EP1526284B1 - Elektrische Antriebseinrichtung - Google Patents

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EP1526284B1
EP1526284B1 EP04450092A EP04450092A EP1526284B1 EP 1526284 B1 EP1526284 B1 EP 1526284B1 EP 04450092 A EP04450092 A EP 04450092A EP 04450092 A EP04450092 A EP 04450092A EP 1526284 B1 EP1526284 B1 EP 1526284B1
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EP
European Patent Office
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commutator
winding part
drive device
brushes
brush holder
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EP04450092A
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English (en)
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EP1526284A2 (de
EP1526284A3 (de
Inventor
Friedrich Atschreiter
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TCG Unitech Systemtechnik GmbH
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TCG Unitech Systemtechnik GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D13/0606—Canned motor pumps
    • F04D13/064—Details of the magnetic circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D13/0666—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the motor being of the plane gap type

Definitions

  • the invention relates to an electric drive device for a rotor, in particular for driving a rotatably mounted pump impeller of a centrifugal pump, comprising a runner-containing wet area and a separate dry area, wherein at least one fixed, an electromagnetic rotating field generating winding part separates the wet area from the dry area, wherein the windings of the winding part are connected to a commutator device, and in that the rotatable component has, at least on a side facing the winding part, a first magnetic field device which interacts with the winding part by an electric motor
  • a wet area containing the pump impeller is usually separated from a dry area containing the electric drive by means of sealing elements, for example mechanical seals or the like.
  • sealing elements for example mechanical seals or the like.
  • Corrosive media in particular, can lead to premature aging or damage to the sealing elements and thus to dysfunctions between the wet and dry areas which impair the function.
  • inside-out motors are known in which an outer rotor is arranged around an inner stator.
  • Inside-out motors are disclosed, for example, by the documents US 5,986,379 A, US 6,239,532 B1 and US 6,286,199 B1 and are usually designed as electronically commutated electric motors.
  • DE 196 27 854 A1 shows a pump motor with stator magnet system, which is separated from the rotor magnet system located in the wet area by a sealing membrane.
  • the device further comprises a commutator ring and two collector brushes each in a brush holder which is rotatably mounted and driven by the magnetic force from the rotor.
  • JP 63-154037 A shows a pump motor in axial gap design, in which the wet area is separated from the dry area via a disk associated with the stator yoke arrangement.
  • US Pat. No. 3,870,914 A shows a pump motor with a rotating brush arrangement, in which the brush drive can be operated via a rotor with a further stationary commutator.
  • WO 01/38741 A1 discloses a liquid pump with a wet area having a rotor, which is separated from a dry area by a winding part.
  • the commutator is designed as a preferably fixed, mechanical commutator, that in the dry area at least one mechanical commutator contacting, circumferentially formed pair of brushes is arranged, wherein preferably the brush pair is held by a rotatable brush holder, which brush holder by a Brush holder drive is driven and that the brush holder drive comprises a rotor with rotor windings and a rotatable auxiliary commutator connected thereto, which is contacted by a preferably fixed auxiliary brush pair, wherein a fixed second magnetic field device is provided for the rotor.
  • the commutator device is preferably arranged in the dry area.
  • the brush holder drive thus has its own, separate from the winding disk separate secondary drive, which drives the brushes of the prime mover. It is provided that the brush pair is preferably conductively connected via slip rings with a load voltage source and the auxiliary brush pair with a control voltage source. From the constant voltage supply from the load voltage source, the current required for the respective load state is provided without the use of control electronics.
  • the speed control of the pump impeller via the auxiliary drive which rests with its sub-brushes on the control voltage of the variable control voltage source.
  • the secondary drive can be controlled via conventional engine electronics.
  • the power required for the secondary drive is only a fraction of the total power required in the system, for example, about 10% of the total power. Thus, can Instead of a complex and expensive power electronics a simpler and cheaper control unit can be used.
  • the rotor and / or the brush holder is rotatably mounted on a fixed axis, wherein preferably the winding part is fixedly connected to the axis.
  • the solid, liquid and gas tight connected to the axis fixed winding part which may be formed as a pot or as a disk, separates the wet area of the dry area by a liquid and gas-tight contact with the housing.
