnahmescheiben 14 bleibt, so daß beim nächsten Anlauf wieder der volle Reibweg zurückgelegt wird, jedoch in die andere Richtung wie beim vorigen Mal. Die gesamte Kupplung ist mit einer Abdeckhaube 15 verschlossen und, hier nicht sichtbar, zur Geräusch- und Schwingungsdämpfung mit einem viskosen Medium, z. B. Schmierfett, gefüllt. Das Pumpenrad der Pumpe ist zweiteilig und besteht aus einem Laufrad 12 und einem Nabendeckel 16. Der Nabendeckel 16 ist auf der Achse 4 frei beweglich. Während des Anlaufes der Pumpe wird nur das Laufrad 12 über die Kupplung 3 mit Motor 1 angetrieben. Dadurch muß der Motor nur die Massenträgheit des Laufrads 12 überwinden. Die Massenträgheit des Wassers im Ansaugbereich 22 und auf den Druckseiten 23, 23' wird beim Anlauf nur gering wirksam, da das Laufrad 12 allein nur eine geringe Pumpleistung erbringt. Während des Pumpenanlaufs bilden sich dann in der Pumpe 2 Druck- und Strömungsverhältnisse aus, die bewirken, daß der Nabendeckel 16 an das Laufrad 12 angesaugt wird. Mit zunehmender Annäherung des Nabendeckels 16 an das Laufrad verbessern sich die Pumpeigenschaften, was letztendlich zur Bildung eines quasi einteiligen Pumpenrads führt. Die Schaufeln 25 des Laufrads 12 greifen mit kleiner werdendem Durchmesser weit in den Ansaugbereich 22 hinein.

Der Anlaufvorgang der Pumpe kann wie folgt beschrieben werden. Wird der Motor vom Stillstand her eingeschaltet, fließt ein Anfangsstrom, der vom Einschaltaugenblick und der Motorimpedanz bestimmt wird. Dieser Strom erzeugt ein kleines Drehmoment mit einer Drehrichtung, die vom Einschaltzeitpunkt und der jeweiligen Rotorstellung abhängt. Durch den Betrieb mit Wechselspannung wird der Rotor innerhalb des Freilaufwinkels "A" in Schwingung versetzt. Der dabei auftretende Anschlagstoß reicht nicht aus, das Pumpenrad direkt anzutreiben, aber bei richtiger Drehrichtung reicht er aus, die Haftreibung zu überwinden, und die Reibkupplung mit Hilfe des Motordrehmoments bis zum anderen Anschlag zwischen Kupplungsstück und Mitnahmescheibe durchzudrehen. Während dieser Relativbewegung zwischen Kupplungsstück und Mitnahmescheibe wird das Pumpenrad über die Reibkraft beschleunigt und erfährt bis zum Erreichen der formschlüssigen Mitnahme zwischen Kupplungsstück und Mitnahmescheibe nahezu die Synchrondrehzahl, so daß der zu erwartende Anschlagstoß minimal wird. Aufgrund der sich bildenden Störmungsverhältnisse wird der Nabendeckel an das Laufrad gedrückt, der Anlaufvorgang ist abgeschlossen. Im stationären Betrieb entwickelt ein Einphasensynchronmotor ein pulsierendes Drehmoment, das zu Drehschwingungen anregt und im Pumpenrad eine instationäre Strömung verursachen kann. Die Elastizitäten des Kupplungssystems bewirken eine Entkopplung der Drehschwingungen des Motors vom Pumpenrad; durch das Energieabsorptionsvermögen des Elastomers und der Fettfüllung wird eine Drehdämpfung erzielt, die auch die Drehschwingungen des Motors bedämpfen und deren Einfluß auf den Motorwirkungsgrad reduzieren.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Optimierung des Stators sind aus Fig. 2 ersichtlich, wobei der obere Bildteil das Feldbild einer konventionellen U-förmigen Statorform 40 und der untere das Feldlinienbild der erfindungsgemäßen Statorform 50, hier mit versetzt angeordneten Polschuhen 51, 52 zeigt. Bei beiden Figuren ist der Fluß zwischen den Feldlinien 41 gleich. Die Stirnfelder können bei der zweidimensionalen Betrachtung nicht gezeigt werden, obwohl sie ebenfalls einen gewichtigen Beitrag zu den Unterschieden zwischen den beiden Formen liefern. Die mit den Spulen verknüpften Streuflußllinien führen bei dem Stator nach Fig. 2 unten zu einer wesentlich kleineren Streuinduktivität als bei dem konventionellen Stator nach Fig. 2 oben.

Claims (5)

1. Zentrifugalpumpe mit einem Pumpenrad (12, 16), das über eine Rutschkupplung (3) und eine Antriebsachse (4) durch einen Einphasensynchronmotor (1) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rutschkupplung (3) eine auf der Antriebsachse (4) formschlüssig angeordnete Mitnahmescheibe (14) und ein Kupplungsstück (9) umfaßt, das einen Anschlag (13) für die Mitnahmescheibe (14) und auf der dem Pumpenrad (12, 16) zugewandten Seite Vorsprünge (10, 10') besitzt, wobei die Vorsprünge (10, 10') des Kupplungsstücks (9) in Aussparungen (11, 11') des Pumpenrades (12, 16) eingreifen, und dabei einen Freilaufwinkel A zulassen, wobei zwischen der Mitnahmescheibe (14) und dem Anschlag (13) des Kupplungsstücks (9) ein größerer Freilaufwinkel B besteht und wobei das Kupplungsstück reibschlüssig mit der Antriebsachse (4) verbunden ist.

2. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reibschlüssige Verbindung eine Druckfeder (6), eine Druckscheibe (7) und zwei Reibscheiben (8, 30) umfaßt, zwischen welchen das Kupplungsstück (9) reibschlüssig eingespannt ist.

3. Zentrifugalpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (11, 11') des Pumpenrades (12), in welche die Vorsprünge (10, 10') des Kupplungsstücks (9) eingreifen, mit Dämpfungspuffern aus Elastomeren versehen sind.

4. Zentrifugalpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung mit einer Abdeckung (15) versehen ist und der Innenraum mit einem viskosen Medium gefüllt ist.

5. Zentrifugalpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpenrad (12, 16) aus einem Laufrad (12) und einem Nabendeckel (16) besteht, wobei der Nabendeckel (16) auf der Antriebsachse (4) beweglich ist, jedoch derart ausgestaltet ist, daß während des Pumpenanlaufs aufgrund der in der Pumpe (2) sich ausbildenden Druck- und Strömungsverhältnisse der Nabendeckel (16) an das Laufrad (12) gesaugt wird, so daß nach dem Anlauf der Pumpe der Nabendeckel (16) und das Laufrad (12) eine Einheit bilden.