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Die
vorliegende Anmeldung betrifft die Antriebssysteme von umlaufenden
Maschinen und insbesondere von Zentrifugen.
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Die
Zentrifugen werden normalerweise verwendet bei Prozessen zur Trennung
einer Flüssigkeit und
eines Feststoffes unterschiedlicher Dichte, zur Reinigung einer
Flüssigkeit,
zur Klassifizierung verschiedener in einer Flüssigkeit suspendierter Festkörper, zur
Dehydratisierung eines Festkörpers
usw.
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Im
allgemeinen weisen die Zentrifugen eine Umhüllung auf, die Mantel genannt
wird, in welche das Fest-Flüssig-Gemisch
eingebracht wird, sowie eine Förderschnecke,
die in dem Mantel axial verläuft.
Der Mantel und die Förderschnecke
werden mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten in Drehung
versetzt, um die zuvor genannten Vorgänge zu bewirken.
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In
den herkömmlichen
Zentrifugen kann der Mantel über
einen Riemen von einem elektrischen Asynchronmotor in Rotation versetzt
werden, während
die Förderschnecke
mit Hilfe eines zweiten Motors angetrieben wird, der mit einem Drehzahlminderer
gekoppelt ist. Die beiden Motoren sind im allgemeinen mit Hilfe
von verschiedenen wohlbekannten Mitteln frequenzgekoppelt.
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Das
Vorhandensein eines Riemens verursacht bei derartigen Zentrifugen
jedoch Vibrationen und Verschiebungen in Bezug auf die Kontakte
zwischen dem Riemen und den Antriebswellen, während der Platzbedarf und das
Gewicht derartiger Systeme beträchtlich
sein können.
Die elektrischen Asynchronmotoren unterliegen ferner Frequenzverschiebungen.
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Bei
bestimmten Anwendungen ist es ferner wünschenswert, Zentrifugen mit
großer
Länge und geringen
Durchmessers zu verwenden. Ein Nachteil derartiger Strukturen ist
der Durchbiegungseffekt, der bei der Vorrichtung auftreten kann.
Dieser Durchbiegungseffekt wird besonders verstärkt durch die Rotationsgeschwindigkeit
sowie durch das Vorhandensein von Riemen zwischen den treibenden
Wellen und den angetriebenen Wellen, wobei diese Riemen auf die
umlaufenden Wellen eine zu diesen senkrechte Kraft ausüben. Die
Riemen sind folglich ein Hindernis für das Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit
der Zentrifugen.
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Das
Dokument
US 4 120 447 schlägt vor,
bei einer Zentrifuge zwei Antriebsmotoren vorzusehen, und zwar für den Mantel
und die Schnecke, die auf der gleichen Seite der Zentrifuge angeordnet
sind, und deren die Antriebsachsen mit der Rotationsachse des Mantels
zusammenfallen. Der oben erwähnte Durchbiegungseffekt
wird auch reduziert. Jedoch sind die beiden Motoren in dieser Zentrifuge
hintereinander in einem Gehäuse
angeordnet; infolge dessen gibt es einen Überhang-Effekt, der nachteilig
in Bezug auf Vibrationen der Zentrifuge ist und der es nicht erlaubt,
das Problem der Durchbiegung vollständig zu lösen. Der Platzbedarf der Vorrichtung
ist im übrigen
ziemlich beträchtlich.
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Die
vorliegende Erfindung dient dazu, die oben angegebenen Nachteile
zu beheben.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung zunächst eine Zentrifuge, wie sie
in Anspruch 1 definiert ist.
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Wie
bereits weiter oben angesprochen wurde, will die Anmelderin den
Schutzbereich ihrer Rechte soweit nicht auf eine Zentrifuge mit
einem Mantel und einer Förderschnecke
beschränken.