  • the brushes of the brush pair are guided over the stationary mechanical collector. It is essential that the brush holder drive for driving the brush pair is hydraulically separated from the rotatable component in order to guarantee complete hydraulic separation of the wet area from the dry area.
  • the commutator can be designed as a flat commutator.
  • the flat commutator, together with the pair of brushes arranged in the axial direction, has the advantage that the brushes can not be lifted by centrifugal force.
  • a rod armature motor can be used for primary and secondary drive.
  • a high efficiency can be achieved if the first and / or second magnetic field device is formed by a permanent magnetic material. This makes it possible to achieve a synchronous drive of the rotor. Alternatively, it can also be provided that the first and / or second magnetic field device is formed by at least one winding. With this asynchronous version, cost advantages over the synchronous version can be achieved.
  • the figures each show a housing 1 with an electric drive device 2 for a connected for example with a pump impeller, formed by a rotor 3 rotatable component.
  • the wet region 4 containing the rotor 3 is separated in a liquid-tight manner from the drying region 5 by a winding part 6.
  • the winding part 6 is connected to a fixed axis 7.
  • the rotor 3 is rotatably mounted with respect to the axis 7, wherein the bearings are designated by reference numeral 8.
  • the static winding part 6 has windings 9, which are in conductive connection with a commutator 10.
  • a first magnetic field device 16 is mounted on the side of the winding part 6.
  • a rotating field is generated, which drives the rotor 3 by the magnetic field device 16.
  • the magnetic field device 16 may be formed by permanent magnetic material or by windings.
  • the commutator device 10 is formed by a mechanical commutator 10a.
  • Reference numeral 8a designates the mounting of the brush holder 13 about the axis 7.
  • the brush holder drive 17 is formed as a separate secondary drive with its own rotor 21 with rotor windings, which is fixedly connected to the brush holder 13 and in this way the brushes 11, 12 drives for the prime mover.
  • the brushes 11, 12 have their own power supply by being connected via slip rings 14, 15 with a load voltage source U L.
  • the auxiliary brushes 22, 23 for the brush holder drive 17 are fixed and connected to a control voltage source U st .
  • the auxiliary commutator 24 of the brush holder drive 17 is rotatable about the axis 7.
  • a fixed second magnetic field and feedback device 26 is provided for the rotor 21, a fixed second magnetic field and feedback device 26 is provided.
  • Reference numeral 25 designates a leftward conclusion of the winding disk 6.
  • the winding part 6 can be designed as a disk 6a (FIG. 1) or as a pot 6b (FIG. 2).

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung für einen Läufer, insbesondere zum Antrieb eines drehbar gelagerten Pumpenlaufrad einer Kreiselpumpe, mit einem den Läufer beinhaltenden Nassbereich und einem von diesem getrennten Trockenbereich, wobei zumindest ein feststehender, ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugender Wicklungsteil den Nassbereich vom Trockenbereich trennt, wobei die Wicklungen des Wicklungsteiles mit einer Kommutatoreinrichtung verbunden sind, und dass der drehbare Bauteil zumindest auf eine dem Wicklungsteil zugewandten Seite eine erste Magnetfeldeinrichtung aufweist, welche mit dem Wicklungsteil elektromotorisch zusammenwirkt
  • Bei herkömmlichen Kreiselpumpen wird ein das Pumpenlaufrad beinhaltender Nassbereich üblicherweise durch Dichtungselemente, beispielsweise Gleitringdichtungen oder dergleichen von einem den elektrischen Antrieb beinhaltenden Trockenbereich getrennt. Insbesondere bei korrosiven Medien kann es zu frühzeitiger Alterung oder Beschädigung der Dichtungselemente und somit zu funktionsbeeinträchtigenden Leckagen zwischen Nass- und Trockenbereich kommen.
  • Um Wellendichtungen zu vermeiden, ist es bekannt, das Pumpenlaufrad über magnetische Kupplungen anzutreiben. Derartige magnetische Kupplungsantriebe sind etwa aus der US 3,802,804 A, der US 4,013,384 A, der US 4,111,614 A oder der US 4,283,645 A bekannt.
