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Die
Erfindung betrifft zum Betreiben von Pumpen verwendete Elektromotoren
und insbesondere diejenigen, die zum Betreiben von Pumpen verwendet
werden, die für
Lebensmittel oder medizinische Verwendung vorgesehen sind.
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Die
hygienischen Aspekte von Pumpen für Flüssigkeiten für Lebensmittel
oder für
Arzneimittel in flüssiger
Form müssen
dahingehend sorgfältig
kontrolliert werden, dass die gepumpte Flüssigkeit nicht in Kontakt mit
Fremdkörpern
kommt. Um dieses Erfordernis zu befriedigen, ist bei solchen Pumpen
die Pumpenradwelle nicht mechanisch mit der Motorwelle verbunden,
wobei diese Wellen stattdessen mittels einer elektromagnetischen
Kupplung miteinander verbunden sind.
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Insbesondere
trägt dasjenige
freie Ende der Pumpenradwelle, welches von der Pumpe hervorsteht,
ein Polrad, welches aus Radialfeld-Elektromagneten besteht, deren
Anzahl von Polen von der Art der Anwendung abhängt.
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Das
Polrad ist innerhalb eines Mantels in der Form einer Tasse bzw.
Schale von kreisförmigem Querschnitt positioniert,
welche sich von dem Pumpengehäuse
erstreckt, um eine von der Außenseite isolierte
Kammer zu bilden. Der Mantel weist einen inneren Durchmesser auf,
der wenige Zehntel eines Millimeters größer als der äußere Durchmesser
des Polrads ist, und er ist im wesentlichen aus amagnetischem, rostfreiem
Stahl ausgeführt.
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Außerhalb
des Mantels befindet sich ein äußeres, zweites
Polrad, welches eine Anzahl an Polen aufweist, die gleich der Anzahl
an Polen des ersten inneren Polrads ist.
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Das
zweite Polrad ist mechanisch mit einer Elektromotorwelle auf eine
solche Art und Weise verbunden, dass beim Rotieren der Motorwelle
und somit des äußeren Polrads
dieses durch Induktion das mit dem Pumpenrad verbundene innere Polrad
rotiert.
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Obwohl
die beschriebene Lösung
die Funktion, für
welche sie vorgesehen ist, perfekt erfüllt, weist sie gewisse Nachteile
auf.
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Ein
erster Nachteil ergibt sich aus der gesamten Größe aufgrund der Reihenanordnung
der Pumpe, der elektromagnetischen Kupplung und des elektrischen
Antriebsmotors.
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Ein
zweiter Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, dass wenn der Elektromotor
ein hohes statisches Drehmoment und eine gute Beschleunigung aufweist,
sich das innere Polrad von dem äußeren Polrad
frei macht und sich das Pumpenrad nicht bewegt.
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Um
den ersten Nachteil zu beseitigen, sind Pumpen vorgeschlagen worden,
von welchen eine in der
US 5,197,865 vollständig beschrieben
ist, bei welchen das äußere Polrad
durch den Stator eines Schrittmotors ersetzt ist, welcher eine Anzahl
an Statorpolen aufweist, die unterschiedlich von der Anzahl an Rotorpolen
ist.
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Die
Verwendung eines Schrittmotors macht es erforderlich, Hallsonden
oder ähnliche
Vorrichtungen zu verwenden, um die Position des Rotors relativ zu
dem Statorfeld exakt zu identifizieren, um eine derartige Stromabsorption
zu verhindern, die eine übermäßige Statorerwärmung bewirkt.
Zusätzlich
erfordert die Verwendung eines Schrittmotors die Verwendung eines
teuren und komplizierten Steuersystems, was das Produkt ökonomisch
weniger begehrenswert macht. Es besteht außerdem der Nachteil einer komplizierteren
Konstruktion der Ausrüstung, und
zwar hauptsächlich
aufgrund der Stromleiter für die
Hallsonden, für
welche für
jede Phasenwicklung zwei erforderlich sind, welche zu den zwei Stromleitern
für jede
Phase hinzuzurechnen sind.