Der Mantel ist eine Umhüllung
und die Förderschnecke eine
mit einem Außengewinde
versehene Welle, und die vorliegende Anmeldung betrifft ganz allgemein eine
umlaufende Maschine mit einer Umhüllung und einer Welle, die
koaxial drehbar ineinander montiert sind, einem ersten Antriebsmotor
für die
Umhüllung, einem
zweiten Antriebsmotor für
die Welle, wobei die Maschine dadurch gekennzeichnet ist, daß die Achsen
der Motoren und die Drehachse der Umhüllung und der welle zusammenfallen.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Zentrifuge
besser verständlich,
wobei auf die beigefügte
Zeichnung Bezug genommen wird, in der:
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1 eine
teilweise geschnittene Profilansicht mit weggebrochenen einer ersten
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zentrifuge
zeigt;
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2 eine
geschnittene schematische Strukturdarstellung der Motoren, der Wellen
des Mantels und der Schnecke und des Reduktionsgetriebes gemäß einer
Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Zentrifuge
zeigt;
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3 eine
teilweise geschnittene Profilansicht einer dritten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zentrifuge
zeigt;
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4 eine
teilweise geschnittene Profilansicht einer vierten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zentrifuge
zeigt und
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5 eine
teilweise geschnittene Profilansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentrifuge
zeigt.
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Es
wird auf 1 Bezug genommen. Die erfindungsgemäße Zentrifuge 1 weist
eine Mantel genannte Umhüllung 2 und
eine Förderschnecke 3 auf, die
eine in der anderen um eine Achse 4 drehbar montiert sind.
Folglich erstreckt sich die Schnecke 3 im Inneren des Mantels 2 in
axialer Richtung 4. Der erfindungsgemäße Mantel 2 weist
global eine Rotationssymmetrie bezüglich der Achse 4 auf.
Strukturell weist er einen im wesentlichen zylinderförmigen Schaft 5 und
ein im wesentlichen kegelstumpfförmiges
Kopfteil 6 auf. Die Schnecke 3 hat die Form einer zylindrischen
Welle 7, die mit einem schraubenförmigen Außengewinde 8 um die
Welle 7 herum versehen ist. Die Zentrifuge 1 ist
auf einer Sohlplatte 9 montiert.
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Hinter
dem Mantel 2, d. h. an der Basis seines Schafts 5,
entgegengesetzt zum Kopfteil 6, erstreckt sich eine Hohlwelle 10 zum
Antrieb des Mantels 2, die fest mit Letzterem verbunden
ist. Diese Welle 10 wird von einem Motor 20 um
die Achse 4 herum in Rotation versetzt.
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Im
Innern der Welle 10 und konzentrisch zu Letzterer verläuft eine
Welle 11 zum Antrieb der Schnecke 3. Diese Welle 11 wird
von einem Motor 30 um die Achse 4 herum in Rotation
versetzt.
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Ein
festes Lager 12 trägt
die Welle 10 auf der Seite des Schafts 5 des Mantels 2.
Auf der Seite des Kopfteils 6 des Mantels 2 trägt ein Lager 13 eine
Welle 10',
die auch mit dem Mantel 2 fest verbunden, aber hier schwimmend
gelagert ist, um eine mögliche Längenausdehnung
des Mantels 2 bspw. aufgrund eines Temperaturanstiegs zu
kompensieren. Man könnte
natürlich
die Anordnung der Lager vertauschen.
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Die
beiden Antriebsmotoren 20, 30 für den Mantel 2 bzw.
die Schnecke 3 sind in demselben Gehäuse 50 eingebaut.
Diese Konfiguration ist möglich, da
die Antriebsmotoren 20, 30 hier Motoren ohne treibende
Welle sind und es die ringförmige
Form ihres Rotors ermöglicht,
dort direkt die angetriebene Welle einer der beiden Drehteile einzuführen, folglich
insbesondere die beiden Motoren, hintereinander anzuordnen, wobei
die Wellen der beiden Drehteile konzentrisch ausgerichtet sind.