  • Weiters sind sogenannte "inside-out-motors" bekannt, bei denen ein äußerer Rotor um einen inneren Stator angeordnet ist. Inside-Out-Motoren werden beispielweise durch die Dokumente US 5,986,379 A, US 6,239,532 B1 und US 6,286,199 B1 geoffenbart und sind üblicherweise als elektronisch kommutierte Elektromotoren ausgeführt.
  • Die DE 196 27 854 A1 zeigt einen Pumpenmotor mit Statormagnetsystem, das vom im Nassbereich befindlichen Rotormagnetsystem durch eine dichtende Membran getrennt ist. Die Vorrichtung weist des weiteren einen Kommutatorring und zwei Kollektorbürsten in je einem Bürstenhalter auf, der drehbar gelagert und durch die Magnetkraft vom Rotor antreibbar ist.
  • Die JP 63-154037 A zeigt einen Pumpenmotor in Axialspaltausführung, bei den der Nassbereich vom Trockenbereich über eine der Statorjochanordnung zugehörige Scheibe getrennt ist.
  • Die US 3,870,914 A zeigt einen Pumpenmotor mit rotierender Bürstenanordnung, bei dem der Bürstenantrieb über einen Rotor mit einem weiteren feststehenden Kommutator betreibbar ist.
  • Weiters ist aus der WO 01/38741 A1 eine Flüssigkeitspumpe mit einem einen Läufer aufweisenden Nassbereich bekannt, welcher durch einen Wicklungsteil von einem Trockenbereich getrennt ist.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, auf möglichst einfache Weise einen einfachen und zuverlässigen Antrieb für einen Läufer, insbesondere für ein Pumpenlaufrad, bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Kommutatoreinrichtung als, vorzugsweise feststehender, mechanischer Kommutator ausgebildet ist, dass im Trockenbereich zumindest ein den mechanischen Kommutator kontaktierendes, umlaufend ausgebildetes Bürstenpaar angeordnet ist, wobei vorzugsweise das Bürstenpaar von einem drehbaren Bürstenhalter gehalten ist, welcher Bürstenhalter durch einen Bürstenhalterantrieb angetrieben ist und dass der Bürstenhalterantrieb einen Rotor mit Rotorwicklungen und einen mit diesen verbundenen drehbaren Hilfskommutator aufweist, welcher von einem vorzugsweise feststehenden Hilfsbürstenpaar kontaktiert ist, wobei für den Rotor eine feststehende zweite Magnetfeldeinrichtung vorgesehen ist.
  • Die Kommutatoreinrichtung ist vorzugsweise im Trockenbereich angeordnet.
  • Der Bürstenhalterantrieb weist somit einen eigenen, von der Wicklungsscheibe unabhängigen separaten Sekundärantrieb auf, welcher die Bürsten des Primärantriebes antreibt. Dabei ist vorgesehen, dass das Bürstenpaar vorzugsweise über Schleifringe mit einer Lastspannungsquelle und das Hilfsbürstenpaar mit einer Steuerspannungsquelle leitend verbunden ist. Aus der konstanten Spannungsversorgung aus der Lastspannungsquelle wird ohne den Einsatz einer Steuerelektronik der für den jeweiligen Belastungszustand erforderliche Strom zur Verfügung gestellt. Die Drehzahlsteuerung des Pumpenlaufrades erfolgt über den Hilfsantrieb, der mit seinen Hilfsbürsten an der Steuerspannung der veränderlichen Steuerspannungsquelle anliegt. Der Sekundärantrieb kann über eine herkömmliche Motorelektronik angesteuert werden. Die für den Sekundärantrieb erforderliche Leistung macht nur einen Bruchteil der im System benötigten gesamten Leistung, beispielsweise etwa 10% der Gesamtleistung, aus. Somit kann anstelle einer aufwendigen und teuren Leistungselektronik eine einfachere und billigere Steuereinheit verwendet werden.
  • Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Läufer und/oder der Bürstenhalter auf einer feststehende Achse drehbar gelagert ist, wobei vorzugsweise der Wicklungsteil fest mit der Achse verbunden ist.
