DE69501834T2

DE69501834T2 - Magnetische Kupplungseinrichtung für Drehantrieb zwei rotierender Elemente und Flüssigkeitszähler mit einer solchen Einrichtung

Info

Publication number: DE69501834T2
Application number: DE69501834T
Authority: DE
Inventors: Jerome Delamare; Jean-Paul Yonnet
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Itron France SAS
Priority date: 1994-01-13
Filing date: 1995-01-06
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2015-01-07
Also published as: EP0663717B1; DE69501834D1; ES2116688T3; FR2715011B1; US5691586A; FR2715011A1; ATE164476T1; EP0663717A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Drehantrieb von zwei mechanischen Organen um eine Achse durch magnetische Kopplung sowie auf einen Flüssigkeitszähler mit einem solchen System.
Auf verschiedenen Gebieten der Industrie und insbesondere auf dem Gebiet des Zählens, noch spezieller auf dem Gebiet der Flüssigkeitszählung, wird ein System zum Antreiben durch magnetische Kopplung verwendet, um eine Drehbewegung zwischen zwei im wesentlichen koaxialen mechanischen Organen zu übertragen, die auf der einen bzw. der anderen Seite einer nichtmagnetischen Wand angeordnet sind und die sich beide in einer Flüssigkeit mit spezifizierten physikalisch-chemischen Eigenschaften befinden.
Jedes dieser Organe ist mit einem Magnetelement versehen, wobei die Magnetelemente, die zueinander in magnetischer Wechselwirkung stehen, eine magnetische Kopplung bilden. Wenn eines dieser Organe, beispielsweise die Welle einer Turbine in einem Wasserzähler, um seine Achse in Drehbewegung versetzt wird, wird das andere Organ, beispielsweise eine zweite Welle, die zu der ersten Welle koaxial ist und die mit einem Zählwerk verbunden ist, aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen den zwei Magnetelementen der magnetischen Kopplung in Drehung versetzt.
Das Magnetelement der magnetischen Kopplung, das das andere Magnetelement der magnetischen Kopplung in Drehung versetzt, wird als treibend und das andere als getrieben bezeichnet.
In einem solchen Magnetkopplungs-Antriebssystem ist eine mechanische Führung der beiden Magnetelemente bei ihren jeweiligen Drehbewegungen notwendig. Um die Leistungsfähigkeit von Flüssigkeitszählern und insbesondere deren Empfindlichkeit zu vergrößern, werden an ein Magnetkopplungs-Antriebssystem Forderungen gestellt, die zunehmend schwieriger zu erfüllen sind. In der Tat muß ein solches Magnetkopplungs-Antriebssystem ein möglichst großes mechanisches Moment übertragen und eine möglichst stabile Gleichgewichtsposition haben, was gleichbedeutend mit einer Aufhebung der magnetischen Kräfte oder Belastungen ist, die zwischen den beiden Magnetelementen der magnetischen Kopplung in den drei Raumrichtungen wirken.
Da diese Kräfte nicht Null sind, was bei praktisch allen existierenden Systemen der Fall ist, kann man das Auftreten von Belastungen auf die jeweiligen mechanischen Führungen der Magnetelemente beobachten, die in der Folge mechanische Reibung verursachen, die zu einer Abnutzung der mechanischen Führungen sowie zu einer Verringerung der Empfindlichkeit des Flüssigkeitszählers führt, der diesen Antrieb durch magnetische Kopplung aufweist.
Bei bekannten Magnetkopplungs-Antriebssystemen unterscheidet man zwei prinzipielle Klassen. Die erste Klasse betrifft die Antriebssysteme, die mit "Front zu Front" bezeichnet sind, und basiert auf einem Magnetkopplungs-Antriebssystem, bei dem die Magnetelemente koaxiale Kränze sind, die eine axiale Magnetisierung mit N Polen aufweisen, wobei N gerade ist. Jeder der Kränze weist eine Reihe von N magnetisierten Abschnitten auf, die regelmäßig auf einem Umfang des Kranzes angeordnet sind. Die Kränze sind entlang der Achse einander gegenüber in einer Weise angeordnet, daß der Nordpol eines der magnetisierten Abschnitte eines der Kränze gegenüber einem Südpol eines der magnetisierten Abschnitte des anderen Kranzes angeordnet ist und die Drehung des ersten Kranzes die Drehung des zweiten Kranzes bewirkt. Diese Anordnung ist radial stabil, aber axial instabil. Die Empfindlichkeit eines Flüssigkeitszählers mit einem solchen Antriebssystem ist aufgrund mechanischer oder magnetischer Exzentrizitäten begrenzt, die seitliche Belastungen der mechanischen Führungen verursachen.
Die zweite Klasse betrifft Antriebssysteme, die als "koaxial" bezeichnet werden, und basiert auf einem Magnetkopplungs-Antriebssystem, bei dem die Magnetelemente konzentrische Kränze sind, die eine radiale Magnetisierung mit N Polen aufweisen, wobei N gerade ist und jeder der Kränze eine Reihe von N magnetisierten Abschnitten aufweist, die regelmäßig auf einem Umfang des Kranzes in einer Weise angeordnet sind, daß jeder magnetisierte Abschnitt eines Kranzes einem magnetisierten Abschnitt des anderen Kranzes zugewandt ist, wobei der Nordpol des einen dem Südpol des anderen zugewandt ist. Wenn einer der Kränze in Drehung versetzt wird, wird der andere aufgrund der anziehenden Wirkung der Magneten zu einer Drehbewegung angetrieben.