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Im
folgenden wird der Aufbau der in der erfindungsgemäßen Zentrifuge
verwendeten Antriebsmotoren 20, 30 detaillierter
erläutert,
wobei auf 2 Bezug genommen wird.
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Die
Antriebsmotoren 20, 30 sind hier Synchronmotoren
mit Permanentmagneten. So besitzt jeder Motor 20, 30 einen
ringförmigen
Rotor 21 bzw. 31 auf dem Permanentmagneten 22 bzw. 32 fest montiert
sind. Um die Magneten sind Wicklungen 23 bzw. 33 angeordnet,
in denen ein Gleichstrom fließt: Das
Induktionsphänomen
erzeugt dann eine Rotation der Magneten 22, 32 und
folglich der Rotoren 21, 31. Die Wicklungen 23, 33 sind
an dem gleichen Gehäuse 50 befestigt.
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Zwei äquivalente
Ausbildungsarten für
das die Motoren 20, 30 enthaltende Gehäuse 50 sind
erkennbar. Es wird auf 1 Bezug genommen. Es kann sein,
daß sich
die Wicklungen 23, 33 nicht im gleichen radialen
Abstand von der Achse 4 befinden, wobei in diesem Fall
das Gehäuse 50 an
den zwischen den Wicklungen 23 und 33 bestehenden
Unterschied angepasst ist, aber weiterhin verwendet wird als einzige
Umhüllung.
Es wird auf 2 Bezug genommen. Die Rotoren 21, 31 können derart
dimensioniert sein, daß die
jeweiligen Peripherien der Perma nentmagneten 22, 32 in
dem gleichen radialen Abstand zur Achse 4 angeordnet sind,
wobei dies bei Verwendung von Wicklungen 23, 33 mit
gleicher radialer Dicke die Verwendung eines Gehäuses 50 ermöglicht,
das über
seine beiden Wicklungen 23, 33 tragende Gesamtlänge zylindrisch
ist. Diese Konfigurationen wurden nur beispielhaft genannt, und
es ist selbstverständlich,
daß man
sich eine ganz andere Konfigurationsart vorstellen kann, in welcher
die Motoren 20, 30 ausgerichtet sind und von demselben Gehäuse 50 getragen
werden.
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Die
Antriebswelle 10 des Mantels 2 ist direkt im Rotor 21 des
Antriebsmotors 20 des Mantels 2 angeschlossen.
Die Antriebswelle 11 der Schnecke 3 ist in den
Rotor 31 des Antriebsmotors 30 der Schnecke 3 angeschlossen.
Der Antriebsmotor 30 der Schnecke 3 ist in Bezug
auf die Zentrifuge 1 hinter dem Antriebsmotor 20 des
Mantels 2 angeordnet. So verläuft die Antriebswelle 11 der
Schnecke 3 konzentrisch im Innenraum der Antriebshohlwelle 10 des
Mantels 2.
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Zwischen
dem Mantel und der Schnecke einerseits und ihren Antriebswellen
10,
11 andererseits ist
ein Reduktionsgetriebe
40 angeordnet. Dieses Reduktionsgetriebe
40 besteht
hier aus einem Außenring
41,
einem Eintritts „punkt"
43 für eine Welle, einem
nicht dargestellten Getriebemechanismus, hier einem Zykloid oder
einem Umlaufgetriebe, das insbesondere aus Exzenterscheiben, Planetenrädern und
Rollen besteht, und einer Austrittswelle
42. Diese Art
von Reduktionsgetriebe ist wohlbekannt und wird normalerweise in
den klassischen Zentrifugen verwendet. Daher wird sein Aufbau hier
nicht weiter beschrieben, und man kann für weitere Einzelheiten des
Aufbaus dieser Art von Reduktionsgetriebe auf das Patent
FR 1 090 292 Bezug nehmen.