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Das
Dokument
EP 610 826 beschreibt
eine Zentrifugalpumpe der Bauart, welche einen Trägerkörper für einen
Permanentmagnet-Synchronmotor mit einem mit dem Rotor verbundenen
Pumpenrad und für
ein Spiralgehäuse,
in welchem das Pumpenrad untergebracht ist, aufweist. Der Körper und
das Spiralgehäuse
bilden ein abgedichtetes Gehäuse, welches
den Rotor und das Pumpenrad in jeweiligen Kammern enthält, wodurch
diese von dem Statorteil des Motors getrennt werden. Der Rotor ist
starr mit einer Welle gekoppelt, welche auf Gleitlagern rotieren,
die durch elastische Halteelemente gehalten sind, welche in der
entsprechenden Kammer verriegelt sind; eines dieser Halteelemente
bildet einen Ring zum Erzeugen einer hydraulischen Dichtung zwischen
den zwei Kammern des Behälters.
Die Zentrifugalpumpe wird mittels einer elektronischen Platine betrieben,
welche dafür
geeignet ist, die einseitig gerichtete Rotation des Rotors eines
Permanentmagnet-Synchronmotors zu erreichen, jedoch nicht, um das
Ausgangsmoment des Elektromotors auf das erforderliche Lastmoment
einzustellen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile innerhalb
des Rahmens einer vernünftigen,
zuverlässigen
und kostengünstigen
Lösung
zu überwinden.
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Die
Erfindung erreicht diese Aufgabe durch das Schaffen eines Motor-Pumpen-Aggregats
wie in Anspruch 1 angegeben, bei welchem der Rotor des Motors mechanisch
mit dem Pumpenrad verbunden ist, während er gleichzeitig mittels
eines Mantels aus amagnetischem Material von dem Stator physikalisch
isoliert ist.
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Insbesondere
weist der außerhalb
des Mantels aus amagnetischem Material positionierte Stator eine
Drehstromwicklung mit einer Anzahl von Polen auf, die gleich der
Anzahl von Polen der Rotorwicklung ist.
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Um
ein hohes statisches Drehmoment zu erreichen, wird die Erfindung
durch eine elektrische Leistungsschaltung bzw. einen Hauptstromkreis
mit Strom versorgt, welche ein System von Drehströmen erzeugt,
deren Frequenz sich von Null beginnend schrittweise erhöht, und
zwar durch das Nachfolgen einer geeigneten Beschleunigungsrampe.
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Die
elektrische Leistungsschaltung wird durch eine Steuerschaltung gesteuert,
welche einen Mikroprozessor aufweist, der in der Lage ist, die in dem
Stator auftretende gegenelektromagnetische Kraft zu messen, und
zwar beginnend von einem Mindestwert, der ungefähr einem Viertel der vorbestimmten
normalen Betriebsdrehzahl entspricht. Insbesondere ist der Mikroprozessor
in der Lage, zu ermitteln, wenn die sich in dem Stator entwickelnde elektromotorische
Kraft durch Null durchgeht und somit die momentane Position des
Motors festzustellen. Auf diese Art und Weise kann die Stromabsorption
des Motors auf der Basis des aufgebrachten Widerstandsmoments gesteuert
werden. Dies ermöglicht,
dass die Stromabsorption dadurch beschränkt wird, dass dem Motor nur
der Strom zugeführt
wird, der zum Betreiben der Last notwendig ist, wodurch eine beschädigende Überhitzung
der elektrischen Schaltkreise vermieden wird.
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In
einer vereinfachten Ausführungsform kann
der Motor der Erfindung statt dessen durch einen üblichen
Wechselrichter mit Energie versorgt werden. In diesem Fall ist der
durch den Motor absorbierte Strom jedoch immer gleich dem Maximalstrom, der
erforderlich ist, um das maximale Drehmoment zu erzeugen.
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Der
Kurvenanstieg des Versorgungsstromdiagramms (Rampe) für den Motor
hängt offensichtlich sowohl
von dem Widerstandsmoment als auch von dem Trägheitsmoment der rotierenden
Massen, wie zum Beispiel dem Rotor und dem Pumpenrad, ab.
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Die
speziellen Eigenschaften der Erfindung sind in den Ansprüchen festgelegt.
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Die
baulichen und funktionellen Eigenschaften der Erfindung werden aus
der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
derselben deutlich, welche mittels eines nicht einschränkenden
Beispiels angegeben und in den beigefügten Figuren dargestellt ist.