Diese Anordnung, für die eine einzige Position existiert, in der die axialen Belastungen aufgehoben sind, ist axial stabil, weist aber eine große radiale Instabilität auf.
Aufgrund dieser großen radialen Instabilität können sich seitliche magnetische Anziehungskräfte, insbesondere aufgrund mechanischen Betriebsspiels, auf das Antriebssystem auswirken, und diese seitliche Anziehung wird auf die mechanischen Führungen der Kränze übertragen und bewirkt Reibungsbelastungen.
Gemäß dem europäischen Patent Nr. 0034992 ist ein System zum Drehantrieb von zwei mechanischen Organen um eine Achse durch magnetische Kopplung bekannt, das für jedes der mechanischen Organe ein davon abhängiges Magnetelement aufweist, und jedes dieser Magnetelemente ist entlang einer Fläche mit einem anderen mittlerem Radius angeordnet. Eines der Elemente weist zwei Sätze mit jeweils mehreren Magneten auf, die um die Achse verteilt sind. Die zwei Sätze sind axial versetzt und rahmen in axialer Richtung einen Satz von Magneten ein, die in gleicher Weise um die Achse verteilt sind und von dem anderen Element getragen sind. Bei einem Ausführungsbeispiel dieses Antriebssystems weisen die von dem einen der Elemente getragenen Magneten eine axiale Magnetisierung auf, und die von dem anderen Element getragenen Magneten weisen eine radiale Magnetisierung auf. Das angegebene Antriebssystem hat den Vorteil, keiner axialen oder radialen Belastung unterworfen zu sein, was die Abnutzung der mechanischen Führungen der Magnetelemente verringert. Dieses Antriebssystem ist jedoch für bestimmte Anwendungen nicht geeignet, insbesondere dann nicht, wenn der axiale Raumbedarf verringert werden soll.
Mit der Erfindung sollen die zuvor erwähnten Nachteile vermieden werden, indem ein System zum Drehantrieb von zwei mechanischen Organen um eine Achse durch magnetische Kopplung und ein Flüssigkeitszähler mit einem solchen System von einfacher Bauart und mit verbesserter Leistungsfähigkeit vorgeschlagen werden, insbesondere verbessert bezüglich der Stabilität des Antriebs durch magnetische Kopplung und folglich bezüglich der Empfindlichkeit des Flüssigkeitszählers sowie bezüglich des Verhältnisses von Gewicht zu Drehmoment, das von dem System übertragen wird.
Die Erfindung hat folglich ein System zum Drehantrieb von zwei mechanischen Organen um eine Achse durch magnetische Kopplung zum Gegenstand, das für jedes der mechanischen Organe ein davon abhängiges Magnetelement aufweist, wobei die beiden Magnetelemente konzentrisch sind, wobei das erste der Magnetelemente N Magnetisierungspole aufweist, die in einem Kranz mit einem minimalen Radius R&sub1; und einem maximalen Radius R&sub2; regelmäßig um die Drehachse angeordnet sind, wobei N gerade ist, wobei das zweite Magnetelement einerseits N Magnetisierungspole, die in einem Kranz regelmäßig um die Drehachse angeordnet sind, sowie andererseits N Magnetisierungspole besitzt, die in einem mit dem anderen Kranz identischen Kranz mit einem minimalen Durchmesser R&sub3; und einem maximalen Durchmesser R&sub4; regelmäßig um die Drehachse angeordnet sind, wobei die Kränze mechanisch fest miteinander verbunden sind und jeweils eine zu der Drehachse senkrechte Mittelebene aufweisen, die axial um einen Abstand d bezüglich der Mittelebene des Kranzes des ersten Magnetelements derart versetzt ist, daß dieser axial umrahmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Kopplung des Antriebsystems vom Anziehungstyp ist, wobei die Magnetisierung jedes Magnetelements eine Richtung aufweist, die in einer zu der Drehachse senkrechten Ebene liegt, und das Verhältnis 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) zwischen 0,2 und 0,8 liegt.
Bei dieser Anordnung ist eines der Magnetelemente innerhalb des anderen angeordnet, und in der Ruheposition des Antriebssystems sind die Pole des inneren Elementes gegenüber denen des äußeren Elementes angeordnet und weisen eine entgegengesetzte Polung auf. Folglich wird dann, wenn eines der mechanischen Organe, welches eines der Magnetelemente trägt, sich um die Drehachse in Bewegung setzt, das andere Magnetelement und folglich das angrenzende Organ aufgrund der Anziehungskräfte, die zwischen den Elementen wirken, in Drehung versetzt. Die Anordnung der Magnetelemente gemäß der Erfindung ist vorteilhaft, da sie eine axiale oder radiale Verlagerung des inneren Kranzes bezüglich des äußeren Kranzes erlaubt, ohne eine bedeutende axiale oder radiale Kraft zu erzeugen.
Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind folgende:
- Das Verhältnis 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) liegt bevorzugt zwischen 0,3 und 0,65, wenn h&sub1;/R&sub2;-R&sub1; und h&sub2;/R&sub4;-R&sub3; zwischen 1,5 und 0,66 liegen, wobei h&sub1; und h&sub2; die axialen Abmessungen oder die Höhen des Kranzes des ersten Magnetelements bzw. jedes Kranzes und des zweiten Magnetelements sind.