  • Der fest, flüssigkeits- und gasdicht mit der Achse verbundene feststehende Wicklungsteil, welcher als Topf oder als Scheibe ausgebildet sein kann, trennt den Nassbereich vom Trockenbereich durch eine flüssigkeits- und gasdichte Kontaktierung zum Gehäuse. Die Stromzufuhr zur Wicklung des Wicklungsteiles erfolgt über den Kollektor. Zur Erzeugung des Drehfeldes in den Wicklungen werden die Bürsten des Bürstenpaares über den stillstehenden mechanischen Kollektor geführt. Wesentlich ist, dass der Bürstenhalterantrieb zum Antrieb des Bürstenpaares hydraulisch vom drehbaren Bauteil getrennt ist, um eine vollständige hydraulische Trennung des Nassbereiches vom Trockenbereich zu garantieren.
  • In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kommutator als Flachkommutator ausgebildet sein kann. Der Flachkommutator bietet zusammen mit dem in axialer Richtung angeordneten Bürstenpaar den Vorteil, dass die Bürsten durch Fliehkraftwirkung nicht abgehoben werden können.
  • Anstelle eines Scheibenläufers kann für Primär- und Sekundärantrieb auch ein Stabankermotor verwendet werden.
  • Ein hoher Wirkungsgrad lässt sich erzielen, wenn die erster und/oder zweite Magnetfeldeinrichtung durch ein permanent magnetisches Material gebildet ist. Dadurch lässt sich ein synchroner Antrieb des Läufers erreichen. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die erste und/oder zweite Magnetfeldeinrichtung durch zumindest eine Wicklung gebildet ist. Bei dieser Asynchronausführung lassen sich Kostenvorteile gegenüber der Synchronausführung erzielen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
    • Fig. 1
    eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung in einer ersten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt und
    Fig. 2
    eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt.
  • Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Figuren zeigen jeweils ein Gehäuse 1 mit einer elektrischen Antriebseinrichtung 2 für einen beispielsweise mit einem Pumpenlaufrad verbundenen, durch einen Läufer 3 gebildeten drehbaren Bauteil. Dabei ist der den Läufer 3 beinhaltende Nassbereich 4 vom Trockenbereich 5 durch einen Wicklungsteil 6 flüssigkeitsdicht getrennt. Der Wicklungsteil 6 ist mit einer feststehenden Achse 7 verbunden. Der Läufer 3 ist bezüglich der Achse 7 drehbar gelagert, wobei die Lager mit Bezugszeichen 8 bezeichnet sind. Der statische Wicklungsteil 6 weist Wicklungen 9 auf, welche mit einer Kommutatoreinrichtung 10 in leitender Verbindung stehen. Am Läufer 3 ist auf der Seite des Wicklungsteiles 6 eine erste Magnetfeldeinrichtung 16 angebracht. Im Wicklungsteil 6 wird ein Drehfeld erzeugt, welches durch die Magnetfeldeinrichtung 16 den Läufer 3 antreibt. Die Magnetfeldeinrichtung 16 kann durch permanent magnetisches Material oder durch Wicklungen gebildet sein.
  • In den Fig. 1 und Fig. 2 ist die Kommutatoreinrichtung 10 durch einen mechanischen Kommutator 10a gebildet. Die Stromzufuhr zum mechanischen Kommutator 10a erfolgt über umlaufende Bürsten 11, 12, welche in einem drehbaren Bürstenhalter 13 gehalten sind. Mit Bezugszeichen 8a ist die Lagerung des Bürstenhalters 13 um die Achse 7 bezeichnet. Die Stromzufuhr zu den Bürsten 11, 12 erfolgt über Schleifringe 14, 15.
  • Der Bürstenhalterantrieb 17 ist als separater Sekundärantrieb mit einem eigenen Rotor 21 mit Rotorwicklungen ausgebildet, welcher mit dem Bürstenhalter 13 fest verbunden ist und auf diese Weise die Bürsten 11, 12 für den Primärantrieb antreibt. Die Bürsten 11, 12 weisen eine eigene Stromversorgung auf, indem sie über Schleifringe 14, 15 mit einer Lastspannungsquelle UL verbunden sind. Die Hilfsbürsten 22, 23 für den Bürstenhalterantrieb 17 sind feststehend ausgebildet und mit einer Steuerspannungsquelle Ust verbunden. Der Hilfskommutator 24 des Bürstenhalterantriebs 17 ist um die Achse 7 drehbar ausgebildet. Für den Rotor 21 ist eine feststehende zweite Magnetfeld- und Rückschlusseinrichtung 26 vorgesehen. Mit Bezugszeichen 25 ist ein geblechter Rückschluss der Wicklungsscheibe 6 bezeichnet.