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1 ist
ein teilweiser axialer Schnitt durch die Erfindung.
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2 ist
ein Schnitt nach der Linie II-II von 1.
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3 ist
eine schematische Ansicht der durch die Erfindung verwendeten Steuer-
und Leistungsschaltung.
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4 ist
eine detaillierte Ansicht des durch die Erfindung verwendeten Treibers
mit den entsprechenden Bauteilen.
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5 ist
eine schematische Ansicht des durch die Erfindung verwendeten Prozessors.
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Die
Figuren zeigen das Pumpengehäuse 1, von
welchem die Pumpenradwelle 2 hervorsteht, welche das Polrad 3 trägt, welches
den Rotor des elektrischen Antriebsmotors für die Pumpe bildet, wie nachfolgend
deutlich wird.
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Im
Detail ist das Polrad 3 auf der Welle 2 mittels
geeigneter Klebemittel befestigt, es könnte statt dessen jedoch zum
Beispiel mittels einer üblichen Passfeder
mechanisch verbunden sein.
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Außerhalb
des Polrads 3 ist der Mantel 4 vorgesehen, welcher
mittels Schrauben 5 mit dem Pumpengehäuse 1 befestigt ist,
um eine abgedichtete Kammer zu bilden.
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Die
Wände des
Mantels 4 weisen eine Dicke von wenigen Zehnteln eines
Millimeters auf und sind aus amagnetischem, rostfreiem Stahl ausgebildet.
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Der
Stator, der aus dem üblichen
Kern 60 besteht, der die Windung 7 trägt, ist
außerhalb
des Mantels 4 angeordnet. Der Stator 6 weist dieselbe Anzahl
von Polpaaren wie der Rotor auf und ist auf eine solche Art und
Weise gebildet, dass die durchschnittliche Induktion an dem Luftspalt
aufgrund des von der Windung 7 absorbierten Magnetisierungsstroms
ungefähr
gleich oder größer als
derjenige des Polrads 3 ist. Falls das Polrad aus Ferrit
bzw. Eisenoxid besteht, muss die durchschnittliche Induktion an dem
Luftspalt in der Größenordnung
von 0,3 Tesla liegen, wohingegen die durchschnittliche Induktion an
dem Luftspalt in der Größenordnung
von 0,8 bis 1 Tesla liegen muss, wenn das Polrad aus seltenem Erdmaterial
besteht.
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Damit
der Rotor mit den Polen des rotierenden Magnetfelds des Stators 6 gekoppelt
bleibt, wird dieser durch einen in den 3, 4 und 5 dargestellte
Leistungs- und Steuerschaltung 10 mit Energie versorgt.
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3 zeigt
die Schaltung 10, welche eine Leistungsschaltung bzw. einen
Hauptstromkreis 11 und eine Steuerschaltung 12 aufweist.
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Die
Leistungsschaltung 11 weist einen Brückengleichrichter 120 auf,
der mit der einphasigen Wechselstrom-Netzversorgung und stromabwärts mit
einem Siebkondensator 13 verbunden ist. Stromabwärts des
Siebkondensators 13 ist eine Einrichtung zum Zuführen von
Strom zu dem Stator vorgesehen, welche in dem dargestellten Beispiel
drei übliche,
identische Treiber 14 des Typs LM6386, hergestellt von
SGS Thompson, aufweist.
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Einer
der Motorversorgungsanschlüsse
R, S, T ist mit jedem der Treiber 14 verbunden, wobei zwischen
jedem der Anschlüsse
R, S und T und jedem der Treiber 14 eine übliche IGBT-Brücke 15 (SGS Thompson)
angeordnet ist.
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4 ist
eine detaillierte Ansicht der Treiber 14 und der IGBT-Brücken 15 mit
ihren jeweiligen bekannten Betriebsschaltkreisen, welche von dem
Hersteller dieser Bauteile geliefert wird. Die Treiber 14 sind
mit Komparaturen versehen, welche einen Schutz gegen Kurzschlüsse, einen
Schutz gegen Temperaturerhöhung
und eine Begrenzung des zugeführten
Stroms auf der Basis des Widerstandsmoments bietet.