- Das Verhältnis 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) liegt noch bevorzugter zwischen 0,35 und 0,5, wenn jede der Abmessungen h&sub1;, R&sub2;-R&sub1;, h&sub2; und R&sub4;-R&sub3; im wesentlichen kleiner als R&sub3;-R&sub2; /4 ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Radien R&sub1; und R&sub2; kleiner als der minimale Radius R&sub3;.
Gemäß einer Variante der Erfindung sind die Radien R&sub1; und R&sub2; größer als der maximale Radius R&sub4;.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eines der Magnetelemente kontinuierlich magnetisiert. Die Magnetisierung jedes Magnetelements variiert in Abhängigkeit von der Winkelposition in einer Weise, daß bei einer gegebenen Winkelposition die Orientierung α&sub1; der Magnetisierung des Magnetelements mit dem größeren maximalen Radius der Beziehung α&sub1;=(N/2) + genügt, wobei die Orientierung α&sub2; der Magnetisierung des anderen Magnetelements der Beziehung - (N/2) + genügt.
Gemäß einer Variante weist die Magnetisierung jedes Magnetelements eine im wesentlichen radiale Richtung auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eines der Magnetelemente diskontinuierlich magnetisiert, und der Kranz (die Kränze) des Magnetelements ist (sind) aus einer geraden Anzahl von Magnetkranzabschnitten gebildet. Die Magnetisierung jedes Abschnitts des magnetisierten Kranzes weist eine gleichmäßige und im wesentlichen radiale Richtung auf.
Gemäß einer weiteren Variante variiert die Magnetisierung jedes Magnetelements in Abhängigkeit von der Winkelposition in einer Weise, daß bei einer gegebenen Winkelposition die Orientierung α&sub1; der Magnetisierung des Magnetelements mit dem größeren maximalen Radius der Beziehung α&sub1;=(N/2) + genügt, wobei die Orientierung α&sub2; der Magnetisierung des anderen Magnetelements der Beziehung α&sub2;= - (N/2) + genügt.
Weitere Merkmale der Erfindung sind folgende:
- Die Anzahl der Pole N ist bevorzugt gleich 4,
- die Mittelebene des ersten Magnetelements fällt im wesentlichen mit derjenigen des zweiten Magnetelements zusammen,
- jeder Kranz weist in einer die Drehachse enthaltenden Ebene einen im wesentlichen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf.
Noch weitere Merkmale sind folgende:
- Wenigstens ein ein Abstandsstück bildendes Teil ist zwischen den beiden Magnetisierungskränzen des zweiten Magnetelements angeordnet,
- das ein Abstandsstück bildende Teil ist eine zylindrische Wand,
- das ein Abstandsstück bildende Teil besteht aus einem Magnetmaterial,
- das Magnetmaterial der zylindrischen Wand weist die gleiche Magnetisierung wie das zweite Magnetelement auf,
- die zylindrische Wand weist einen maximalen Radius kleiner als R&sub4; und einen minimalen Radius gleich R&sub3; auf,
- die zylindrische Wand weist einen maximalen Radius gleich R&sub4; und einen minimalen Radius größer als R&sub3; auf,
- das ein Abstandsstück bildende Teil besteht aus nichtmagnetischem Material,
- die zylindrische Wand weist einen maximalen Radius gleich R&sub4; und einen minimalen Radius gleich R&sub3; auf.
Das Magnetkopplungs-Antriebssystem findet eine besonders interessante Anwendung bei Flüssigkeitszählern mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, die durch eine dichte, eine Aufnahme bildende Wand getrennt sind, wobei die Aufnahme eines der Magnetelemente enthält und das andere Magnetelement die Aufnahme umgibt.
Bei einem solchen Flüssigkeitszähler weist jedes mechanische Organ eine Welle auf, wobei eine der Wellen ein Magnetelement trägt, das in der Aufnahme enthalten und mit einem Zählwerk verbunden ist, und wobei die andere Welle das andere Magnetelement trägt, das Teil einer Axialturbine ist.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich durch die Beschreibung, die nur erläuternd und nicht beschränkend ist und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, die folgendes zeigen:
- Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Längsschnittes eines Flüssigkeitszählers mit einem Magnetkopplungs- Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- Figur 2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht des Magnetkopplungs-Antriebssystems der Figur 1;
- Figur 3 ist eine schematische Teilansicht des Magnetkopplungs-Antriebssystems der Figur 2;
- Figur 4 ist eine schematische Teilansicht einer Ausführungsvariante eines Magnetkopplungs-Antriebssystems gemäß der Erfindung;
- Figur 5 ist eine schematische Draufsicht der Magnetisierung des Magnetkopplungs-Antriebssystems gemäß der Erfindung;
- Figur 6 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Variante der Magnetisierung des Magnetkopplungs-Antriebssystems gemäß der Erfindung;
- Figur 7 ist eine schematische Draufsicht einer weiteren Variante der Magnetisierung des Magnetkopplungs-Antriebssystems gemäß der Erfindung;
- Figur 8 ist ein Schaubild, das die Veränderung der axialen Kraft zeigt, die auf das innere, getriebene Element des Magnetkopplungs-Antriebssystems der Figur 2 in Abhängigkeit seiner axialen Verschiebung in Bezug auf die Position der Mittenebene P wirkt;
- Figur 9 ist eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform eines Magnetkopplungs-Antriebssystems gemäß der Erfindung.