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Die
Antriebswelle 10 des Mantels 2 ist einerseits
direkt an den Rotor 21 des Antriebsmotors 20 für den Mantel 2 angeschlossen
und andererseits an dem Außenring 41 des
Reduktionsgetriebes 40 befestigt. Die Antriebswelle 11 der
Schnecke 3 ist einerseits an den Rotor 31 des
Antriebsmotors 30 für
die Schnecke 3 angeschlossen, andererseits an den Eintrittspunkt 43 des
Reduktionsgetriebes 40. Der Mantel 2 ist mit dem
Außen ring 41 des
Reduktionsgetriebes 40 fest verbunden und die Schnecke 3 mit
dessen Austrittswelle 42. Es besteht eine Relation zwischen
der Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors 20 für den Mantel 2,
der Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors 30 für die Schnecke 3,
der Drehgeschwindigkeit des Mantels 2, die hier gleich
derjenigen ihres Antriebsmotors 20 ist, der Drehgeschwindigkeit
der Schnecke 3 und schließlich konstanten Parametern,
die von der Geometrie des Reduktionsgetriebes 40 abhängen. Diese
Relation hängt
von dem verwendeten Reduktionsgetriebe ab und erlaubt mit Hilfe
der beiden Antriebsmotoren 20, 30, die Drehgeschwindigkeiten
des Mantels 2 und der Schraube 3 zu regeln.
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Ferner
ist eine Kopplung zwischen den beiden Antriebsmotoren 20, 30 vorgesehen.
Jeder Motor ist mit einem Frequenzwandler verbunden; diese Frequenzumwandler
sind nicht dargestellt. Die Frequenzwandler sind untereinander durch
einen anschließenden
Bus verbunden. Diese Schaltung ermöglicht es, die Motoren untereinander
zu regeln und auf diese Weise die Relativgeschwindigkeiten des Mantels 2 und
der Schnecke 3 zu kontrollieren. Es ist somit möglich, diese
Geschwindigkeiten an den Gebrauchszweck der Zentrifuge 1 anzupassen.
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Die
Gesamtheit der Relationen zwischen den verschiedenen Elementen der
Zentrifuge 1 sind wohlbekannt und wird bereits in den herkömmlichen Zentrifugen
verwendet. Folglich werden sie hier nicht weiter vertieft. Die Erfindung
befaßt
sich mit der Ausrichtung der Motoren 20, 30, die
dadurch möglich
geworden ist, daß antriebswellenlose
Motoren 20, 30 verwendet werden, an welche die
Antriebswellen 10, 11 des Mantels 2 und
der Schnecke 3 angeschlossen sind, die bei dieser Ausführungsform
konzentrisch angeordnet sind. Die Verwendung von Synchronmotoren
mit Permanentmagneten 20, 30 ist hier in vieler Hinsicht
vorteilhaft: Sie erlaubt eine höhere
Kompaktheit der Motoren, eine höhere
Verwendungsflexibilität,
eine größere Genauigkeit
bei deren Geschwindigkeitsmessungen, einen Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten,
höhere
Widerstandsmomente, ... . Diese Vorteile kommen zu denjenigen hinzu,
die mit der Ausrichtung der Antriebsachsen der Motoren 20, 30 mit
der Trägheitsachse
des Mantels 2 und der Schnecke 3 verbunden sind.
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Im
folgenden wird die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Zentrifuge 1 genauer
beschrieben.
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In
einer ersten Startphase wird nur der Antriebsmotor 20 des
Mantels 2 in Bewegung versetzt, um den Mantel 2 in
Drehung zu versetzen. Das erforderliche Moment ist beträchtlich,
da auf einmal die verschiedenen Elemente der Zentrifuge 1,
aber auch die darin enthaltenen Stoffe in Bewegung versetzt werden
müssen.
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In
einer zweiten Phase wird auch der Antriebsmotor 30 der
Schnecke 3 gestartet, um die Schnecke 3 in Drehung
zu versetzen, wobei dies ein zusätzliches
Moment erfordert.