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Die
Treiber 14 werden von einem Mikroprozessor 100 vom
Typ ST72141, hergestellt von SGS Thompson, gesteuert, welcher durch
dieselbe einphasige Versorgung, welche die Leistungsschaltung 11 versorgt, über einen
220/12 V-Transformator 16 mit zwei VA Leistung mit Energie
versorgt, dessen Sekundärteil
mit einem üblichen
Diodengleichrichter 17 verbunden ist, stromabwärts von
welchem ein Siebkondensator 18 vorgesehen ist, mit welchem
die Stromversorgungseinheit 19 des Mikroprozessors 100 verbunden
ist. Die Stromversorgungseinheit 90 ist vom Typ 78L05,
hergestellt von SGS Thompson.
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Der
Mikroprozessor 100 ist mit den Treibern 14 über die
Ausgänge
LINZ, LIN2, LIN3 und die Eingänge
HINZ, HIN2, HIN3 und mit den Anschlüssen R, S, T des Drehstrom-Elektromotors über die 20, 21, 22 verbunden,
durch welche der Mikroprozessor 100 in der Lage ist, die
in dem Drehstrom-Stator des Elektromotors entstehende gegenelektromotorische
Kraft zu messen und somit den durch den Elektromotor absorbierten
Strom auf der Basis der vorbestimmten Motordrehzahl zu regulieren.
Es sollte festgehalten werden, dass die gegenelektromotorische Kraft
von der Rotordrehzahl abhängt.
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Der
Mikroprozessor 100 ist in 5 im Detail dargestellt,
woraus ersichtlich ist, dass durch den Benutzer über die Anschlüsse 101, 102, 103 und 104 vier
vorbestimmte Drehzahlen vorgewählt
werden können.
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Die
Erfindung wird auf die folgende Art und Weise betrieben.
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Der
von der Kraftstromleitung absorbierte Strom ist gleich dem maximal
zulässigen
Strom, bis die in dem Stator auftretende gegenelektromotorische
Kraft einen Minimalwert einnimmt, um durch den Mikroprozessor 100 gemessen
werden zu können.
Bei der Verwendung des Mikroprozessors des Typs ST72141, hergestellt
von SGS Thompson, beträgt
dieser Minimalwert 40 V.
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Wenn
der Mikroprozessor in der Lage ist, diese gegenelektromotorische
Kraft zu messen, ist er auch in der Lage, seine Nulldurchgänge und
somit die Momentanposi tion des Rotors zu identifizieren, welcher
immer in Phase mit der gegenelektromotorischen Kraft ist. Von diesem
Moment, in welchem der Mikroprozessor 100 die minimale
gegenelektromotorische Kraft misst, ist der durch den Motor absorbierte Strom
nicht mehr der maximal zulässige
Strom, sondern wird zu einer Funktion des Widerstandsmoments, und
zwar dadurch, dass der Mikroprozessor die Energie zu den Treibern 14 auf
der Basis des momentan gemessenen Werts der elektromotorischen Gegenkraft
steuert, um jeden der Treiber 14 abwechselnd für eine vorbestimmte
Zeitdauer zu betreiben. Auf diese Art und Weise wird eine Steuerung
des Motorstrom erreicht.
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Die
Erfindung kann statt dessen auf einfache Weise durch einen üblichen
Wechselrichter, der nicht dargestellt ist, wie zum Beispiel vom
Typ ALTIVA 08, hergestellt von TELEMECHANIQUE, betrieben werden.
Obwohl das Betreiben mittels eines Wechselrichters es ermöglicht,
dass die Erfindung ordnungsgemäß betrieben
wird, ermöglicht
es nicht, dass der durch den Motor absorbierte Strom gesteuert wird, wodurch
diese Lösung
nur für
diejenigen Anwendungen geeignet ist, bei welchen die Kosten besonders niedrig
gehalten werden müssen
und bei welchen die Steuerung des Stroms des Elektromotors nicht
erforderlich ist.
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Es
sollte festgehalten werden, dass bei denjenigen Anwendungen, bei
welchen der Wechselrichter verwendet wird, der Kurvenanstieg der
Beschleunigungsrampe, mit welcher der Motor betrieben wird, sowohl
von dem Träg heitsmoment
des Rotors als auch von dem Widerstandsmoment der Belastung abhängt.