Es wird nun ein Flüssigkeitszähler beschrieben, speziell ein Wasserzähler, der ein System zum Antrieb durch magnetische Kopplung gemäß der Erfindung aufweist, wie er in der Figur 1 dargestellt und in seiner Gesamtheit durch die Bezugsziffer 1 bezeichnet ist.
Der Wasserzähler weist zwei Kammern 10 und 12 auf, die durch eine Wand 14 getrennt sind, die die Abdichtung zwischen den Kammern sicherstellt. Das Wasser dringt in eine erste Kammer 10 beispielsweis über einen Injektor ein und tritt aus dieser über einen Ejektor aus, wobei Injektor und Ejektor in der Übersicht der Figur 1 nicht dargestellt sind.
Der Zähler weist ebenfalls eine axiale Turbine 20 auf, die mit Schaufeln 22 versehen ist, die durch das Auftreffen des Wasserstrahls von dem Injektor die Turbine in Drehung versetzen.
Diese Turbine 20 kann aus einem Material hergestellt werden, dessen Dichte in der Nähe von 1 liegt und beispielsweise gleich 0,9 ist.
Die axiale Turbine 20 hat eine axiale Welle 24, die aus nicht magnetischem Material besteht und die zum Teil aus einer Nabe 26, auf der die Schaufeln 22 der Turbine befestigt sind, und zum anderen Teil am oberen Ende der Nabe aus einem Flansch 28 gebildet ist, der sich parallel zur Drehachse der Turbine erstreckt. Eine axiale Führung 30 ist in der axialen Welle 24 angebracht, um einen axialen Zapfen 32 aufzunehmen, der mit der dichten Wand 14 über ein axiales Ende 32a fest verbunden ist.
Der Zapfen 32 besitzt ein weiteres axiales Ende 32b, das dem axialen Ende 32a gegenüberliegt und eine sich verjüngende Form hat. Wenn die Turbine in Ruhe ist, berührt das axiale Ende 32b des Zapfens 32 den Boden 31 der axialen Führung 30. Die Meßkammer weist auch Leitbleche 34 oder Rippen auf, die im oberen Teil der Kammer und radial in bezug auf die Drehachse der Turbine angeordnet sind. Diese Leitbleche sind genauer gesagt an der dichten Wand 14 befestigt. Wenn die Turbine aufgrund der Zirkulation des Wassers in Drehung versetzt wird, entfernt sich der Boden 31 der axialen Führung nach und nach von dem verjüngten Ende 32b des Zapfens 32, und bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten tendiert die Turbine dazu, die Wandung 36 des unteren Teils der Meßkammer 10 über einen axialen Anschlag 38 zu berühren, wie in der Figur 1 dargestellt ist. Die Leitbleche 34 stellen die oben beschriebene Funktion sicher und dienen dazu, bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ein hydraulisches Bremsmoment hervorzurufen, was der Meßtechnik des Zählers zugute kommt.
Die zweite Kammer 12 des Wasserzählers weist ein Zählwerk auf, das einerseits mit einer Welle 40 verbunden ist, die zu der der Turbine koaxial ist und die sich um dieselbe Drehachse wie diese drehen kann, und das andererseits mit einer Anzeigevorrichtung für das von dem Zähler gemessene Wasservolumen verbunden ist. Das Zählwerk und die Anzeigevorrichtung sind in der Figur 1 nicht dargestellt.
Wie in der Figur 1 dargestellt ist, weist die dichte Wand 14 in ihrem Zentrum einen Abschnitt 14a auf, der in Richtung der Meßkammer 10 so verformt ist, daß er auf der Seite der zweiten Kammer eine Aufnahme und in der Meßkammer 10 einen vorstehenden Teil bildet.
Die dichte Wand weist auch einen ringförmigen zweiten Abschnitt 14b auf, der einen Kanal in der Meßkammer 10 bildet, der den ersten, vorspringenden Abschnitt 14a umgibt und der dafür vorgesehen ist, den Flansch 28 der Turbine 20 aufzunehmen.
Ein dritter Abschnitt 14c, der im wesentlichen eben ist, erstreckt sich von dem zweiten Abschnitt 14b bis zu dem äußeren Umfang der dichten Wand 14. Die Leitbleche 34 sind auf diesem dritten Abschnitt 14c befestigt.
Der Wasserzähler weist ein System zur magnetischen Kopplung 50 auf, um zwei mechanische Organe, die durch die Wellen 24 und 40 gebildet sind, die jeweils der Turbine 20 und dem Zähler zugeordnet sind, um die Achse des Zählers in Drehung zu versetzen. Jedes der mechanischen Organe 24, 40 weist ein Magnetelement 52, 56 auf, das an dem jeweiligen Organ befestigt ist.
Die beiden Magnetelemente 52 und 56 sind konzentrisch zueinander angeordnet und durch die dichte Wand 14 voneinander getrennt. Das Magnetkopplungs-Antriebssystem 50 gemäß der Ausführungsform der Erfindung, die schematisch in der Figur 1 gezeigt ist, wird nun auch unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben.
Das Magnetelement 52 der Magnetelemente ist an dem Flansch 28 befestigt, der die Nabe 26 der Turbine 20 verlängert, folglich die Aufnahme umgibt und den treibenden Teil des Antriebssystems bildet.
Das andere Magnetelement 56 ist fest mit der Welle 40 verbunden, die mit dem Zähler verbunden und in der Aufnahme des ersten Abschnittes 14a der dichten Wand 14 aufgenommen ist, der hierfür vorgesehen ist. Dieses Magnetelement 56 stellt den getriebenen Teil des Antriebssystems dar und stützt sich axial gegen den Boden der Aufnahme des ersten Abschnittes 14a der dichten Wand 14 ab, wie in der Figur 1 gezeigt ist. Das Magnetelement 56 ist aus einem Kranz mit einem minimalen Radius R&sub1; und einem maximalen Radius R&sub2; gebildet.