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Wenn
ein stabiler Zustand erreicht ist, kann der Antriebsmotor 30 der
Schnecke 3 als Generator verwendet werden. Die auf diese
Weise in dem Antriebsmotor 30 der Schnecke 3 gespeicherte
Energie wird über
die Frequenzumwandler und den anschließenden Bus zum Antriebsmotor 20 des
Mantels 2 übertragen.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Zentrifuge 1 wird
hier nicht detaillierter beschrieben, da er bei herkömmlichen
Zentrifugen bekannt ist.
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Das
Vorhandensein des Reduktionsgetriebes 40 ist vorteilhaft;
ohne dieses wäre
das Moment auf die Antriebswelle 11 der Schnecke 3 sehr
groß.
In der Tat sind die Reibungskräfte
zwischen der Schnecke 3 und dem Mantel 2 durch
die in der Zentrifuge 1 enthaltene Masse und unter Berücksichtigung
der eingesetzten Geschwindigkeiten sehr groß.
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Andere
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Zentrifuge 1 sind
möglich
und werden nun beschrieben. Ihre Funktionsweise ist in jedem Fall vergleichbar
mit der zuvor beschriebenen, nur die Anordnung der Elemente untereinander
ist geändert. Die
zur Bezeichnung der verschiedenen Elemente verwendeten Bezugszahlen
sind beibehalten, um funktionell oder strukturell identische Elemente
in den verschiedenen Ausführungsformen
zu bezeichnen.
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In
den in den 3, 4 und 5 dargestellten
Ausführungsformen
sind die Motoren 20, 30 genauso wie in der ersten
Ausführungsform
in dem gleichen Gehäuse 50 enthalten.
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In
der in 3 dargestellten Ausführungsform der Zentrifuge 1 ist
das feststehende Lager 12, das bei der ersten Ausführungsform
zwischen dem Reduktionsgetriebe 40 und den Motoren 20, 30 angeordnet
war, nun zwischen dem Reduktionsgetriebe 40 und dem Schaft 5 des
Mantels 2 angeordnet. Die anderen Elemente der Zentrifuge
sind in allen Punkten vergleichbar mit denjenigen der ersten Ausführungsform.
Die Antriebswelle 10 des Mantels 2 ist auf der
einen Seite wieder an den Antriebsmotor 20 des Mantels 2 angeschlossen
und auf der anderen Seite an dem Außenring 41 des Reduktionsgetriebes
montiert, wobei der Mantel 2 fest mit diesem Außenring 41 verbunden
ist. Die Antriebswelle 11 der Schnecke 3 ist auf
der einen Seite wieder an den Antriebsmotor 30 der Schnecke 3 angeschlossen
und auf der anderen Seite an den Eintrittspunkt 43 des
Reduktionsgetriebes 40, wobei die Schnecke 3 fest
mit der Austrittswelle 42 des Reduktionsgetriebes 40 verbunden ist.
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Die
in 4 dargestellte Ausführungsform der Zentrifuge 1 ist
in jeder Hinsicht ähnlich
zur der gemäß 3,
bis auf den Unterschied, daß der
Mantel 2 in entgegengesetzter Richtung angeordnet ist, nämlich das
Kopfteil 6 und der Schaft 5 sind vertauscht, wobei
das Kopfteil 6 sich folglich auf der Seite der Motoren
befindet. Der Aufbau und die Funktionsweise der Zentrifuge 1 sind
bis auf diesen Aspekt vergleichbar mit denjenigen der Zentrifuge 1 gemäß 3.
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Die
in 5 dargestellte Ausführungsform der Zentrifuge 1 ist
in jeder Hinsicht vergleichbar mit derjenigen gemäß 1,
bis auf den Unterschied, daß wie
im vorangegangenem Fall der Mantel 2 in entgegengesetzter
Richtung angeordnet ist, wobei die Positionen des Kopfteils 6 einerseits
und des Schafts 5 andererseits in Bezug auf die anderen
Elemente der Zentrifuge 1 vertauscht sind.