  • Aus der Spannungsversorgung der Lastspannungsquelle UL kann ohne Einsatz einer Elektronik der für den jeweiligen Belastungszustand erforderliche Strom gezogen werden. Dies hat den Vorteil, dass keine Leistungselektronik notwendig ist, da der Bürstenhalterantrieb 17 zur Drehzahlsteuerung des Läufers 3 durch Variieren der Steuerspannung Ust über die Motorelektronik angesteuert werden kann. Die hierzu benötigte Leistung beträgt nur einen Bruchteil, beispielsweise 10%, der gesamten im System benötigten Leistung. Es kann somit anstelle einer aufwendigen und teuren Leistungselektronik eine einfachere und billigere Steuereinheit verwendet werden. Anstelle der abgebildeten Scheibenläufer kann sowohl für den Primärantrieb als auch für den Sekundärantrieb auch ein herkömmlicher Stabankermotor verwendet werden.
  • Der Wicklungsteil 6 kann als Scheibe 6a (Fig. 1) oder als Topf 6b (Fig. 2) ausgebildet sein.

Claims (9)

  1. Elektrische Antriebseinrichtung (2) für einen Läufer (3), insbesondere zum Antrieb eines drehbar gelagerten Pumpenlaufrad einer Kreiselpumpe, mit einem den Läufer (3) beinhaltenden Nassbereich (4) und einem von diesem getrennten Trockenbereich (5), wobei zumindest ein feststehender, ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugender Wicklungsteil (6) den Nassbereich (4) vom Trockenbereich (5) trennt, wobei die Wicklungen (9) des Wicklungsteiles (6) mit einer Kommutatoreinrichtung (10) verbunden sind, und dass der drehbare Bauteil zumindest auf eine dem Wicklungsteil (6) zugewandten Seite eine erste Magnetfeldeinrichtung (16) aufweist, welche mit dem Wicklungsteil (6) elektromotorisch zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutatoreinrichtung (10) als, vorzugsweise feststehender, mechanischer Kommutator (10a) ausgebildet ist, dass im Trockenbereich (5) zumindest ein den mechanischen Kommutator (10a) kontaktierendes, umlaufend ausgebildetes Bürstenpaar (11, 12) angeordnet ist, wobei das Bürstenpaar (11, 12) von einem drehbaren Bürstenhalter (13) gehalten ist, welcher Bürstenhalter (13) durch einen Bürstenhalterantrieb (17) angetrieben ist und dass der Bürstenhalterantrieb (17) einen Rotor (21) mit Rotorwicklungen und einen mit diesen verbundenen drehbaren Hilfskommutator (24) aufweist, welcher von einem vorzugsweise feststehenden Hilfsbürstenpaar (22, 23) kontaktiert ist, wobei für den Rotor (21) eine feststehende zweite Magnetfeldeinrichtung (26) vorgesehen ist.
  2. Antriebseinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutatoreinrichtung (10) im Trockenbereich (5) angeordnet ist.
  3. Antriebseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bürstenpaar (11, 12) vorzugsweise über Schleifringe (14, 15) mit einer Lastspannungsquelle (UL) und das Hilfsbürstenpaar (22, 23) mit einer Steuerspannungsquelle (Ust) leitend verbunden ist.
  4. Antriebseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Kommutator (10a) als Flachkommutator ausgebildet ist.
  5. Antriebseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (3) und/oder der Bürstenhalter (13) auf einer feststehenden Achse (7) drehbar gelagert ist, wobei vorzugsweise der Wicklungsteil (6) fest mit der Achse (7) verbunden ist.
  6. Antriebseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsteil (6) im Wesentlichen als Scheibe (6a) ausgebildet ist.
  7. Antriebseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsteil (6) im Wesentlichen als Topf (6b) ausgebildet ist.
  8. Antriebseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Magnetfeldeinrichtung (16, 26) durch ein permanent magnetisches Material gebildet ist.
  9. Antriebseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Magnetfeldeinrichtung (16, 26) durch zumindest eine Wicklung gebildet ist.
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EP1526284A3 EP1526284A3 (de) 2005-05-18
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