Die Welle 40 ist an ihren axialen Enden mit einem scheibenförmigen Teil 60 versehen, das senkrecht zur Drehachse in einer Weise angeordnet ist, so daß die Welle in der Ebene der Figur 1 die Form eines umgekehrten T aufweist, wobei die Scheibe 60 den Querstrich des T bildet. Wie in der Figur 2 dargestellt ist, ist der Kranz 56 in der Scheibe 16 so angeordnet, daß die zu der Drehachse senkrechten Mittenebenen der Scheibe und des Kranzes zusammenfallen und der maximale Radius der Scheibe gleich R&sub2; ist.
In der Meßkammer 10 ist das Magnetelement 52, das den treibenden Teil des Antriebssystems 50 bildet, aus zwei identischen Kränzen 53, 54 gebildet, die beide einen minimalen Radius R&sub3; und einen maximalen Radius R&sub4; haben. Bei dieser Anordnung, die in der Figur 3 dargestellt ist, sind die Radien R&sub1; und R&sub2; kleiner als der minimale Radius R&sub3;, und das aus einem einzigen Kranz gebildete Element 56 ist das innere Element des Antriebssystems.
Gemäß einer in der Figur 4 dargestellten Variante der Erfindung kann das treibende Magnetelement aus einem Kranz 56 mit einem minimalen Radius R&sub1; und einem maximalen Radius R&sub2; gebildet sein, und das getriebene Magnetelement 52 ist durch einen doppelten Kranz mit einem minimalen Radius R&sub3; und einem maximalen Radius R&sub4;, wie zuvor beschrieben, gebildet. Gemäß dieser Variante sind R&sub1; und R&sub2; größer als der maximale Radius R&sub4;, und das aus einem einzigen Kranz gebildete Element 56 ist das äußere Element des Antriebssystems 50.
Wie in der Figur 2 dargestellt ist, sind die beiden Kränze 53, 54 über den Flansch 28, an dem sie angebracht sind, mechanisch fest miteinander verbunden. Ein ein Abstandstück bildendes Teil 61 ist zwischen den beiden Kränzen 53, 54 des treibenden Magnetelements 52 angeordnet. Beispielsweise ist dieses Teil 61 Teil des Flansches 28 und besteht aus nichtmagnetischem Material.
Wie in der Figur 2 dargestellt ist, weist jedes Magnetelement, das treibende 52 oder das getriebene 56, eine Mittenebene auf, die senkrecht zur Drehachse ist, und die Mittenebene des getriebenen Magnetelements 56 fällt im wesentlichen mit der der Scheibe 60 in einer Ebene P zusammen.
Auf der Figur 3 haben die Kränze 53, 54 des treibenden Magnetelements 52 eine Mittelebene P1 bzw. P2, die axial um einen Abstand d in bezug auf die Mittelebene P versetzt ist, so daß der Kranz des getriebenen Magnetelements in axialer Richtung umrahmt ist. Die Kränze 53, 54 und 56 haben alle in einer die Drehachse enthaltenden Ebene einen rechteckigen Querschnitt, wie in den Figuren 1 bis 3. Dieser Querschnitt kann in gleicher Weise quadratisch sein. Die axiale Abmessung oder die Höhe des Kranzes 56 ist mit h&sub1; bezeichnet, und die der Kränze 53, 54 ist identisch und mit h&sub2; bezeichnet.
Gemäß der Ausführungsform der Erfindung, die in bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschrieben ist, weist jedes Magnetelement, das treibende 52 oder das getriebene 56, eine Magnetisierung mit N Polen auf, die regelmäßig um die Drehachse angeordnet sind. N ist eine gerade Zahl, die größer oder gleich 2 ist und von der beabsichtigten Anwendung und dem von dem Magnetkopplungs Antriebssystem 50 gemäß der Erfindung erwarteten Leistungsvermögen abhängt. Vorzugsweise ist N gleich 4.
Die Magnetisierung jedes Kranzes hat eine Richtung, die in einer zur Drehachse senkrechten Ebene liegt, und ist von der in der Figur 5 dargestellten Art. Jeder Kranz 53, 54, 56 ist kontinuierlich magnetisiert, d.h., er ist aus einem einzigen magnetisierten Teil gebildet. Vorzugsweise variiert die Magnetisierung jedes der Kränze in Abhängigkeit von der betrachteten Winkelposition.
In einer Ebene senkrecht zur Drehachse, wie die Ebene der Figur 5, wobei man als Ursprung den Punkt 0 nimmt, der auf der Drehachse liegt, und wenn man die horizontale Achse als dem Winkelursprung entsprechend definiert, sind die Punkte M1 und M2, die jeweils zu einem der Kränze des treibenden Elementes 52, nämlich dem Kranz 53, oder zu dem Kranz 56 des getriebenen Elements gehören, durch ihre gemeinsame Winkelposition in bezug auf den Winkelursprung ausgezeichnet.
Für einen Kranz 53 der Kränze des treibenden Elements 52, der der Kranz mit dem größten maximalen Radius R&sub4; ist, genügt die Orientierung α&sub1; der Magnetisierung für die Winkelposition folgender Beziehung:
α&sub1;= (N/2) + δ, d.h. α&sub1; = 3 für N=4,
und für den Kranz des getriebenen Elements genügt die Orientierung α&sub2; der Magnetisierung für die Winkelposition folgender Beziehung:
α&sub1; = -(N/2) + , d.h. α&sub2; = - für N=4.
Gemäß einer weiteren Variante, die in den Figuren nicht dargestellt ist, ist es möglich, vorzusehen, daß die Magnetisierung jedes Kranzes eine radiale Richtung hat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß wenigstens ein Element des Antriebssystems 50 in diskontinuierlicher Weise magnetisiert ist. Wie in der Figur 6 dargestellt ist, weist jeder Kranz 53, 54 des treibenden Elements 52 vier magnetisierte Kranzabschnitte 53a, 53b, 53c, 53d, 54a, 54b, 54c, 54d auf, die regelmäßig und getrennt voneinander entlang dem Kranz 53 oder 54 angeordnet sind. Jeder Kranzabschnitt entspricht einem Magnetisierungspol.
Um die magnetisierten Kranzabschnitte eines Kranzes aneinander zu befestigen, fügt man zwischen zwei aufeinanderfolgende Abschnitte einen Kranzabschnitt aus nichtmagnetischem Material ein, der die Funktion eines Abstandsstückes erfüllt.
Diese magnetisierten Abschnitte des Kranzes können auch entlang jedem Kranz aneinander anstoßend angeordnet werden, um den Kranz wiederherzustellen. Das getriebene Magnetelement 56 ist kontinuierlich magnetisiert und besteht aus einem einzigen magnetisierten Kranz. Bei dieser Ausführungsform (Fig. 6) ist die Magnetisierung der zwei Magnetelemente, des treibenden Magnetelements 52 und des getriebenen Magnetelements 56, identisch mit der in bezug auf die Fig. 5 vorstehend beschriebenen.
Es bleibt zu bemerken, daß eine weitere Ausführungsvariante vorstellbar ist, wie sie in der Fig. 7 dargestellt ist. Bei dieser weiteren Variante sind die zwei Magnetelemente 52 und 56 diskontinuierlich magnetisiert, und jeder Kranz 53, 54, 56 jedes Magnetelements besteht aus einer geraden Anzahl von Kranzabschnitten, die beispielsweise gleich 4 ist und der Anzahl der Magnetisierungspole entspricht. Die Kränze 53 und 54 weisen jeweils 4 Kranzabschnitte 53a-d und 54a-d auf, die ähnlich zu dem in der Figur 6 gezeigten sind und daher voneinander getrennt entlang jedem Kranz angeordnet sind. Der Kranz 56 weist vier Kranzabschnitte 56a, 56b, 56c, 56d auf, die in der Figur 7 zu sehen und voneinander getrennt entlang dem Kranz 56 angeordnet sind.
Diese Abschnitte des Kranzes 56a-d können indessen auch aneinander anstoßen. Wie in der Figur 7 gezeigt ist, weist jeder Kranzabschnitt von jedem Magnetelement eine Magnetisierung mit gleichförmiger und im wesentlichen radialer Richtung auf. In gleicher Weise können bei jedem Magnetelement Kranzabschnitte verwirklicht werden, deren Magnetisierung in allen Punkten der Kranzabschnitte genau radial ist.
Gemäß der Erfindung ist dann, wenn kein Drehmoment von dem Antriebssystem 50 übertragen wird, die Magnetisierung jedes Kranzes so, daß die Pole des inneren Magnetelements 56 gegenüber den Polen des äußeren Magnetelements 52 liegen und zum Gegenüber entgegengesetzt gepolt sind, d.h. ein Nordpol ist einem Südpol zugewandt (Figur 5). Eine solche magnetische Kopplung wird als Anziehungstyp bezeichnet.
Die Anmelderin hat überraschend herausgefunden, daß die axiale Verschiebung d der Mittenebenen P1 und P2 der beiden Kränze 53, 54, die den dritten Kranz 56 in bezug auf die Mittenebene P des dritten Kranzes axial umrahmen, der folgenden Beziehung genügen
0,2 ≤ 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) ≤ 0,8
oder wenn man die jeweiligen mittleren Radien der beiden Magnetelmente 52 und 56 mit RM und Rm bezeichnet,
0,2 ≤ d/ (RM-Rm) ≤ 0,8.
Diese Beziehung legt eine spezielle Anordnung der drei Kränze der zwei Magnetelemente 52 und 56 fest, die unabhängig von der Wahl des treibenden oder des getriebenen Elementes und unabhängig von der radialen Position der Elemente zueinander (Figuren 3 und 4) gültig ist. Wenn die Anordnung der drei Kränze die oben ausgedrückte relationale Forderung erfüllt, bietet das Magnetkopplungs-Antriebssystem 50 gemäß der Erfindung wirkliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Andererseits werden die radialen und axialen Instabilitäten in dem Antriebssystem wieder bedeutend, wenn die Beziehung d/ (RM-Rm) kleiner als 0,2 oder größer als 0,8 ist.
Im Betrieb des Wasserzählers 1, bei dem das Antriebssystem 50 angewendet wird, wird die zuvor ruhende Turbine um ihre Achse in Drehung versetzt, und dadurch entfernt sich das treibende Magnetelement 52 von der Position, die es in Ruhe einnimmt, um eine Drehbewegung anzunehmen. Aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte, die zwischen den Kränzen 53, 54 des treibenden Elements 52 und denen des getriebenen Elements 56 wirken, wenn die Turbine 20 in Ruhe ist, folgen die Pole des inneren Kranzes 56, sobald sich das treibende Element 52 zu drehen beginnt, der Bewegung der Pole der äußeren Kränze 53 und 54 und versetzen schließlich den inneren Kranz und damit die Welle 40, die mit dem Zählwerk verbunden ist, in Drehung.
Vorteilhafterweise ermöglicht es die spezielle Anordnung der drei Kränze, die axialen und radialen Kräfte, die zwischen den zwei Magnetelementen 52 und 56 wirken, deutlich zu verringern, und folglich sind die mechanischen Führungen, die die Elemente tragen, kleinen Belastungen ausgesetzt, die nur geringe Reibung erzeugen. Die Leistungsfähigkeit des Wasserzählers und insbesondere seine Empfindlichkeit sind folglich verbessert.
Wenn die Verhältnisse der Abmessungen des Kranzes 56, h&sub1;/R&sub2;-R&sub1;, und die Abmessungen jedes der Kränze 53 und 54, h&sub2;/R&sub4;-R&sub3;, zwischen den Werten 1,5 und 0,66 liegen, liegt das Verhältnis 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) vorzugsweise zwischen den Werten 0,3 und 0,65. Wenn beispielsweise R&sub1;=1,5 mm, R&sub2;=3,75 mm, h&sub1;=4 mm, R&sub3;=6 mm, R&sub4;=7,5 mm, h&sub2;=3 mm und d=2,7 mm beträgt, ist das Verhältnis 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) gleich 0,55. Diese bevorzugte Anordnung, die in den Figuren 2-4 dargestellt ist, weist einen erheblichen Vorteil auf, nämlich eine größere Kompaktheit des Antriebssystems.
Wenn man die Abmessungen der Kränze in einer Weise verringert, daß jede der folgenden Abmessungen h&sub1;, R&sub2;-R&sub1;, h&sub2;, R&sub4;-R&sub3; kleiner als (R&sub3;-R&sub2;)/4 ist, liegt das Verhiltnis 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) zwischen 0,35 und 0,5, und man erhält gegenüber dem vorstehenden Fall ein noch kompakteres Antriebssystem 50. Wenn beispielsweise R&sub1;=1,5 mm, R&sub2;=3,75 mm, h&sub1;=1,5 mm, R&sub3;=6 mm, R&sub4;=7,5 mm, h&sub2;=1,5 mm und d=2 mm beträgt, ist das Verhältnis 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) gleich 0,41.
Bei diesen vorteilhaften Anordnungen wird darüber hinaus die Leistungsfähigkeit des Antriebssystems 50 bezüglich des Verhältnisses von Gewicht der Magneten zu übertragenem mechanischem Drehmoment verbessert, was bedeutet, daß für die gleiche Masse an Magneten das übertragene Drehmoment höher liegt als bei dem Antriebssystem, das in dem europäischen Patent Nr. 0034992 angeführt ist.
Für die Anordnung, die man erhält, wenn d=2,7 mm ist, stellt die Figur 8 die axiale Kraft, die auf den Kranz des inneren, getriebenen Magnetelements 56 wirkt, in Abhängigkeit von der axialen Verschiebung dieses Elements in bezug auf die Position der Mittenebene P dar.
In dieser Figur ist einerseits festzustellen, daß die axiale Belastung, die auf das innere Element wirkt, in einem gewissen Bereich um die zentrierte vertikale Position gleich Null ist, und andererseits festzustellen, daß die Kurve, die die Veränderungen der axialen Belastung darstellt, eine horizontale Tangente aufweist, was darauf hindeutet, daß das Magnetkopplungs-Antriebssystem 50 gemäß der Erfindung eine Steifigkeit von Null für diese bevorzugte Anordnung aufweist. Daraus ergibt sich, daß die Instabilitäten des Antriebssystems in diesem Fall in besonderer Weise verringert sind.
Darüber hinaus konnte die Anmelderin ebenfalls feststellen, daß das Magnetkopplungs-Antriebssystem 50 gemäß der Erfindung die Übertragung von Vibrationen zwischen dem treibenden Element und dem getriebenen Element verringert.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die in der Figur 9 dargestellt ist, weist ein treibendes, äußeres Magnetelement 62 auf, das aus zwei identischen Kränzen 63, 64 mit minimalen Radius R&sub3; und maximalen Radius R&sub4; gebildet ist, und ein inneres, getriebenes Magnetelement 66, das aus einem einzigen Kranz mit minimalem Radius R&sub1; und maximalem Radius R&sub2; gebildet ist, der von den zwei anderen Kränzen axial umrahmt wird. Die zwei magnetisierten Kränze 63, 64 des äußeren Magnetelements 66 sind miteinander durch ein ein Abstandsstück bildendes Teil 65 verbunden. Dieses Teil ist eine dünne zylindrische Wand 65 aus magnetischem Material, und seine Magnetisierung ist zu der jedes Kranzes identisch, wie zuvor erläutert wurde. Diese Eigenschaft kann hinsichtlich der Herstellung des Magnetelements 62 sehr vorteilhaft sein. Wie in der Figur 9 dargestellt ist, hat die zylindrische Wand 65 einen maximalen Radius gleich R&sub4; und einen minimalen Radius größer als R&sub3;. Gemäß einer nicht dargestellten Variante hat die zylindrische Wand 65 einen maximalen Radius, der kleiner als R&sub4; ist, und einen minimalen Radius, der gleich R&sub3; ist. Jeder Kranz 63, 64, 66 weist in einer Ebene, die die Drehachse enthält, einen rechteckigen Querschnitt auf.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist dieser Querschnitt für die beiden Kränze 63, 64 des äußeren Magnetelements 62 identisch, aber er ist für den inneren Kranz 66 nicht derselbe. In der Tat konnte die Anmelderin feststellen, daß durch Einfügen einer magnetisierten zylindrischen Wand 65 zwischen den Kränzen 63, 64 des äußeren Elements 62 und durch Vergrößern der axialen Abmessung oder der Höhe jedes der Kränze in bezug auf den inneren Kranz 66 das Antriebssystem 50 bezüglich des Fehlens einer Krafterzeugung zwischen den beiden Teilen der magnetischen Kopplung und folglich bezüglich der radialen und axialen Stabilität sehr interessante technische Wirkungen aufweist. Diese technischen Wirkungen werden indessen nur unter der Bedingung erhalten, daß die axiale Abmessung oder die Höhe des äußeren Magnetelements 62 größer als 2RM + h&sub1; ist, wobei RM der mittlere Radius eines Kranzes 63, 64 ist. Die ohne die Erzeugung merkbarer Wechselwirkungskräfte möglichen Verschiebungen des inneren Teils 66 in bezug auf den äußeren Teil 62 sind größer, der axiale Raumbedarf der Kopplung ist aber erhöht.

Claims

1. System (50) zum Drehantrieb von zwei mechanischen Organen um eine Achse durch magnetische Kopplung, das für jedes der mechanischen Organe ein davon abhängiges Magnetelement (52, 56, 62, 66) aufweist, wobei die beiden Magnetelemente (52, 56, 62, 66) konzentrisch sind, wobei das erste der Magnetelemente N Magnetisierungspole aufweist, die in einem Kranz (56, 66) mit einem minimalen Radius R&sub1; und einem maximalen Radius R&sub2; regelmäßig um die Drehachse angeordnet sind, wobei N gerade ist, wobei das zweite Magnetelement (52, 62) einerseits N Magnetisierungspole, die in einem Kranz (53, 63) regelmäßig um die Drehachse angeordnet sind, sowie andererseits N Magnetisierungspole besitzt, die in einem mit dem anderen Kranz (53, 63) identischen Kranz (54, 64) mit einem minimalen Durchmesser R&sub3; und einem maximalen Durchmesser R&sub4; regelmäßig um die Drehachse angeordnet sind, wobei die Kränze mechanisch fest miteinander verbunden sind und jeweils eine zu der Drehachse senkrechte Mittelebene aufweisen, die axial um einen Abstand d bezüglich der Mittelebene des Kranzes des ersten Magnetelements (56, 66) derart versetzt ist, daß dieser axial umrahmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Kopplung des Antriebssystem vom Anziehungstyp ist, wobei die Magnetisierung jedes Magnetelements eine Richtung aufweist, die in einer zu der Drehachse senkrechten Ebene liegt, und das Verhältnis 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) zwischen 0,2 und 0,8 liegt.

2. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis 2d/ (R&sub3;+ R&sub4;)(R&sub1;+R&sub2;) bevorzugt zwischen 0,3 und 0,65 liegt, wenn h&sub1;/R&sub2;-R&sub1; und h&sub2;/R&sub4; -R&sub3; zwischen 1,5 und 0,66 liegen, wobei h&sub1; und h&sub2; die axialen Abmessungen oder die Hohen des Kranzes (56, 66) des ersten Magnetelements bzw. jedes Kranzes (53, 63) und (56, 64) des zweiten Magnetelements sind.

3. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis 2d/ (R&sub3;+R&sub4;)-(R&sub1;+R&sub2;) noch bevorzugter zwischen 0,35 und 0,5 liegt, wenn jede der Abmessungen h&sub1;, R&sub2;-R&sub1;, h&sub2; und R&sub4;-R&sub3; im wesentlichen kleiner als R&sub3;-R&sub2; /4 ist.

4. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien R&sub1; und R&sub2; kleiner als der minimale Radius R&sub3; sind.

5. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien R&sub1; und R&sub2; größer als der maximale Radius R&sub4; sind.

6. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Magnetelemente (52, 56, 62, 66) kontinuierlich magnetisiert ist.

7. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Magnetelemente (52, 56, 62, 66) diskontinuierlich magnetisiert ist, und daß der Kranz (die Kränze) des Magnetelements aus einer geraden Anzahl von Magnetkranzabschnitten gebildet ist (sind).

8. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetkranzabschnitt eine gleichmäßige und im wesentlichen radiale Magnetisierungsrichtung aufweist.

9. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung jedes Magnetelements (52, 56, 62, 66) in Abhängigkeit von der Winkelposition variiert, und daß bei einer gegebenen Winkelposition die Orientierung α&sub1; der Magnetisierung des Magnetelements mit dem größeren maximalen Radius der Beziehung α&sub1; = (N/2) + genügt, wobei die Orientierung α&sub2; des anderen Magnetelements der Beziehung α&sub2; = - (N/2) + genügt.

10. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung jedes Magnetelements (52, 56, 62, 66) eine im wesentlichen radiale Richtung aufweist.

11. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Pole N bevorzugt gleich 4 ist.

12. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelebene des ersten Magnetelements (56, 66) im wesentlichen mit derjenigen des zweiten Magnetelements (52, 62) zusammenfällt.

13. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kranz (53, 54, 56, 63, 64, 66) in einer die Drehachse enthaltenden Ebene einen im wesentlichen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.

14. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein ein Abstandsstück bildendes Teil (61, 65) zwischen den beiden Magnetisierungskränzen (53, 54, 63, 64) des zweiten Magnetelements (52, 62) angeordnet ist.

15. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das ein Abstandsstück bildende Teil eine zylindrische Wand (61, 65) ist.

16. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das ein Abstandsstück bildende Teil aus einem Magnetmaterial besteht.

17. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach den Ansprüchen 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial der zylindrischen Wand (65) die gleiche Magnetisierung wie das zweite Magnetelement (62) aufweist.

18. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Wand (65) einen maximalen Radius kleiner als R&sub4; und einen minimalen Radius gleich R&sub3; aufweist.

19. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Wand (65) einen maximalen Radius gleich R&sub4; und einen minimalen Radius größer als R&sub3; aufweist.

20. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das ein Abstandsstück bildende Teil aus nicht magnetischem Material besteht.

21. System zum Antrieb durch magnetische Kopplung nach den Ansprüchen 15 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Wand (61) einen maximalen Radius gleich R&sub4; und einen minimalen Radius gleich R&sub3; aufweist.

22. Flüssigkeitszähler (1) mit einer ersten Kammer (10) und einer zweiten Kammer (12), die durch eine dichte Wand (14) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß er ein System zum Antrieb (50) durch magnetische Kopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 aufweist, wobei die dichte Wand (14) eine Aufnahme bildet, die eines der Magnetelemente (52, 56, 62, 66) enthält, wobei das andere Magnetelement die Aufnahme umgibt.

23. Flüssigkeitszähler (1) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß jedes mechanische Organ eine Welle ist, wobei eine Welle (40) ein Magnetelement trägt, das in der Aufnahme enthalten und mit einem Zählwerk verbunden ist, wobei die andere Welle (24) das andere Magnetelement trägt, das Teil einer Axialturbine (20) ist.